电磁电机辅助的回转冲击式超声波钻探器的制作方法

本发明具体涉及一种电磁电机辅助的回转冲击式超声波钻探器，属于地外天体探测及样品采集测试领域。

背景技术：

深空探测是近年来最活跃的科学领域之一，研究地外天地的地质信息有助于探索太阳系的组成、生命起源，钻取采样是深空探测中获取星壤样品的重要方式。超声波钻探器具有体积小、功耗低和钻压力小等优点。冲击式超声波钻探器中，采样钻具只作沿其轴向的冲击运动，依靠采样钻具对岩石的冲击破碎实现岩石的采样，在冲击式超声波钻探器的基础上，引入钻具的回转驱动，便形成了回转冲击式超声波钻探器。基于冲击式超声波钻探器，利用电磁电机驱动钻具作回转运动，提出了一种电磁电机辅助的回转冲击式超声波钻探器。相较于冲击式超声波钻探器，回转冲击式超声波钻探器具有更高的钻探效率及优良的排屑性能。

技术实现要素：

本发明解决了冲击式超声波钻探器的钻探效率不高，排屑性能不好的问题，利用电磁电机驱动钻具作回转运动，提出了一种电磁电机辅助的回转冲击式超声波钻探器。相较于冲击式超声波钻探器，回转冲击式超声波钻探器具有更高的钻探效率及优良的排屑性能。

为达此目的，本发明提出一种电磁电机辅助的回转冲击式超声波钻探器包括采样钻具、轴承套、回复弹簧、自由质量块、前壳体、夹心式压电换能器、后壳体、回转电机和传动轴；

所述传动轴和采样钻具固定连接，所述传动轴的外周套有夹心式压电换能器和自由质量块，所述自由质量块位于夹心式压电换能器和采样钻具之间，所述前壳体与后壳体连接形成一个壳体，所述传动轴、夹心式压电换能器、自由质量块和采样钻具的尾端位于所述壳体内部，所述回转电机位于后壳体的后方并与传动轴连接，用于驱动传动轴运动进而驱动采样钻具做回转运动；

所述采样钻具的尾端套有回复弹簧和轴承套，所述回复弹簧与轴承套连接，用于提供采样钻具运动过程中的回复力，所述采样钻具从前壳体的头部穿出。

优选地，所述夹心式压电换能器包括变幅杆、四个压电陶瓷片、绝缘套、后盖板和五个电极片；所述四片压电陶瓷片与五个电极片间隔排列，且压电陶瓷片和电极片的中间均设置有圆孔，所述变幅杆穿过压电陶瓷片与电极片的圆孔插入后盖板中。

优选地，所述变幅杆的尾部插入端外套有绝缘套，所述绝缘套套于变幅杆与后盖板之间。

优选地，在高频电压激励下，所述变幅杆产生高频的简谐振动。

优选地，所述自由质量块位于变幅杆的前方，所述变幅杆与自由质量块发生冲击碰撞，使自由质量块沿轴向作冲击运动。

优选地，所述自由质量块与采样钻具发生冲击碰撞，使采样钻具冲击破碎岩石。

优选地，所述传动轴的尾部外周套有回转轴承。

优选地，所述采样钻具穿过冲击轴承从前壳体的头部穿出，所述冲击轴承固嵌在前壳体的头部内。

优选地，所述采样钻具与轴承套之间套有密珠轴承。

本发明所述的电磁电机辅助的回转冲击式超声波钻探器的工作原理为：

在高频电压激励下，夹心式压电换能器的变幅杆产生高频的简谐振动，并与自由质量块发生冲击碰撞，使自由质量块沿轴向作冲击运动，所述自由质量块与采样钻具发生冲击碰撞，使采样钻具冲击破碎岩石；

所述回转电机通过传动轴驱动采样钻具作回转运动。

本发明所述的电磁电机辅助的回转冲击式超声波钻探器的有益效果为：

1)、本发明结构设计科学合理，利用夹心式压电换能器实现钻具的冲击运动，使钻探器在较小的钻压力、较低的功耗下即可冲击破碎岩石。

2)、本发明利用电磁电机实现钻具的回转运动，利用钻具表面的螺旋结构将钻进岩石过程中产生的钻屑排出钻孔，提高钻探器的钻探效率。

附图说明

图1为本发明所述的电磁电机辅助的回转冲击式超声波钻探器的结构示意图；

图2为本发明所述的夹心式压电换能器的结构示意图；

图中：1-采样钻具；2-轴承套；3-回复弹簧；4-自由质量块；5-前壳体；6-夹心式压电换能器；601-变幅杆；602-压电陶瓷片；603-绝缘套；604-后盖板；605-电极片；7-后壳体；8-回转电机；9-传动轴；10-回转轴承；11-密珠轴承；12-冲击轴承。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

具体实施方式一：参见图1-图2说明本实施方式。本实施方式所述的一种电磁电机辅助的回转冲击式超声波钻探器包括采样钻具1、轴承套2、回复弹簧3、自由质量块4、前壳体5、夹心式压电换能器6、后壳体7、回转电机8和传动轴9；

所述传动轴9和采样钻具1固定连接，所述传动轴9的外周套有夹心式压电换能器6和自由质量块4，所述自由质量块4位于夹心式压电换能器6和采样钻具1之间，所述前壳体5与后壳体7连接形成一个壳体，所述传动轴9、夹心式压电换能器6、自由质量块4和采样钻具1的尾端位于所述壳体内部，所述回转电机8位于后壳体7的后方并与传动轴9连接，用于驱动传动轴9运动进而驱动采样钻具1做回转运动；

所述采样钻具1的尾端套有回复弹簧3和轴承套2，所述回复弹簧3与轴承套2连接，用于提供采样钻具1运动过程中的回复力，所述采样钻具1从前壳体5的头部穿出。

所述夹心式压电换能器6包括变幅杆601、四个压电陶瓷片602、绝缘套603、后盖板604和五个电极片605；所述四片压电陶瓷片602与五个电极片605间隔排列，且压电陶瓷片602和电极片605的中间均设置有圆孔，所述变幅杆601穿过压电陶瓷片602与电极片605的圆孔插入后盖板604中。

所述变幅杆601的尾部插入端外套有绝缘套603，所述绝缘套603套于变幅杆601与后盖板604之间。

在高频电压激励下，所述变幅杆601产生高频的简谐振动。

所述自由质量块4位于变幅杆601的前方，所述变幅杆601与自由质量块4发生冲击碰撞，使自由质量块4沿轴向作冲击运动。

所述自由质量块4与采样钻具1发生冲击碰撞，使采样钻具1冲击破碎岩石。

所述传动轴12的尾部外周套有回转轴承10。

所述采样钻具1穿过冲击轴承12从前壳体5的头部穿出，所述冲击轴承12固嵌在前壳体4的头部内。

所述采样钻具1与轴承套2之间套有密珠轴承11。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明提出一种电磁电机辅助的回转冲击式超声波钻探器，该钻探器的传动轴和采样钻具固定连接，传动轴外周套有夹心式压电换能器和自由质量块，自由质量块位于夹心式压电换能器和采样钻具之间，前壳体与后壳体连接形成一个壳体，回转电机位于后壳体后方并与传动轴连接；采样钻具的尾端套有回复弹簧和轴承套，回复弹簧与轴承套连接，用于提供采样钻具运动过程中的回复力，采样钻具从前壳体头部穿出。本发明解决了冲击式超声波钻探器的钻探效率不高，排屑性能不好的问题，利用电磁电机驱动钻具作回转运动，提出了一种电磁电机辅助的回转冲击式超声波钻探器，相较于冲击式超声波钻探器，回转冲击式超声波钻探器具有更高的钻探效率及优良的排屑性能。

技术研发人员：全齐全;柏德恩;王印超;唐德威;邓宗全
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2018.07.25
技术公布日：2018.12.14