不含自由质量块的回转冲击式超声波钻探器的制作方法

本发明涉及一种不含自由质量块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。与电磁电机驱动的钻探器相比，超声波钻探器具有体积小、功耗低和钻压力小等优点，按照采样钻具的运动形式可将超声波钻探器分为冲击式超声波钻探器及回转冲击式超声波钻探器。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，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。本发明提出一种不含自由质量块的回转冲击式超声波钻探器，该钻探器利用单压电陶瓷叠堆实现钻具的回转冲击运动前、后侧的振动能量实现钻具的冲击、回转运动，钻探器的压电换能器直接与采样钻具发生冲击碰撞并将振动能量传递给采样钻具。

技术实现要素：

本发明解决了现有技术的超声波钻探器均设置有自由质量块，需要完成两次接触碰撞，存在一定程度的能量损失的问题，提出一种不含自由质量块的回转冲击式超声波钻探器，省去了自由质量块仅需完成一次碰撞，提高了超声波钻探器的能量传递效率。

为达此目的，本发明提出一种不含自由质量块的回转冲击式超声波钻探器包括采样钻具、回复弹簧、回转轴套、前壳体、纵-纵扭复合式压电换能器、后壳体、转子、加载弹簧、螺母、后轴承端盖和传动轴；

所述传动轴与采样钻具固定连接，所述传动轴的外周套有纵-纵扭复合式压电换能器，所述前壳体、后壳体和后轴承端盖依次连接形成一个壳体，所述传动轴的前端、纵-纵扭复合式压电换能器和采样钻具的尾端位于壳体内部，所述传动轴的尾部从后轴承端盖穿出，所述传动轴的外周从前到后依次套有转子、加载弹簧与螺母，所述转子与加载弹簧连接，通过调节螺母在传动轴上的位置调整加载弹簧的压缩量，所述纵-纵扭复合式压电换能器的尾端与转子接触，且工作状态时此接触面处产生摩擦力矩，所述摩擦力矩驱动转子做回转运动，所述转子通过传动轴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回转轴套，所述回复弹簧与回转轴套连接，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，所述纵-纵扭复合式压电换能器包括变幅杆、四片压电陶瓷片、电极片和四片纵扭耦合振子，所述四片压电陶瓷片与四片纵扭耦合振子间隔排列，且压电陶瓷片和纵扭耦合振子的中间均设置有圆孔，所述变幅杆穿过压电陶瓷片与纵扭耦合振子的圆孔插入电极片。

优选地，所述采样钻具位于变幅杆的前方，所述变幅杆与采样钻具发生冲击碰撞，使采样钻具沿轴向作冲击运动。

优选地，所述电极片与传动轴连接且与转子接触。

优选地，所述变幅杆的尾部插入端外套有后密珠轴承，所述后密珠轴承位于变幅杆与电极片之间。

优选地，所述传动轴的尾部穿过回转轴承从后轴承端盖穿出，所述回转轴承固嵌在后轴承端盖的内部。

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。

本发明所述的不含自由质量块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，纵-纵扭复合式压电换能器的压电陶瓷片、电极片和纵扭耦合振子分别产生高频的简谐振动，并做椭圆运动，纵-纵扭复合式压电换能器的变幅杆与采样钻具发生冲击碰撞，使采样钻具沿轴向作冲击运动；

纵-纵扭复合式压电换能器的电极片与转子接触，通过调节螺母在传动轴上的位置调整加载弹簧的压缩量，在加载弹簧提供的加载力及纵-纵扭复合式压电换能器电极片的椭圆运动作用下，在转子与纵-纵扭复合式压电换能器的接触面处产生摩擦力矩，所述摩擦力矩驱动转子作回转运动，所述转子通过传动轴驱动采样钻具作回转运动。

本发明所述的不含自由质量块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，利用单压电陶瓷叠堆驱动的纵-纵扭复合式压电换能器同时实现钻具的回转与冲击运动。具有结构简单、质量轻、无需润滑、所需钻压力小的特点。

2)、本发明省去了一般超声波钻探器中的自由质量块部件，利用纵-纵扭复合式压电换能器变幅杆的简谐振动直接驱动钻具作冲击运动，具有能量传递效率高，钻进效率高的效果。

3)、本发明利用单压电陶瓷叠堆驱动的纵-纵扭复合式压电换能器驱动齿的椭圆运动实现钻具的回转运动，省去了电磁电机，使钻探器的结构简单、质量轻，具有较为宽泛的工作温度范围。

附图说明

图1为本发明所述的不含自由质量块的回转冲击式超声波钻探器的结构示意图；

图2为本发明所述的纵-纵扭复合式压电换能器的结构示意图；

图中：1-采样钻具；2-回转轴套；3-回复弹簧；4-前壳体；5-纵-纵扭复合式压电换能器；501-变幅杆；502-压电陶瓷片；503-电极片；504-纵扭耦合振子；6-后壳体；7-转子；8-加载弹簧；9-螺母；10-后轴承端盖；11-回转轴承；12-传动轴；13-后密珠轴承；14-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说明本实施方式。本实施方式所述的一种不含自由质量块的回转冲击式超声波钻探器包括采样钻具1、回复弹簧2、回转轴套3、前壳体4、纵-纵扭复合式压电换能器5、后壳体6、转子7、加载弹簧8、螺母9、后轴承端盖10和传动轴12；

所述传动轴12与采样钻具1固定连接，所述传动轴12的外周套有纵-纵扭复合式压电换能器5，所述前壳体4、后壳体6和后轴承端盖10依次连接形成一个壳体，所述传动轴12的前端、纵-纵扭复合式压电换能器5和采样钻具1的尾端位于壳体内部，所述传动轴12的尾部从后轴承端盖10穿出，所述传动轴12的外周从前到后依次套有转子7、加载弹簧8与螺母9，所述转子7与加载弹簧8连接，通过调节螺母9在传动轴12上的位置调整加载弹簧8的压缩量，所述纵-纵扭复合式压电换能器5的尾端与转子7接触且工作状态时此接触面处产生摩擦力矩，所述摩擦力矩驱动转子7做回转运动，所述转子7通过传动轴驱动采样钻具7做回转运动；

所述采样钻具1的尾端套有回复弹簧2和回转轴套3，所述回复弹簧2与回转轴套3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4的头部穿出。

所述纵-纵扭复合式压电换能器5包括变幅杆501、四片压电陶瓷片502、电极片503和四片纵扭耦合振子504，所述四片压电陶瓷片502与四片纵扭耦合振子504间隔排列且压电陶瓷片502和纵扭耦合振子504的中间均设置有圆孔，所述变幅杆501穿过压电陶瓷片502与纵扭耦合振子504的圆孔插入电极片503。

所述采样钻具1位于变幅杆501的前方，所述变幅杆501与采样钻具1发生冲击碰撞，使采样钻具1沿轴向作冲击运动。

所述电极片503与传动轴12连接且与转子7接触。

所述变幅杆501的尾部插入端外套有后密珠轴承13，所述后密珠轴承13套于变幅杆501与电极片503之间。

所述传动轴12的尾部穿过回转轴承11从后轴承端盖10穿出，所述回转轴承11固嵌在后轴承端盖10的内部。

所述采样钻具1穿过冲击轴承14从前壳体4的头部穿出，所述冲击轴承14固嵌在前壳体4的头部内。

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。