冲击式超声波钻的换能器驱动特性研究.pdf

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1、硕士学位论文冲击式超声波钻的换能器驱动特性研究RESEARCHONTRANSDUCERDRIVINGCHARACTERISTICSOFAPERCUSSIVEULTRASONICDRILLER杨欣哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V476.4学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文冲击式超声波钻的换能器驱动特性研究硕士研究生：杨欣导师：邓宗全教授申请学位：工学硕士学科：机械设计及理论所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V476.4U.D.C:621Dissertatio

2、nfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONTRANSDUCERDRIVINGCHARACTERISTICSOFPERCUSSIVEULTRASONICDRILLERCandidate：YangXinSupervisor：Prof.DengZongquanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalDesignandTheoryAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June2

3、018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要钻探器在太空探测任务中具有重要的作用。钻探器在天体表面钻进一定深度进行取样，将样本带回地球，有利于人类分析天体表面土壤的成分，从而帮助人类发现太空的奥秘。与普通电机驱动钻相比，冲击式超声波钻具有功率小、质量小、体积小和钻压力小等特点。压电换能器是超声波钻的核心装置，其输出特性直接影响到超声波钻的钻进效果。变幅杆是压电换能器的重要组成部分，通过改变变幅杆的构型尺寸参数，能够改变换能器的谐振频率以及输出端振幅；施加预紧力是研制

4、超声波换能器过程中的重要环节，通过改变预紧力的大小，能够对换能器的性能产生影响；温度对于压电换能器的输出有一定影响，在研究换能器驱动过程中，研究温度变化对于提高超声波钻性能有重要意义。本文针对夹心式压电换能器，开展了关于变幅杆构型尺寸参数、预紧力和热传递的仿真及实验研究。研究了五组变幅杆构型尺寸参数对换能器谐振频率及输出端振幅的影响，基于ANSYS有限元法，对夹心式换能器开展了模态分析和谐响应分析，得到不同尺寸下换能器的谐振频率与输出振幅，进而评估给定范围内最佳尺寸参数值。本文基于COMSOL物理仿真软件，研究了预紧力对换能器输出特性的影响，得出了换能器输出随预紧力的变化规

5、律。针对不同直径尺寸的换能器，设计了一个超声波换能器的自动预紧平台，从而能够精确、缓慢地加载预紧力，并使用自动预紧平台进行了实验测试。在预紧力的基础上，本文研究了换能器工作时的温度变化，通过仿真得到了换能器稳态时的表面温度分布。通过实验得到了换能器工作时的温度变化曲线，验证了仿真温度分布结果的正确性，分析了实验与仿真结果的误差，并给出了造成实验误差的原因。关键词：超声波钻探器；夹心换能器；变幅杆构型尺寸；预紧力；热力学仿真-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractDrillingdevicesplayanimportantroleinspaceexploratio

6、nmissions.ThedrillerdrillsacertaindepthonthesurfaceofthecelestialbodytotakeasampleandbringsitbacktoEarth,whichisconducivetotheanalysisofthecompositionofthesoilonthesurfaceofthecelestialbodyandcanhelphumansdiscoverthemysteriesofspace.Comparedwithordinarymotor-drivendrills,percussiveultrason

7、icdrillshavethecharacteristicsoflowpower,smallmass,smallvolume,andlowdrillingpressure.Thepiezoelectrictransduceristhecoredeviceoftheultrasonicdriller.Theoutputcharacteristicsofthepiezoelectrictransduceraffectthedrillingeffectoftheultrasonicdrilldirectly.Thehor