超声波取样钻机电耦合特性研究.pdf

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1、第42卷第11期探矿工程(岩土钻掘工程)V01．42No．112015年11月ExplorationEngineeringfRock&SoilDrillingandTunneling)Nov．2015：46—49超声波取样钻机电耦合特性研究梁彩红，韦旌坤，史立京，卜_长根(1．中国地质大学(北京)工程技术学院，北京100083；2．湖北地矿建设工程承包集团有限公司，湖北武汉430072)摘要：压电驱动的超声波取样钻具有质量轻、能耗低、无回转部件的特点，可以满足地外岩石采样的需求。电能通过压电陶瓷转换为致动器高频振动的机械

2、能，使其在特定频率做超声的共振。这种超声取样钻的机电耦合特征，使超声致动器的设计变得复杂。基于ANSYS环境，研究超声致动器在机电耦合场边界条件下的动力学特性，其耦合场的模态频率、激励响应与单一机械结构场条件得到的结果具有较好的一致性。结果表明，超声致动器把电能转换机械能过程的机电耦合场相互作用是很弱的。因此，采用解耦方法，超声致动器的设计过程将大大简化。关键词：超声波取样钻；月球取样；致动器；机电耦合；模态分析；解耦中图分类号：P634．31文献标识码：A文章编号：1672—7428(2015)11—0046—04Co

3、uplingPropertiesoftheUltrasonic／SonicDriller／Corer(USDC)／LIANGCaihong，WEIJing—kun，SH1Li-jing，BUChang—gen(1．SchoolofEngineeringandTechnology，ChinaUniversityofGeo—sciences，Beijing100083，China；2．HubeiDijianConstructionCo．，Ltd．，WuhanHubei430072，China)Abstract：TheUltr

4、asonic／SonicDriller／Corer(USDC)，drivenbythepiezoelectricsystem，cantakerocksamplesinotherplanetsbecauseofthelightweight，lowenergyconsumptionandnorotatingpans．Thefunctionofpiezoelectricstacksistoconverttheelectricpowerintothedynamicpowerofthehigh—frequencymechanica

5、lvibrations，SOtheultrasonichornvi—bratesinultrasonicfrequency．Itiscomplicatedtodesigntheultrasonichornduetoelectromechanicalcoupling．BasedontheANSYSenvironment，thedynamiccharacteristicsoftheultrasonichornundertheboundaryconditionsofeleetromechan—icalwasanalyzed．T

6、hemodalfrequencyandtheexcitationresponseofthecouplingfieldwereingoodagreementwiththeresultsobtainedfromthesinglemechanicalstructurefield．TheresultshowsthattheelectromechanicalcouplingofUSDCisveryweakintheprocessofelectricalenergyconvertingintomechanicalvibratingp

7、owerandcanbeneglectedforcalcula—tion．Therefore，thedecouplingmethodwillbeadoptedtodesigntheultrasonichorninordertosimplifythedesignprocess．Keywords：USDC；lunarsampling；ultrasonichorn；electromechanicalcoupling；modalanalysis；decoupling1概述点：结构简单、体积小、质量轻、无旋转运动、无需润2013年

8、12月，“嫦娥三号”发射，“玉兔”到达滑，能够适应外太空复杂的采样任务，满足地外钻探月球表面，主要实现表面月壤的取样。对月壤进行的需求。采样时，通常采用采样铲或螺旋钻头。而钻取岩石目前，美国、德国对超声波取样钻的研究取得了时，传统钻探技术受到诸多限制：地面钻探设备主要一些成就。美国国家航空航天局(NASA)下属的喷依