超声波钻探器结构参数对输出特性的影响分析_张兴旺.pdf

http:/DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0554超声波钻探器结构参数对输出特性的影响分析张兴旺1，张明2，于登云3，*，曾婷1，殷参1，杨帅1，庞勇1(1.北京卫星制造厂有限公司，北京100194；2.中国空间技术研究院，北京100194；3.中国航天科技集团有限公司，北京100048)摘要：超声波钻探器因具有质量轻、低功耗、所需轴向力小、便于实时检测和原位分析及对象适应性强等特点，在地外天体科学钻探的新技术和新方法探索过程中备受瞩目。为进一步提高钻探器对不同钻进对象的适应性及其设计效率，通过研究超声波钻探器结构参数可知，其输出频率主要受碰撞冲击次数、弹簧钻杆的振动及钻杆本身的动力学特性等因素耦合影响。在此基础上，建立钻探器影响因素的物理模型，并结合实验研究了恢复弹簧刚度及初始预紧力和质量块质量对输出频率、位移和速度等参数的影响，得到弹簧初始预紧力对频率影响较为显著，弹簧刚度及质量块质量次之，为适应不同硬度对象高效钻进的变频超声波钻探器的优化设计提供技术参考。关键词：超声波钻探器；结构；高速摄像系统；冲击碰撞；频率中图分类号：V11文献标志码：A文章编号：1001-5965（2023）07-1735-08开展深空探测活动是人类探索宇宙奥秘、寻求长久发展的必然途径，是近地空间到更广阔太阳系空间的必然拓展1-2。在深空探测任务中，星体表面或表面下岩石及土壤样品的采集对研究星体环境、资源、地质构造及物质组成等具有重要意义3。而利用采样机构获取星体表层或表层下土壤及岩石样品，进而对其进行分析研究，是深空探测中的重要任务和关键技术4。传统的旋转钻进技术因所需轴向力高、持续保持扭矩、功率消耗高、质量大、无法有效循环工作及钻头磨损严重等问题5-7难以在具有微弱引力环境及坚硬岩层的地外天体探测上得到更好的应用。而超声波钻探器因具有结构简单、体积小、质量轻、低功耗、所需轴向力较小、便于实时检测、不必考虑钻头磨损及强适应性等特点8，在探索适合深空探测的科学钻探新技术和新方法的过程中备受瞩目。为此，国内外学者和机构对超声波钻探器开展了大量研究。Bar-Cohen 等8-9针对火星采样探测任务设计了由压电驱动、变幅杆、自由质量块及钻杆等构成的超声波/声波钻探器（ultrasonic/sonicdrilling/coring，USDC），实现了低钻压低功耗钻进，拉开了超声波钻探器设计研究的序幕。随后，为研究钻探器驱动机制，Bao 等10对换能器、自由质量、钻头和岩石之间的相互作用进行建模和数值模拟分析，并通过对自由质量和变幅杆之间的相互作用进行冲击分析来推导自由质量块的最佳质量11-12。Sherrit 等13及 Zensheu 等14在 USDC 的研究基础上，对变幅杆构型进行设计分析，通过采用折叠变幅杆在满足钻进性能的条件下进一步减小了 USDC 的整体长度。郭俊杰等15针对月球及深空探测任务，率先设计了超声波/声波钻探器，并对钻探器的换能器和钻杆进行模态分析和谐响应分析。随后，陈超等16提出一种可用于外太空探测和取样的超声波/声波钻探采样器，建立了超声波钻探收稿日期：2021-09-15；录用日期：2021-12-13；网络出版时间：2022-02-2412：06网络出版地址： J.北京航空航天大学学报，2023，49（7）：1735-1742.ZHANG X W，ZHANG M，YU D Y，et al.Analysis of influence of ultrasonic drilling structure parameters on output characteristicsJ.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2023，49（7）：1735-1742（in Chinese）.2023年7月北京航空航天大学学报July2023第49卷第7期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.49No.7器的有限元模型，通过自由质量块设计实现了超声波-声波振动能量的耦合与转换，之后又通过高速摄 影 系 统 对 自 由 质 量 块 的 运 动 规 律 进 行 分析17。毕亚兰18通过仿真和实验分析了自由质量块质量和运动范围对超声波钻探器钻进速度的影响。全齐全等19-23建立了自由质量块碰撞振动系统的离散模型，研究了其非线性动力学特性，在此基础上设计了冲击回转超声波钻探器。为研究变幅杆、自由质量块及钻杆间的相互作用，Vila 和 Malla24-26利用动量守恒原理，建立了三者的固体碰撞模型，分析了不同参数对三者间碰撞次数的影响。目前对超声波钻探器的研究主要集中在结构构型设计、钻探器整体建模及钻探器钻进效率等方面，钻探器结构部件对输出频率等的影响研究较少。而空间采样对象等的成分不确定性及可钻性等级分布的广泛性，使得单一钻进频率很难较好地适应各种对象的高效钻进。因此，为提高钻探器适应性，需开展钻探器结构参数对频率等输出参数影响的研究。而钻杆的输出频率实际上是质量块与钻杆碰撞次数、钻杆和恢复弹簧的振动及钻杆本身的振动耦合作用的结果，很难用统一的数学模型准确描述。本文在上述超声波钻探器的基础上，通过建立系统各部分碰撞动力学模型，并结合实验研究了自由质量块质量、弹簧刚度及弹簧初始预紧力等参数对超声波钻探器输出频率等的影响，分析了频率等输出参数的影响规律，为适应空间不同对象高效钻进的频率可调的超声波钻探器的优化设计提供技术参考。1系统组成及工作原理本文研究采用的超声波钻探器结构如图 1 所示。与文献 19 设计的钻探器类似，该钻探器主要由压电换能器、超声波发生器、自由质量块、恢复弹簧、钻杆及支撑壳等组成，其中压电换能器是系统的驱动部件，主要由预应力螺栓、后盖板、压电片叠合而成的压电叠堆及变幅杆等组成，其在超声波发生器产生的超高频正弦电压激励下，会产生10kHz以上的超高频微幅振动。由于超声波产生的振动频率高、振幅小，破岩效率较低，因此，采用自由质量块和恢复弹簧系统来降低钻探器输出频率，将压电换能器产生的高频振动转化为声频或声频以下的冲击振动，同时增加振幅，并保持能量持续传递。钻杆是系统的能量输出部件，将自由质量块和恢复弹簧传递来的能量作用到钻进对象上，并通过持续的冲击使对象破碎。预应力螺栓后盖板压电叠堆变幅杆自由质量块恢复弹簧钻杆支撑壳局部放大图压电换能器超声波发生器电源指示保护指示调频器超声测试电源开关功率调节电流表图1超声波钻探器结构组成Fig.1Structuralcompositionofultrasonicdrill2输出特性组成变幅杆末端产生的超高频振动主要通过碰撞系统实现钻探器降频增幅输出，输出特性主要由碰撞系统中的质量块与钻杆碰撞次数、钻杆和恢复弹簧的振动及钻杆本身的振动等因素耦合而成。碰撞系统主要包括变幅杆、自由质量块、恢复弹簧及钻杆，其碰撞系统模型如图 2 所示。钻杆变幅杆自由质量块钻杆等效刚度k位移mrmhmm等效阻尼cuh(t)um(t)ur(t)图2碰撞系统模型Fig.2Modelofcollisionsystem变幅杆末端输出的高频振动可看作正弦运动，则有uh=A0sin(t)vh=A0cos(t)（1）uhvhA0式中：为变幅杆末端位移；为变幅杆末端速度；为变幅杆末端振幅；为振动角速度。4 个参数值均可由激光测振仪测得。对自由质量块，忽略其所受的摩擦力，对碰撞过程采用动量守恒定律可得mhvh+mmvm1=mhvh+mmvm1（2）mhmm式中：和分别为变幅杆和自由质量块有效质1736北 京 航 空 航 天 大 学 学 报2023年vm1vhvm1量；为自由质量块碰撞前速度；和分别为变幅杆和自由质量块碰撞后速度，其值可由高速摄像机测得。e1引入变幅杆与自由质量块碰撞恢复系数23，即e1=vm1vh|vhvm1|（3）将式（3）代入式（2）整理可得vm1=mhvh+mmvm1+mhe1(vhvm1)mh+mm（4）vm1上述碰撞完成后，自由质量块以速度向钻杆运动，撞击钻杆，从而形成轴向冲击运动，恢复弹簧使得系统连续响应。对自由质量块和钻杆，利用动量守恒并引入恢复系数，可得碰撞后自由质量块和钻杆的速度：vm2=mrvr+mmvm2+mre2(vrvm2)mr+mmvr=mrvr+mmvm2+mme2(vm2vr)mr+mm（5）mrvm2vrvm2vre2=vrvm2|vm2vr|式中：为钻杆质量；和分别为自由质量块和钻杆碰撞前速度；和分别为自由质量块和钻杆碰撞后速度；，为自由质量块与钻杆的碰撞恢复系数。质量块与钻杆碰撞完成后，钻杆和恢复弹簧运动可看作单自由度系统，则mr ur+c ur+k(ur+u0)=0（6）urcku0式中：为钻杆位移；为系统等效阻尼；为系统等效刚度；为弹簧初始压缩量（常数）。在自由质量和钻杆 2 次碰撞期间，钻杆会经历自由振动。将钻杆看作是由一种材料制成的均匀悬臂杆，则钻杆轴向自由振动的运动方程为2urx22urv2ct2=0（7）vc=E/式中：x 为钻杆上任意一点到钻杆顶端的距离；，为波在杆中的传播速度，E 为钻杆材料弹性模量，为钻杆材料密度。u(t)(x)式(7)的解可通过分离变量获得，即将其分为时间相关分量和位置分量，则解的形式可写为ur(x,t)=u(t)(x)（8）将式(8)代入式(7)，并分别对时间和位移求偏导可得通解为u(t)=C1sin(nt)+C2cos(nt)(x)=C3sin(nx/c)+C4cos(nx/c)（9）C1C2C3C4n式中：、为常数；为钻杆轴向固有频率。代入边界条件整理可得钻杆的自由振动响应为ur(x,t)=D1sin(nt)+D2cos(nt)cos(nx/vc)（10）D1D2式中：、为常数，由初始条件获得。ur(0,0)=uri,vr(0,0)=vri将第 i 次碰撞后钻杆的位移和速度作为自由振动的初始条件，即，代入式（10）可得ur(x,t)=|vri|nsin(nt)+|uri|cos(nt)cos(nvcx)（11）则由自由质量块冲击引起的考虑阻尼的钻杆的动力响应25-26可表示为ur(t)=entvri+urindsin(dt)+uricos(dt)（12）d式中：为系统阻尼比；为带阻尼的系统固有频率。则碰撞过程中钻杆的动能 T 为T=A2l0(urt)2dx=A2l02(1x/l)2dx=mreff22（13）mreff式中：A 为钻杆横截面积；l 为钻杆长度；为钻杆广义动态轴向变形；为钻杆有效质量。相应的钻杆应变能 V 为V=AE2l0(urx)2dx=EA22l（14）则碰撞过程的拉格朗日方程为ddt(T)T+V=Fci（15）Fci式中：为第 i 次碰撞时产生的接触力。将式（13）和式（14）代入式（15）整理可得Fci=mreff+EAl（16）结合自由质量块的运动，整理分析可得+2eff=mmg(mm+mreff)（17）eff=EA/(mm+mreff)l式中：为有效运动角频率。引入边界条件，则式（17）的通解为=mmg(mm+mreff)2eff1cos(efft)+mmvm0(mm+mreff)effsin(efft)（18）vm0式中：为所选取碰撞过程初始时刻自由质量块对应的速度。tmax对式（18）求导并赋值为 0 可得到最大碰撞接触力所对应的时间为tmax=|arctan(vm0eff/g)|eff（19）将碰撞过程看作是弹性碰撞，则整个碰撞过程第7期张兴旺，等：超声波钻探器结构参数对输出特性的影响分析1737tmax的接触时间相应为 2。3实验测量系统及结果分析通过分析可知，钻杆输出频率等参数与冲击次数、系统阻尼、固有频率、碰撞速度和位移等参数有关。为进一步研究冲击钻探器结构参数对频率等的影响，本文设计了高速摄像实验系统，以测量钻杆输出参数。3.1实验测量系统自由质量块及恢复弹簧的引入降低了钻杆最终的输出频率，增加了钻