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          探礦工程在線 > 正文

          超聲波/聲波鉆頭/取心器裝置

          發布時間:2013年05月17日
          來源:《探礦工程(巖土鉆掘工程)》,2010年第11期

           

          超聲波/聲波鉆頭/取心器裝置

           

          韓博1,2,蔣國盛1,3,陸洪智1,3,范勇1,2

          (1.中國地質大學巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心,湖北 武漢 430074; 2.中國地質大學研究生院,湖北 武漢 430074; 3.中國地質大學工程學院,湖北 武漢 430074)

           

          摘要:目前,對宇宙中生命跡象的探索是世界各國所關注的最重要的目標之一。美國宇航局研制了由超聲波或者聲波驅動器驅動的一系列超聲波/聲波鉆頭/取心器(USDC),用來進行空間探測并提取巖石、冰與土壤樣品,以及進行原位分析。此設備在聲波頻率下,超聲波壓電驅動器驅動中間的自由質量塊進而沖擊鉆頭來進行采樣。目前所制造的超聲波鉆頭/取心器(USDC)裝置能夠取出巖心和巖屑,在未來的行星探測中,有著非常重要的優點。主要介紹USDC的優點,各裝置的結構及其性能特點,以供我國月球探測工程及未來深空探測參考借鑒。

          關鍵詞: 超聲波/聲波;鉆頭;取心器;壓電驅動器;自由塊;行星探測

           

          1  概述

          近年來,美國宇航局(NASA)的探測任務逐漸涉及到太陽系內各個行星的原位取樣和分析。因此,科學家們一直在研發可以進行取樣和原位天文生物分析的有效工具。而目前的鉆探技術受到高軸力和保持扭矩的需求、不能有效循環工作的大功率消耗的限制,并且這些技術需要沉重的設備。為了解決這些問題,JPL高級技術組和來自Cybersonics公司的工程師們聯合研發了超聲波/聲波鉆頭/取心器(USDC[1][2],如圖1所示。

          1  USDC在最小軸向力下的取心攝影圖(左)和它的橫截面示意圖(右)

          USDC裝置需要的軸向力很低,因此它克服了在低重力環境中使用傳統鉆頭進行行星取樣的主要限制——高軸向力。這種能力可以表現為下面的優勢:使用相對較小的力和相對較輕的金屬工具,就能夠在硬巖、冰和密實土壤中進行艱難的鉆進和取心任務。

          USDC具有以下功能:(1)鉆探冰和各種巖石,包括花崗巖、閃長巖、玄武巖和石灰巖;(2)鉆頭不需要削尖;(3)在低溫和高溫下可以運行;(4)在平均功率較低的情況下循環工作。

          目前,正在進行研究的性能包括:探測地面以選擇取樣點,采集各種形式的樣品(包括巖心和鉆屑),在低功率下采集硬玄武巖的長巖心,為測量各種性能研究傳感器。對USDC基本構造進行的一系列的改進,導致了超聲波/聲波巖石磨損工具(URAT)、深冰鉆探的超聲波/聲波取心器等等工具的發展。

          我們研究這樣的取心器,以供我國月球探測工程及未來深空探測參考借鑒。

           

          2  USDC的組成

          該裝置主要由超聲波驅動器、自由質量和鉆頭3 部分組成(見圖1[2]。其中,超聲波驅動器是一個蘭杰文振子,包括頭部(前端) 、尾部、壓電片和電極片等零部件,通過一根螺栓緊固而成;自由質量作為能量積蓄/ 轉換部件;壓電陶瓷片為PZT-8的縱振片。該裝置在電極片上施加超聲波頻率的高頻交流激勵電壓,利用壓電材料的逆壓電效應,驅使超聲波驅動器產生超聲頻率的共振(主要指縱振),并通過其頭部(前端) 將振幅放大;自由質量塊依靠驅動器的激勵和振動耦合作用,在頭部和鉆桿之間產生聲波頻率的往復碰撞;自由質量塊的碰撞與沖擊,傳遞到鉆頭與巖石接觸界面,致使被鉆介質破碎,達到鉆取樣品的目的[3]。

           

          3  各種構造的USDC

          3.1  超聲波/聲波取樣器

          使用USDC裝置,要研發一個取樣器,它與6.4cm的鉆頭一樣大,直徑比驅動器大。設備示意圖如圖2所示,當在鉆頭內部形成巖心時,從鉆孔中移走巖心,不斷反復進行這個過程,直到鉆探到理想的深度(見圖2)。

          2  鉆孔內超聲波取樣器的示意圖

          3.2  密實土層穿透器

          最近,有人提出通過低軸向荷載,使用直徑在1/8–3/16"的探針,穿透大約1m厚的密實土。但是使用推桿需要幾百磅的力,這很容易使探針彎曲。目前研發了一種新型的超聲波沖擊穿透器(USIP),并且已經證實它能極大地減小所需的推力。在證實USIP性能過程中[4],顯示穿透大約1m厚的高密實土所需的推動力,從200磅被減小到7磅。所研發的USIP如圖3所示。進行的工作包括模態和沖擊分析,模態分析確定在所需的共振頻率范圍內變幅桿和襯墊的直徑。此分析結果也被用來調整超聲波變幅桿的直徑,使中性面與安裝面吻合,避免在驅動器支撐結構上傳感器振動的影響。而確定自由質量塊和變幅桿之間相互作用的沖擊分析,被用于獲取自由質量塊的最佳質量。

          3  USIP示意圖

          3.3  超聲波/聲錨

          為了錨固腿式和輪式漫游車、充氣式結構和著陸器,USDC可以在低軸向荷載下運行。在外星球低重力環境下和地形崎嶇的陡峭高山上,為鉆探平臺必須提供這種輕質量和相對低功率的設備。用改進的、鉆探法線與表面成一定角度的USDC裝置進行設計并制造U/S[5][6]。相反,進行USDC的錘擊活動可以使它從被錨固在的介質上取出來,避免了可能的人為干擾。

           

          4  USDC的各種新型變幅桿

          變幅桿是USDC驅動器的重要組成部分,放大產生的振幅。一般來說,變幅桿被做成階梯狀。

          4.1  “狗骨”狀變幅桿

              為了提高鉆探的性能,設計了“狗骨”狀變幅桿。分析并驗證各種變幅桿設計,與常規的實變幅桿相比較,結果表明,“狗骨”狀設計具有更優越的性能。為了演示狗骨式變幅桿的性能,采用有限元模型來確定控制參數,并且顯示了頂端位移和速度的勵磁。圖4給出了狗骨狀變幅桿的U/S取樣器的示意圖(圖的底部)[7][8]。

          4  新型狗骨式變幅桿USG示意圖

          4.2  折疊式變幅桿

          當在USDC驅動器中有體積限制和變幅桿尺寸減小對作為取樣器的單元一體化至關重要時,要考慮USDC驅動器中變幅桿的長度。研發的緊壓狀變幅桿[11]如圖5所示,它是能放大高功率驅動裝置的振動的空心構造。該折疊式變幅桿可以設置為軸對稱平面形狀,以供制造選擇。在褶皺下使用反射器要考慮到反射應變波的相位控制和增大驅動振幅的構造彎曲振動的引入。

          5  折疊式變幅桿橫截面的示意圖

           

          5  USDC的各種鉆頭

          5.1  超聲波/聲波巖石磨損工具

          在鉆探過程中,要進行巖石表面磨蝕,以移除巖石表面的風化層并且露出巖石的原狀部位。常規的旋轉器需要較高的軸向力并且它們與污染源有關,比如來自它們馬達變速箱的潤滑劑和地面挫屑。使用USDC具有非常重要的優點,即它需要的軸向力很低、平均功率很小、零部件很少而且能夠移除鉆屑。為了滿足磨蝕工具的需要,研發了超聲波巖石磨損工具(URAT)。因此,磨損鉆頭設計為類似肉類嫩化機的錘擊面。鉆齒加工在磨損鉆頭部分的圓盤底部。這些鉆齒增大了鉆探壓力并且提高了URAT[13]的性能。URAT的組成結構橫截面示意圖如圖6所示。磨損工具由一個直徑為1.6in40mm)的圓盤組成,其附著在連接變幅桿的長桿上。自由質量塊放置在變幅桿與鉆頭內部孔底之間的長桿里面。圓盤底部鉆齒被加工成凸出圓盤的針狀。

          6  超聲波巖石磨損工具(URAT)示意圖

          5.2  活鉆頭

          USDC最有前景的優勢之一是它具有簡單的界面和鉆頭本身形狀簡單。因為利用USDC完成大量可行的預想任務是不切實際的,所以有必要使用多個鉆頭[11][12]。這些任務可由利用多鉆頭進行鉆進、取心、表面處理和取樣的單驅動器來完成,驅動器中的鉆頭可以根據實際需要進行更換。但是,鉆頭不需要削尖,如果鉆頭的哪個部分由于某種原因受損,可以僅僅進行更換鉆頭。

          5.3 全能鉆頭

          使用多個鉆頭需要一個操縱系統控制,根據需要來更換鉆頭。但是,如果操縱系統不可用時,最理想的做法是盡可能使用一個鉆頭來完成多種功能。因此,研發了全能鉆頭。如圖7所示,鉆頭由其內表面頂端的一個楔形管、尖端附近的一系列彈簧和插到鉆頭中心孔的推桿組成。一旦巖心占滿整個鉆頭,楔形管就會在巖心頂部產生橫向力,從而會產生接近剪切破壞的最大應力。側面的彈簧保證使產生的巖心從鉆孔移走,有必要時可用鉆頭頂部的推桿提取巖心。

          7  取心提取鉆頭示意圖

          5.4  粉屑取樣器

          先前研發的鉆屑取樣器已經具有USDC所具有的重要優點,即需要的軸向力低、平均功率低、少量零部件以及能夠直接從巖石中產生粉狀樣品[10]。但是,以前的設計要利用插入到設備的粉碎部分的巖石碎片[14]或者利用壓縮氣來傳輸樣品巖石的粉屑[16]。而在改進的設計中,利用了設陷孔,捕獲向上移動的并進入鉆頭中空部分的粉屑,并且保存起來直到需要被移除為止。

          對平面折疊式變幅桿構造,利用模態分析,研發出如圖8所示的重265g的緊湊型取樣器[115][16]??紤]到產生的鉆屑侵入鉆頭的空心部分,在鉆頭底部設孔。這樣一旦粉屑進入陷阱,逃出的機會就會減小。

          8  鉆頭的各種方位圖

           

          6  應用

          為了驗證取樣器的性能,在Mt.Hood進行冰川冰鉆探。在設計中吸取經驗,并在南極洲對改進的取樣器進行測試。該單元成功鉆達1.76m深,因為這比帶有支撐元件的取樣器長度更長,所以這是一個重要的里程碑。圖9為在低溫條件下測試USDC裝置的溫度-時間曲線圖。在今后的研究中,當自動鉆進時,將努力實現100m深[16]。

          圖9  在低溫下測試USDC裝備(在JPL的地外材料模擬實驗室的指導下)

           

          7  結論與建議

          (1) 為了將來進行地外行星探測與原位分析,我們對超聲波/聲波鉆頭/取心器(USDC)進行研究。為了能夠有效地進行設計、改進并優化USDC性能,還需進一步開發分析模型以預測其功能。

          (2) 還需研發并展示各種設計性能,包括超聲波鉆頭、土層貫入器、變幅桿各種構造和多功能鉆頭等。建立超聲波換能器與自由質量塊,自由質量塊與鉆桿(鉆頭),鉆頭與被鉆介質之間相互作用的數學模型,用以分析能量的耦合,轉換和傳遞的過程,從而進一步揭示鉆探采樣器的工作機理。

          (3) 超聲波取樣器在取心、加載、巖心貯存與卸載的周期模式下運行。利用高速攝像機拍攝自由質量塊的運動狀況,研制超聲波/聲波鉆探器的微型驅動電源。以后將繼續研究USDC的潛在目標,為將來行星取樣作進一步的探索。

           

          參考文獻:

          [1]  Bar-Cohen Y., S. Sherrit, B. Dolgin, T. Peterson, D. Pal and J. Kroh, “Smart-ultrasonic/sonic driller/corer,” U.S. Patent No. 6,863,136, March 8, 2005. NASA New Technology Report (NTR), Docket No. 20856 (August 30, 1999).

          [2]  Bao X., Y. Bar-Cohen, Z. Chang, B. P. Dolgin, S. Sherrit, D. S. Pal, S. Du, and T. Peterson, "Modeling and Computer Simulation of Ultrasonic/Sonic Driller/Corer (USDC), "IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control (UFFC), Vol. 50, No. 9, (Sept. 2003), pp. 1147-1160.

          [3]  郭俊杰,黃衛清,李志榮.一種新型的超聲波/聲波鉆探器[J].壓電與光電.2008.30(5):579-581.

          Guo Junjie, Huang Weiqing, Zhang Zhirong. A new ultrasonic / sonic drilling device [J]. Piezoelectric and optical .2008.30 (5), 579-581.

          [4]  Bao X., Y. Bar-Cohen, Z. Chang, S. Sherrit and R. Stark, “Ultrasonic/Sonic Impacting Penetrator (USIP),” NTR Docket No. 41666 (December 22, 2004).

          [5]  Bar-Cohen Y. , and S. Sherrit, “ Self - Mountable and Extractable Ultrasonic / Sonic Anchor ( U/S-Anchor) , ” NTR Docket No. 40827 ( December  9 ,  2003c ).

          [6]  Bar-Cohen Y., and S. Sherrit, “Thermo couple –on –the-bit a real time sensor of the hardness of drilled objects,” NTR Docket No. 40132 (February 1, 2003a).

          [7]  Bar-Cohen Y., J. Randolph, C. Ritz, G. Cook and X. Bao, and S. Sherrit, “Sample Preparation, Acquisition, Handling and Delivery (SPAHD) System using the Ultrasonic/Sonic Driller/Corer (USDC) with Interchangeable Bits,” NTR Docket No. 30640 (May 1, 2002).

          [8]  Bar-Cohen Y., S. Sherrit and J. L. Herz “Ultrasonic/Sonic Jackhammer (USJ),” NTR Docket No. 40771 (Oct. 31, 2003b).

          [9]  Bar-Cohen Y., S. Sherrit, B. Dolgin, S. Askin, T. M. Peterson, W. Bell, J. Kroh, D. Pal, R. Krahe, and S. Du, “Ultrasonic/Sonic Mechanism of Deep Drilling (USMOD),” NTR, Docket No. 30291, (July 17, 2001).

          [10]  Bar-Cohen Y., S. Sherrit, B. Dolgin, X. Bao and S. Askin, “Ultrasonic/Sonic Mechanism of Deep Drilling (USMOD),” U.S. Patent No. 6,968,910, (November 29, 2005).

          [11]  Sherrit S., S. A. Askins, M. Gradziel, B. P.Dolgin,  Y. Bar-Cohen, X. Bao, and Z. Cheng, “Novel Ultrasonic Horns for power ultrasonics, ” NTR, submitted on (December 6, 2001), Docket No. 30489. NASA Tech Briefs, Vol. 27, No.4, 2003, pp. 54-55.

          [12]  Dolgin B., S. Sherrit, Y. Bar-Cohen, S. Askins, D. Sigel, X. Bao, and Z. Chang, “Ultrasonic/ Sonic Vibrating/Rotating Tool” NTR Docket No. 30370 (Sept. 5, 2001a).

          [13]  Dolgin B., S. Sherrit, Y. Bar-Cohen, R. Rainen, S. Askins and D. Sigel, D. Bickler, J. Carson, S. Dawson, X. Bao, and Z. Chang, and T. Peterson, “Ultrasonic Rock Abrasion Tool (URAT),” NTR Docket No. 30403 (Oct. 12, 2001b).

          [14]  Sherrit S., Y. Bar-Cohen, B. Dolgin, X. Bao, and Z. Chang, “Ultrasonic Crusher for Crushing, Milling, and Powdering,” NTR Docket No. 30682 (June 21, 2002).

          [15]  毛志新,劉寶林等.一種便攜式重力取樣器的研制[J].地質科技情報.2006.25(6): 105-106

          MAO Zhixin, Liu Baolin, etc.. A portable gravity sampler Development [J]. Geological Science and Technology Information .2006.25 (6): 105-106.

          [16]  Sherrit S., Y. Bar-Cohen, X. Bao, Z. Chang, D. Blake and C. Bryson, “Ultrasonic/Sonic Rock Powdering Sampler and Delivery Tool,” NTR Docket No. 40564 (August 13, 2003).


          作者簡介:韓博(1984-),男(漢族),陜西西安人,中國地質大學(武漢)在讀研究生,地質工程專業,現從事天然氣勘探、鉆機開發研究,湖北省武漢市魯磨路中國地質大學(武漢)研究生院08-10信箱,hanbo1984@126.com。

          [責任編輯:dww]

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