一种单压电陶瓷叠堆单向驱动的回转冲击式超声波钻探器
阅读说明：本技术 一种单压电陶瓷叠堆单向驱动的回转冲击式超声波钻探器 (Single piezoelectric ceramic stack unidirectional driving rotary impact type ultrasonic drilling rig ) 是由 柏德恩 全齐全 邓宗全 唐德威 沈刚 朱真才 汤裕 李翔 王威 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：一种单压电陶瓷叠堆单向驱动的回转冲击式超声波钻探器,属于采样钻具技术领域。本发明解决了现有的回转冲击式超声波钻探器,由于其压电换能器的结构限制,导致压电陶瓷叠堆的体积变小,影响钻探器的驱动功率；以及钻探器整体长度较长,重量较大的问题。纵扭转换变幅杆包括变幅杆主体及一体套装在变幅杆主体上的纵扭耦合振子,变幅杆主体上远离后盖板的一端部及纵扭耦合振子均穿装在壳体内,且纵扭耦合振子与壳体一端部固接,转子位于壳体内且转动套装在变幅杆主体上,转子的一端顶设在纵扭耦合振子的端部,钻具与转子首尾固接,变幅杆主体的一端与转子的一端部之间设置有自由质量块。(A rotary impact type ultrasonic drilling rig driven by a single piezoelectric ceramic stack in a single direction belongs to the technical field of sampling drilling tools. The invention solves the problem that the volume of a piezoelectric ceramic stack is reduced and the driving power of the drilling device is influenced because of the structural limitation of a piezoelectric transducer of the conventional rotary impact type ultrasonic drilling device; and the problems of long overall length and heavy weight of the drilling rig. The longitudinal-torsional conversion amplitude transformer comprises an amplitude transformer main body and a longitudinal-torsional coupling vibrator integrally sleeved on the amplitude transformer main body, wherein one end part of the amplitude transformer main body, which is far away from the rear cover plate, and the longitudinal-torsional coupling vibrator are arranged in the shell in a penetrating manner, the longitudinal-torsional coupling vibrator is fixedly connected with one end part of the shell, the rotor is positioned in the shell and rotatably sleeved on the amplitude transformer main body, one end of the rotor is arranged at the end part of the longitudinal-torsional coupling vibrator in a propping manner, the drilling tool is fixedly connected with the head and the tail of the rotor, and a free mass block is.)
技术领域
本发明涉及一种单压电陶瓷叠堆单向驱动的回转冲击式超声波钻探器，属于采样钻具技术领域。
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。
现有技术中的回转冲击式超声波钻探器，由于其压电换能器的结构限制，其上采样钻具的结构必须通过穿装在压电换能器上的传动轴来实现，而这种结构会导致压电陶瓷叠堆的体积变小，影响钻探器的驱动功率；另外，由于其压电换能器的结构限制，使得其钻探器整体长度较长，重量较大。
发明内容
本发明是为了解决现有的回转冲击式超声波钻探器存在的上述技术问题，进而提供了一种单压电陶瓷叠堆单向驱动的回转冲击式超声波钻探器。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种单压电陶瓷叠堆单向驱动的回转冲击式超声波钻探器，它包括壳体、钻具、转子及纵扭转换型压电换能器，其中所述纵扭转换型压电换能器包括纵扭转换变幅杆、压电陶瓷叠堆及后盖板，所述纵扭转换变幅杆包括变幅杆主体及一体套装在变幅杆主体上的纵扭耦合振子，所述压电陶瓷叠堆套装在变幅杆主体上且夹设在后盖板与纵扭耦合振子之间，变幅杆主体上远离后盖板的一端部及纵扭耦合振子均穿装在壳体内，且纵扭耦合振子与壳体一端部固接，所述转子位于壳体内且转动套装在变幅杆主体上，转子的一端顶设在纵扭耦合振子的端部，钻具与转子首尾固接，位于壳体内的转子上套设有加载弹簧，位于壳体内的钻具上套设有回复弹簧，变幅杆主体的一端与转子的一端部之间设置有自由质量块。
进一步地，所述壳体包括前端盖及后端盖，所述纵扭耦合振子穿设在后端盖内且纵扭耦合振子与后端盖的一端部固接；变幅杆主体上远离后盖板的一端部及钻具的一端部穿设在前端盖内，且前端盖与后端盖之间首尾固接。
进一步地，前端盖的一端部转动穿装有轴杆导向套，加载弹簧的一端及回复弹簧的一端均与轴杆导向套的端部接触。
进一步地，转子的一端部加工有通孔，钻具的一端部穿装在所述通孔内且钻具与通孔之间为过盈配合。
进一步地，所述纵扭耦合振子包括一体套装在变幅杆主体上的圆柱形振子主体、均匀固装在振子主体一端的四个固定脚以及均布在振子主体另一端的四个驱动齿，振子主体的另一端沿其周向均布有四个支腿，四个驱动齿与四个支腿之间对应通过四个横梁固接，且每个驱动齿与其连接的支腿均为错位布置。
进一步地，压电陶瓷叠堆与变幅杆主体之间设置有绝缘套。
进一步地，所述压电陶瓷叠堆包括若干压电陶瓷片及若干电极片，且压电陶瓷片与电极片沿轴向交错布置。
进一步地，后盖板同轴套装在变幅杆主体上且通过锁紧螺母锁紧。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本申请所述的钻探器与现有技术相比，钻探器内部不需要布置传动轴，进而取消换能器内部的通孔结构，压电陶瓷叠堆的内孔可进一步缩小，在同等外径、同等长度下，压电陶瓷叠堆的体积更大，可为钻探器提供更高的驱动功率。
利用压电陶瓷叠堆前端的振动能量同时实现钻具的回转与冲击运动，可较大缩短超声波钻探器的长度，减轻钻探器的整体重量。
附图说明
图1为本申请的主视示意图；
图2为纵扭转换型压电换能器的爆炸结构示意图；
图3为纵扭转换变幅杆的立体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～3说明本实施方式，一种单压电陶瓷叠堆单向驱动的回转冲击式超声波钻探器，它包括壳体1、钻具2、转子3及纵扭转换型压电换能器4，其中所述纵扭转换型压电换能器4包括纵扭转换变幅杆4-1、压电陶瓷叠堆4-2及后盖板4-3，所述纵扭转换变幅杆4-1包括变幅杆主体4-11及一体套装在变幅杆主体4-11上的纵扭耦合振子4-12，所述压电陶瓷叠堆4-2套装在变幅杆主体4-11上且夹设在后盖板4-3与纵扭耦合振子4-12之间，变幅杆主体4-11上远离后盖板4-3的一端部及纵扭耦合振子4-12均穿装在壳体1内，且纵扭耦合振子4-12与壳体1一端部固接，所述转子3位于壳体1内且转动套装在变幅杆主体4-11上，转子3的一端顶设在纵扭耦合振子4-12的端部，钻具2与转子3首尾固接，位于壳体1内的转子3上套设有加载弹簧5，位于壳体1内的钻具2上套设有回复弹簧6，变幅杆主体4-11的一端与转子3的一端部之间设置有自由质量块7。
所述压电换能器4为双路输出纵扭转换型压电换能器4。纵扭耦合振子4-12与变幅杆主体4-11同轴固接。自由质量块7与变幅杆主体4-11及转子3之间均为非固定连接，在进行冲击运动时，自由质量块7的两端分别与变幅杆主体4-11及转子3相接触，实现力的传递。
加载弹簧5为转子3提供加载力；
回复弹簧6为钻具2提供回复力；
在纵扭转换型压电换能器4施加的交流电压的频率等于换能器的一阶纵振频率时，换能器工作在谐振状态下，在变幅杆主体4-11的上远离后盖板4-3的一端产生高频的简谐振动，在纵扭耦合振子4-12的端部形成椭圆运动。在加载弹簧5提供的加载力及纵扭耦合振子4-12的端部形成的椭圆运动的共同作用下，在转子3与纵扭耦合振子4-12端部的接触面产生摩擦力矩，摩擦力矩驱动转子3作回转运动，进而驱动钻具2作回转运动。
变幅杆主体4-11端部与自由质量块7发生冲击碰撞，使自由质量块7沿轴向作冲击运动；自由质量块7与钻具2发生冲击碰撞，使钻具2冲击破碎岩石。
与现有技术相比，本申请的钻探器内部不需要布置传动轴，进而取消换能器内部的通孔结构，压电陶瓷叠堆4-2的内孔可进一步缩小，在同等外径、同等长度下，压电陶瓷叠堆4-2的体积更大，可为钻探器提供更高的驱动功率。
利用压电陶瓷叠堆4-2前端的振动能量同时实现钻具2的回转与冲击运动，可较大缩短超声波钻探器的长度，减轻钻探器的整体重量。
所述壳体1包括前端盖1-1及后端盖1-2，所述纵扭耦合振子4-12穿设在后端盖1-2内且纵扭耦合振子4-12与后端盖1-2的一端部固接；变幅杆主体4-11上远离后盖板4-3的一端部及钻具2的一端部穿设在前端盖1-1内，且前端盖1-1与后端盖1-2之间首尾固接。前端盖1-1与后端盖1-2之间以及纵扭耦合振子4-12与后端盖1-2之间均通过螺栓固接。便于钻探器整体的拆装。
前端盖1-1的一端部转动穿装有轴杆导向套8，加载弹簧5的一端及回复弹簧6的一端均与轴杆导向套8的端部接触。轴杆导向套8与前端盖1-1之间设置有回转支撑轴承9。钻具2与轴杆导向套8之间也设置有轴承。所述轴杆导向套8包括导向套主体8-1及一体套装在导向套主体8-1上的支撑座8-2。钻具2的一端部加工有限位台肩，回复弹簧6的另一端顶设在限位台肩的一端面。如此设计，增大了加载弹簧5及回复弹簧6与轴杆导向套8之间的接触面积。
转子3的一端部加工有通孔，钻具2的一端部穿装在所述通孔内且钻具2与通孔之间为过盈配合。通孔优选为矩形、腰形等异形孔，也可以为其它任何限制钻具2周向转动的非圆形孔。
所述纵扭耦合振子4-12包括一体套装在变幅杆主体4-11上的圆柱形振子主体4-121、均匀固装在振子主体4-121一端的四个固定脚4-122以及均布在振子主体4-121另一端的四个驱动齿4-123，振子主体4-121的另一端沿其周向均布有四个支腿4-124，四个驱动齿4-123与四个支腿4-124之间对应通过四个横梁4-125固接，且每个驱动齿4-123与其连接的支腿4-124均为错位布置。压电陶瓷叠堆4-2的两端同时产生高频的轴向振动，纵扭耦合振子4-12将压电陶瓷叠堆4-2的端部振动放大并在驱动齿4-123处产生椭圆形的运动轨迹。
压电陶瓷叠堆4-2与变幅杆主体4-11之间设置有绝缘套10。通过设置绝缘套10起到绝缘防护的作用。
所述压电陶瓷叠堆4-2包括若干压电陶瓷片4-21及若干电极片4-22，且压电陶瓷片4-21与电极片4-22沿轴向交错布置。
后盖板4-3同轴套装在变幅杆主体4-11上且通过锁紧螺母11锁紧。
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