一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台制造技术

本发明专利技术公开了一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台，包括试验台底座，试验台底座上设置有丝杆螺母座、左丝杆支座、右丝杆支座和岩样夹具；丝杆螺母座通过燕尾导轨与试验台底座滑动连接，丝杆螺母座上固定连接有可调整夹持架，可调整夹持架内部夹持有水平设置的超声波钻机；岩样夹具上固定有超真空岩样夹持室。本发明专利技术通过压力传感器返回计算机的压力值，控制驱动系统移动速度，达到恒钻压给进；并通过在真空环境下钻进试验，模拟超声波钻机外太空钻取心(样)过程，进而研究同种月壤条件，在给定钻压、钻时下不同表面减阻防磨处理方法对钻具进尺速度的影响。

An ultrasonic micro drilling test rig for simulating lunar drilling

The invention discloses a supersonic wave simulation of lunar drilling for drilling test bench, including test base, test base is provided with a screw nut seat, left and right screw bearing screw bearing and specimen fixture; screw nut seat through the dovetail guide and the base of the test bed is connected with the sliding screw nut. Seat is fixedly connected with the adjustable holder, adjustable holder clamp internal Ultrasonic Driller holding level set; super vacuum clamping fixture sample chamber is fixed on the rock. The present invention returned to the computer through the pressure sensor pressure value, driving speed control system, to achieve constant drilling pressure feeding; and through the drilling test in vacuum environment, simulation of ultrasonic drilling coring drilling in outer space (like) process, and then study the same lunar soil conditions in a given drilling pressure, drilling effect among different surface drag wear processing method of drilling footage speed.

【技术实现步骤摘要】
一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台
本专利技术属于外太空钻探
，具体涉及一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台。
技术介绍
当代太阳系的探测以月球、火星为主线，作为距离地球最近的天体，月球自古以来一直是人类太空探测的第一目标。月球富含着人类所急需的矿藏，特别是月壤中蕴藏着丰富的氦-3，作为清洁能源对于未来资源匮乏的地球来说，是至关重要的；且通过对月球环境、月表矿物及地质构造等方面的研究，可以提供地球、月球乃至整个宇宙起源的线索，这对人类探索宇宙具有重要的战略意义；同时，人类可以把月球作为人类探索深空的中继站，也是中国人近期可探测的太空目标；此外，探月计划的实施必将带动一系列新技术的专利技术和革新，促进社会的进步。目前，探月工程已被列入《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006-2020)》，我国的探月计划分为“绕”、“落”、“回”三步。2007年发射卫星“嫦娥一号”以及2010年发射的“嫦娥二号”和2013年发射的“嫦娥三号”，已经圆满完成探月计划的“绕”和“落”两部分。目前已进入探月工程三期阶段。探月工程三期的主要任务是对月球表面的巡视勘察和采样返回。由于月球地形环境复杂，并且微重力、高真空、高温高寒、高辐射等一系列特点，势必意味着其采样工艺、钻机及钻具不同于地球环境所用。因此，研究一套适合于月球环境工况的钻探工艺是十分必要的。质量和动力约束是月壤钻探取心(样)机具设计的核心，超声波钻机具有结构紧凑、功耗低、适应温度范围广、无润滑和密封等优点，作为应用于月球探测开发的新型钻机，具有其独特的性能和潜力。通过设计超声波微钻试验台，选定典型部件、典型工况进行实验室模拟评价，是探月工程三期月壤钻探取心(样)机具的基础科学问题。在真空环境下，由于钻具与月壤接触表界面没有气体、水分子、表面吸附等化学或物理悬键的隔离作用，界面间会产生强烈的黏着作用，造成高摩阻和严重磨损；同时，应用于月球钻探超声波微型钻机参数模型复杂，钻头压力、振动频率等参数对钻探效率、取心(样)性能的影响仍处于起步阶段，国内外有关人士对此也在摸索研究之中。为此，以月球钻探采样技术为背景，在模拟月球真空环境下，研究并优化超声波钻机的机构性能与钻进参数，使钻探效率最大化，意义深远。
技术实现思路
为了克服研究月球钻探取心(样)器具物理试验条件的不足,本专利技术提供一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台，本专利技术通过压力传感器返回计算机的压力值，控制驱动系统移动速度，达到恒钻压给进，进而研究给定钻压、钻时下不同表面处理钻具对进尺速度的影响；通过电流/电压传感器，可采集电压波形，研究钻探效率最大化的前提下功率与自由质量单元的关系；通过在真空环境下钻进试验，模拟超声波钻机外太空钻进过程，为优化设计更适合外太空钻探取心(样)的设备提供技术支持。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台，包括试验台底座，试验台底座左部分设置有丝杆进尺机构，试验台底座右部分设置有与试验台底座垂直固定连接的右丝杆支座和岩样夹具；丝杆进尺机构包括设置在试验台底座左部分的丝杆螺母座和左丝杆支座，丝杆螺母座与试验台底座滑动连接，丝杆螺母座上固定连接有可调整夹持架，可调整夹持架内部夹持有水平设置的超声波钻机，由于试验研究在实验室环境开展，且超声波钻机钻探性能对钻压力参数敏感，将超声波钻机水平放置，避免地表重力对钻压力影响；超声波钻机通过可调整夹持架夹持，在具体实验过程中，方便实时根据实际情况对超声波钻机进行调整、拆卸和安装，以达到实验要求；左丝杆支座上支撑有丝杆，丝杆左端连接有减速器，减速器的输入轴连接电机，电机上设置有电机编码器；丝杆螺纹部分与丝杆螺母座配合连接，丝杆右端连接齿轮轴，齿轮轴右端连接右丝杆支座；通过岩样夹具固定超真空岩样夹持室；超声波钻机右端插入超真空岩样夹持室内部对岩样进行微钻，超真空岩样夹持室的设计可在模拟月球真空环境下，研究超声波钻机对岩样的钻进过程，从而优化设计更适合外太空钻探取心(样)的设备。优选的，所述的丝杆螺母座底端通过燕尾导轨连接试验台底座，燕尾导轨与丝杆相互平行，燕尾槽是硬轨，可以承受大悬伸，重切削，长期使用精度稳定。绳驱式进尺单元受振动冲击影响显著，恒定钻压力控制困难，重力驱动钻探进尺与实际工况区别较大，不便于工程移植，故提出该丝杆进尺机构设计方案。该方案通过电机带动丝杆从而带动丝杆螺母座及与其固定的结构前后运动，其中动力部件(如电机、减速电机等)对钻压力控制准确、结构紧凑、受振动冲击影响较小，其动力部件控制方案(如恒力进尺、恒速进尺)，对真实环境钻探具有指导意义。该进尺机构相对于齿轮齿条驱动，通过减速器和丝杆机构二级减速后驱动钻机沿钻进方向作直线运动，进尺精度更高。由于丝杆机构在其丝杆螺母座与丝杆之间以滚珠滚动方式实现滚动摩擦，传动效率高、驱动扭矩降低，减小了对电机的载荷要求。齿轮齿条传动中，由于齿轮啮合运动副中齿侧间隙的存在，会产生齿间冲击，影响齿轮传动的平稳性与传动精度；相比较，丝杆机构不存在这一问题，能实现正确而平稳的微量进给，从而通过试验能得到更精确的试验数据。恒压钻进过程中，对于齿轮齿条机构速度波动，容易产生冲击，影响齿轮传动寿命；对于丝杆机构，丝杆螺母座与丝杆之间是滚动摩擦，可实现较高的疲劳寿命和精度寿命。优选的，所述的可调整夹持架为由“L”形的支撑架、下调节螺杆、上调节螺杆和调节支撑板组成的长方体框架结构；支撑架固定连接于丝杆螺母座上，支撑架右端通过螺母组件连接水平的下调节螺杆，支撑架左端顶部通过螺母组件连接水平的上调节螺杆；下调节螺杆和上调节螺杆右端通过调节支撑板连接。通过调整两个螺母组件，实现上调节螺杆和下调节螺杆带动调节支撑板左右移动，从而实现实验人员根据实验设定条件调整可调整夹持架的松紧度，达到预定的实验目标。优选的，所述的超真空岩样夹持室包括壳体，壳体内部设置有真空室，壳体上表面设置有上压盖，壳体左端固定安装有密封压盖；真空室通过单向阀管道连接真空泵和真空计，通过真空泵抽取真空室达到真空状态，通过真空计测量真空室的真空度，真空室内部从左到右依次设置有塑料套筒、岩样、密封活塞和压力传感器，通过塑料套筒进一步限定岩样的位置，通过密封活塞能够进一步提高真空室的密封度；夹具支座顶端螺纹连接有夹具螺杆，夹具螺杆底端通过铰接套铰接上压盖。由于夹具螺杆和夹具支座通过螺纹相互配合，通过旋转夹具螺杆，实现夹具螺杆在夹具支座上下运动，从而通过上压盖实现对真空岩样夹持室的加压，避免在超声波钻机钻进的过程中真空岩样夹持室出现移动的情况发生；由于夹具螺杆与上压盖通过铰接套铰接，夹具螺杆不需要与上压盖保持垂直的关系即可实现加压作用。优选的，所述的超声波钻机从左到右依次设置有水平的中轴线在同一条直线上的螺栓、上电极、压电陶瓷、下电极、变幅杆、钻具接头、预紧定位机构和钻具，变幅杆右端套装于钻具接头内部，变幅杆与钻具接头之间设置有自由质量单元，钻具穿过密封压盖到达真空室内部；所述的螺栓依次穿过上电极、压电陶瓷和下电极后连接于变幅杆左端；所述的预紧定位机构包括连接螺杆，连接螺杆左端连接钻具接头，连接螺杆右部分通过导向法兰套接于调节支撑板上，连接螺杆右端连接钻具；钻具接头与调节支撑板之间的连接螺杆上套装有压缩的弹簧。通过调频电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台，包括试验台底座，其特征在于，试验台底座左部分设置有丝杆进尺机构，试验台底座右部分设置有与试验台底座垂直固定连接的右丝杆支座和岩样夹具；丝杆进尺机构包括设置在试验台底座左部分的丝杆螺母座和左丝杆支座，丝杆螺母座与试验台底座滑动连接，丝杆螺母座上固定连接有可调整夹持架，可调整夹持架内部夹持有水平设置的超声波钻机；左丝杆支座上支撑有丝杆，丝杆左端连接有减速器，减速器的输入轴连接电机，电机上设置有电机编码器；丝杆螺纹部分与丝杆螺母座配合连接，丝杆右端连接齿轮轴，齿轮轴右端连接右丝杆支座；岩样夹具上固定有超真空岩样夹持室，超真空岩样夹持室内部夹持有岩样；超声波钻机右端插入到超真空岩样夹持室内部对岩样进行微钻。

【技术特征摘要】
1.一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台，包括试验台底座，其特征在于，试验台底座左部分设置有丝杆进尺机构，试验台底座右部分设置有与试验台底座垂直固定连接的右丝杆支座和岩样夹具；丝杆进尺机构包括设置在试验台底座左部分的丝杆螺母座和左丝杆支座，丝杆螺母座与试验台底座滑动连接，丝杆螺母座上固定连接有可调整夹持架，可调整夹持架内部夹持有水平设置的超声波钻机；左丝杆支座上支撑有丝杆，丝杆左端连接有减速器，减速器的输入轴连接电机，电机上设置有电机编码器；丝杆螺纹部分与丝杆螺母座配合连接，丝杆右端连接齿轮轴，齿轮轴右端连接右丝杆支座；岩样夹具上固定有超真空岩样夹持室，超真空岩样夹持室内部夹持有岩样；超声波钻机右端插入到超真空岩样夹持室内部对岩样进行微钻。2.如权利要求1所述的一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台，其特征在于，所述的丝杆螺母座底端通过燕尾导轨连接试验台底座，燕尾导轨与丝杆相互平行。3.如权利要求2所述的一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台，其特征在于，所述的可调整夹持架为由“L”形的支撑架、下调节螺杆、上调节螺杆和调节支撑板组成的长方体框架结构；支撑架固定连接于丝杆螺母座上，支撑架右端通过螺母组件连接水平的下调节螺杆，支撑架左端顶部通过螺母组件连接水平的上调节螺杆；下调节螺杆和上调节螺杆右端通过调节支撑板连接。4.如权利要求3所述的一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台，其特征在于，所述的超真空岩样夹持室包括壳体，壳体内部设置有真空室，壳体上表面设置有上压盖，壳体左端固定安装有密封压盖；真空室通过单向阀管道连接真空泵和真空计，真空室内部从左到右依次设置有塑料套筒、岩样、密封活塞和压力传感器；夹具支座顶端螺纹连接有夹具螺杆，夹具螺杆底端通过铰接套铰接上压盖。5.如权利要求4所述的一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台，其特征在于，所述的超声波钻机从左到右依次设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁健，尹浩，岳文，李鑫淼，康嘉杰，孙建华，
申请(专利权)人：中国地质科学院勘探技术研究所，中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：河北,13