全齊全，李賀，鄧宗全，王鑫劍，姜生元

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用于星球表面巖石采樣的超聲波鉆進取心器

全齊全，李賀，鄧宗全，王鑫劍，姜生元

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱，150001)

基于超聲波縱振原理提出一種可搭載在漫游車或機械臂末端的巖石鉆進取心器。該裝置利用高頻縱向振動達到破碎巖石的目的，無需驅(qū)動鉆具作回轉(zhuǎn)運動。研究結(jié)果表明：所研制超聲波鉆進取心器具有較高的巖石鉆進效率且斷心取心可靠。

深空探測；采樣機構(gòu)；壓電驅(qū)動；巖石取心

由于地外天體的巖石內(nèi)部蘊含著大量原始的地質(zhì)和生物學(xué)信息，巖石樣本的采集和就位分析已成為外星體探測任務(wù)的一個重要環(huán)節(jié)。為獲取未經(jīng)風(fēng)化和侵蝕的巖石內(nèi)部樣本，通常采用回轉(zhuǎn)沖擊鉆進的方式鉆取具有一定直徑和長度的巖心?；剞D(zhuǎn)沖擊鉆進裝置一般安裝在著陸器的工作平臺或漫游車車載機械臂的末端。外星體表面巖石鉆進過程不僅需要較大的能耗，而且需提供一定的軸向鉆壓力[1]。未來的深空探測采樣任務(wù)中，多數(shù)探測目標(biāo)距離地球更加遙遠，探測器所能提供的有效載荷和能源有限。面對更苛刻的星體表面環(huán)境，回轉(zhuǎn)沖擊鉆進這種傳統(tǒng)的巖石樣本采集方式將面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?；剞D(zhuǎn)沖擊鉆進裝置的動力一般由電磁電機提供，而電磁電機在真空、高溫環(huán)境下工作將面臨著溫升的問題，需采用特種材料和工業(yè)提高電機的耐溫等級或采取溫控措施，以保證電機正常工作。在真空環(huán)境下鉆進裝置運動副的潤滑和密封變得更加困難，其傳動部件容易發(fā)生失效[2]。在引力場比較小的星體(如小行星和彗星)表面開展巖石鉆探采樣，鉆進裝置鉆進堅硬的巖石需要很大的軸向鉆壓力。過大的軸向力可能會導(dǎo)致著陸器或探測車發(fā)生傾覆。面向未來更加遙遠星體的深空采樣探測，受航天器載荷和能量限制，需對鉆探采樣裝置進行小型化、輕量化和低功耗設(shè)計。近年來，由于智能作動器通常具有高能量密度、低功耗和較強的環(huán)境耐受能力，滿足了空間探測技術(shù)的需求，引起了研究者的廣泛興趣[3]。作為一種新型的智能作動器，壓電作動器實現(xiàn)了動力轉(zhuǎn)換和運動傳遞的基本功能，已廣泛應(yīng)用于超聲電機、超聲清洗、超聲輔助加工等諸多領(lǐng)域[4?5]。壓電陶瓷材料具有寬廣的耐溫范圍(比如鋯鈦酸鉛陶瓷在300 ℃以上的高溫下仍具有良好的壓電性能[6])，對高低溫環(huán)境具有較強適應(yīng)能力。基于壓電材料的作動器結(jié)構(gòu)緊湊，輕質(zhì)小巧，可適用于外星體表面采樣探測任務(wù)。1999年，SHERRIT等[7]提出利用壓電驅(qū)動技術(shù)開展星體表面就位采樣探測的理念，并研制出世界上第1臺超聲波/聲波鉆探取心裝置(ultrasonic/sonic driller/corer，USDC)。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、能耗低，在較小的鉆壓力下，便能刺入堅硬巖石。基于USDC技術(shù)，隨后又陸續(xù)研制出超聲打磨工具、超聲囊地鼠和回轉(zhuǎn)輔助超聲鉆探器等裝置[8?10]。但研究主要集中在提高巖石的鉆進取心效率上，而對純沖擊式的超聲波鉆進取心裝置的斷心和取心方式研究較少。自超聲波/聲波鉆進技術(shù)問世以來，超聲波鉆進取心裝置的研制備受關(guān)注。德國帕德博恩大學(xué)對超聲波鉆進取心裝置的高低頻振動轉(zhuǎn)換過程開展了理論研究[11?12]。英國格拉斯哥大學(xué)利用可展卷管將鉆進機構(gòu)包裹，降低了鉆具與巖壁間摩擦，提高了鉆進取心裝置的鉆進效 率[13]。歐空局(ESA)為支持ExoMars火星任務(wù)研制了一種超聲波鉆進取心裝置并研究了其安裝方式對鉆進效果的影響[14]。俄羅斯比斯克超聲技術(shù)中心和空間技術(shù)研究所對鉆進工具的鉆頭開展了設(shè)計與研究工作，以實現(xiàn)月壤和粉狀巖屑的采集[15?16]。除此之外，作為我國最早探索超聲波鉆進技術(shù)的機構(gòu)，南京航空航天大學(xué)精密驅(qū)動研究所開展了超聲波/聲波鉆探器的結(jié)構(gòu)動力學(xué)、能量耦合機理等相關(guān)理論和試驗研 究[17?18]。針對未來對彗星、小行星等地外天體表面巖石的小樣本就位探測，本文作者研制一種輕質(zhì)小巧的超聲波鉆進取心器(ultrasonic coring tool，UCT)。它可方便安裝在機械臂末端，并借助機械臂提供的動力實現(xiàn)對堅硬巖石的斷心和取心功能。超聲波鉆探取心工具的研制可為我國未來對彗星、小行星等地外天體巖石鉆探采樣提供一種可行的技術(shù)手段。

1 超聲波鉆探取心器的研制

本文研制的超聲波鉆探取心器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要包括3個組件：超聲換能器、自由質(zhì)量單元和取心鉆具。由于壓電材料的逆壓電效應(yīng)，超聲換能器在超聲頻交流電激勵下可產(chǎn)生高頻機械振動。換能器振動頻率一般在幾千赫茲到幾萬赫茲之間。超聲換能器輸出的振動可驅(qū)動自由質(zhì)量單元在超聲換能器和取心鉆具之間作往復(fù)碰撞運動。鉆具受到自由質(zhì)量單元的聲頻沖擊，其內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力波并傳遞到鉆具與巖石接觸表面。當(dāng)沖擊應(yīng)力超過巖石破碎應(yīng)力，巖石發(fā)生破碎，取心器實現(xiàn)鉆進和取心。為使超聲波鉆探取心工具具有良好的工作性能，需對這3個組件進行精確設(shè)計。

圖1 超聲波鉆進取心器結(jié)構(gòu)簡圖

1.1 超聲換能器設(shè)計

超聲換能器主要包括超聲波振子和超聲變幅桿2部分。超聲波振子由前蓋板、后蓋板、壓電陶瓷材料、預(yù)緊螺栓以及電極片等組成。振子利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)將高頻電信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)頻率的機械振動，通過變幅桿截面面積變化將機械振動的質(zhì)點位移或速度放大，并將能量集中在很小的面積上，以驅(qū)動自由質(zhì)量單元的運動。超聲換能器的性能決定了其對自由質(zhì)量單元的驅(qū)動能力，繼而直接影響自由質(zhì)量單元作用在取心鉆桿上的沖擊力。其驅(qū)動特性與取心器的巖石破碎效果及鉆進取心效率密切相關(guān)。因此，提高超聲換能器的電聲能量轉(zhuǎn)換效率尤為重要。超聲換能器最重要的2個參數(shù)是共振頻率和變幅桿最大輸出振幅。超聲換能器的共振頻率最初需由設(shè)計者設(shè)定。根據(jù)設(shè)計值和實際值之間的誤差修改換能器設(shè)計參數(shù)，可使換能器工作頻率與設(shè)計值相吻合。本文超聲波鉆探取心器共振頻率的設(shè)計值為25 kHz，振子為半波長振子，變幅桿采用階梯型，大端直徑與小端直徑之比為25/8。振子與變幅桿共同構(gòu)成了一個全波長諧振系統(tǒng)。利用力電聲類比的方法，可建立超聲換能器等效阻抗網(wǎng)絡(luò)模型(如圖2所示)，分析影響壓電換能器特性的敏感結(jié)構(gòu)參數(shù)[19]。圖2中：l為超聲換能器第段結(jié)構(gòu)的長度；v為超聲換能器第段結(jié)構(gòu)的振動速度；為PZT壓電陶瓷片數(shù)；0為壓電陶瓷靜態(tài)截止電容；和分別為所施加外部電壓和流經(jīng)壓電陶瓷的電流；為機電耦合系數(shù)；Li和Ci分別為第段結(jié)構(gòu)的阻抗，其表達式分別為

圖2 超聲換能器等效阻抗網(wǎng)絡(luò)模型

式中：ρ，c和S分別為換能器第段結(jié)構(gòu)的密度、波速和橫截面積；為換能器諧振頻率。

由等效網(wǎng)絡(luò)模型可知，影響諧振頻率最主要的因素為前蓋板、后蓋板、變幅桿的軸向尺寸及換能器兩端輸入阻抗。圖3所示為超聲換能器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及原理樣機。換能器的后蓋板材料采用軟鋼(20號鋼)，前蓋板和變幅桿材料采用聲阻抗小的鈦合金(TC-4)，壓電陶瓷材料為機械品質(zhì)因數(shù)較高的PZT-4，預(yù)緊螺栓材料為A2級穩(wěn)固性不銹鋼。

借助阻抗分析儀對所設(shè)計的超聲換能器進行測試，獲得其第1階諧振頻率為24 460 Hz。測試結(jié)果與理論值的相對誤差為2.16%。利用激光測振儀測試超聲波換能器變幅桿底端輸出振幅和節(jié)面(換能器法蘭處)振幅，試驗數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可知：變幅桿端面輸出穩(wěn)定的正弦振動，振動峰峰值約為47 mm，振幅約為23.5 mm；換能器節(jié)面為小振幅類正弦振動，振動峰峰值約為3.5 mm。變幅桿端面振幅較大，具有一定驅(qū)動能力；節(jié)面振幅很小，可作為機械接口的安裝面。

單位：mm

圖3 超聲換能器結(jié)構(gòu)尺寸及原理樣機

Fig. 3 Ultrasonic transducer prototype and its structural Dimensions

1.2 自由質(zhì)量單元的構(gòu)型及質(zhì)量選擇

超聲波鉆探取心器工作過程中，變幅桿底端的振動是動力輸入，鉆桿的運動是動力輸出，自由質(zhì)量單元起動力傳遞的作用。超聲換能器的變幅桿輸出的振動一般為超聲頻小振幅振動，振幅一般為微米級(幾微米至幾十微米)。在變幅桿激勵下，自由質(zhì)量單元在變幅桿底端和鉆桿頂端作聲頻范圍的大振幅振動。自由質(zhì)量單元的振動頻率一般為幾百赫茲至幾千赫茲，振幅一般為毫米級。由于自由質(zhì)量單元對取心鉆桿的沖擊效果對裝置鉆探取心能力具有很大影響，因此，減少自由質(zhì)量單元在動力傳遞過程中能量損耗，提高動力傳遞效率，是提高超聲波鉆探取心器鉆探效率的關(guān)鍵。前期研究中，為便于觀察自由質(zhì)量單元運動狀態(tài)，開展自由質(zhì)量單元非線性動力學(xué)行為的研究，采用了環(huán)形自由質(zhì)量單元，如圖5(a)所示。由于鉆具中心桿與自由質(zhì)量單元的環(huán)形中心孔之間存在滑動摩擦，限制了自由質(zhì)量單元的運動空間，使其在高頻振動過程中，圓孔接觸面摩擦嚴(yán)重，降低了自由質(zhì)量單元動量傳遞效率。中心桿在鉆具上表面應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，易引起疲勞斷裂。本文采用球形自由質(zhì)量單元，通過鉆具內(nèi)壁限制其運動空間。如圖5(b)所示，封閉式導(dǎo)向設(shè)計使自由質(zhì)量單元的振動不易受到外界影響，振動狀態(tài)較穩(wěn)定。自由質(zhì)量單元與鉆具內(nèi)壁之間為滑滾摩擦，摩擦損耗低。沖擊面近似點接觸，沖量傳遞穩(wěn)定，但需保證自由質(zhì)量球和鉆桿上表面的接觸剛度。

(a) 變幅桿底端；(b) 節(jié)面

圖4 超聲換能器幅測試曲線

Fig. 4 Amplitude of ultrasonic transducer

(a) 圓環(huán)形自由質(zhì)量；(b) 球形自由質(zhì)量

圖5 環(huán)形和球形自由質(zhì)量單元的結(jié)構(gòu)形式

Fig. 6 Structure of ring-shaped and spherical free masses

對于變幅桿、自由質(zhì)量單元和鉆具三者構(gòu)成的碰撞振動系統(tǒng)，碰撞后的系統(tǒng)狀態(tài)既取決于碰撞前的初始運動狀態(tài)，又與碰撞接觸過程中的能量耗散、摩擦、非線性干擾等因素有關(guān)。試驗中發(fā)現(xiàn)，自由質(zhì)量單元在變幅桿底端和鉆具頂端的碰撞振動是高度非線性的，很難找到一種準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型描述其動力學(xué)行為。影響自由質(zhì)量單元對鉆具沖擊效果的主要因素是自由質(zhì)量單元的質(zhì)量和其與鉆具接觸時的瞬時速度[20]。自由質(zhì)量單元規(guī)格如表1所示。本文將借助試驗手段，從一系列不同質(zhì)量的球形自由質(zhì)量單元中選出最優(yōu)質(zhì)量規(guī)格。

表1 自由質(zhì)量單元規(guī)格

針對同一款鉆進驅(qū)動裝置及鉆具，采用不同質(zhì)量的自由質(zhì)量單元，在砂巖上鉆探5 min，觀察不同質(zhì)量的自由質(zhì)量單元對鉆探取心器鉆探深度的影響。自由質(zhì)量單元質(zhì)量與鉆深關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 自由質(zhì)量單元質(zhì)量與鉆深關(guān)系曲線

由圖6可知：超聲波鉆探取心器受輸入功率的限制，無法使6號和7號的球形自由質(zhì)量單元起振。在可驅(qū)動自由質(zhì)量范圍內(nèi)，采用5號自由質(zhì)量單元時，鉆探取心器鉆探效率最高。試驗觀察發(fā)現(xiàn)，由于球形自由質(zhì)量單元與變幅桿和鉆具的接觸為高副接觸，沖擊力大，導(dǎo)致變幅桿和鉆具與自由質(zhì)量單元接觸表面產(chǎn)生塑性變形，造成能量耗散，影響動量傳遞效果。設(shè)計時，應(yīng)盡可能提高自由質(zhì)量單元和鉆具接觸表面的接觸剛度。綜合以上分析及試驗結(jié)果，研制出超聲波鉆進取心器原理樣機，如圖7所示。

圖7 超聲波鉆進取心器原理樣機

整個裝置設(shè)計成開放式結(jié)構(gòu)以便于零部件更換與研究。為降低取心器振動對機架的影響，在超聲換能器與機械接口連接處添加減震墊片。為提高裝置的軸向剛度，增設(shè)輔助支撐。取心器原理樣機主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 原理樣機主要技術(shù)參數(shù)

2 超聲波鉆進取心方式

外星體表面的巖石鉆探采樣可分為3個過程：鉆進、斷心和取心。取心鉆具是超聲波鉆探取心器進行巖石鉆進取心的執(zhí)行部件。針對特定采樣任務(wù)，選擇合理的取心方式，開展鉆具取心特性的研究，關(guān)系著采樣任務(wù)的成敗。

2.1 取心方案

根據(jù)未來深空探測采樣任務(wù)中可能面臨的實際工作狀況及可達預(yù)期目標(biāo)，在借鑒地質(zhì)鉆探取心原理的基礎(chǔ)上提出三種取心鉆具斷心方案，如圖8所示。

(a) 帶斜楔的取心鉆具；(b) 偏心取心鉆具；(c) 底端帶有外階梯的取心鉆具

圖8 3種不同原理的取心方案

Fig. 8 Schematic of three kinds of coring concepts

圖8(a)所示為一種帶斜楔的取心鉆具(方案a)。斜楔固連在貫穿整個取心器的推桿末端。當(dāng)取心器鉆進至一定深度時，通過施加在推桿頂端的沖擊力推動斜楔，使斜楔對取心鉆具內(nèi)的巖心產(chǎn)生彎矩。當(dāng)巖石根部的應(yīng)力達到其抗拉(壓)強度時，巖心發(fā)生斷裂。為提高斜楔斷心的可靠性，該方案需由額外動力源提供自上而下的瞬時沖擊力。但是，為放大變幅桿輸出振動的幅值，變幅桿截面放大倍數(shù)通常比較大，變幅桿小端直徑較小，給推桿的貫穿布置造成困難。

圖8(b)所示為偏心取心鉆具(方案b)。與傳統(tǒng)雙管式回轉(zhuǎn)取心鉆具原理類似，鉆具回轉(zhuǎn)軸線與所取巖心軸線偏置。當(dāng)外部回轉(zhuǎn)動力源驅(qū)動鉆具回轉(zhuǎn)時，鉆具會對巖心產(chǎn)生剪切力。剪力值超過巖心剪切強度，巖心產(chǎn)生斷裂。斷心過程中，外部回轉(zhuǎn)動力源提供給偏心鉆具的回轉(zhuǎn)力矩需克服巖心剪切力以及鉆具與巖壁間的摩擦力。此方案中，大功率回轉(zhuǎn)動力源是偏心鉆具可靠斷心的關(guān)鍵?；剞D(zhuǎn)動力一般由回轉(zhuǎn)電機產(chǎn)生，而添加回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置會增加取心裝置體積、重量及系統(tǒng)復(fù)雜性。

圖8(c)所示為底端帶有外階梯的取心鉆具(方案c)。其動力來源簡單，只需機械臂對鉆探取心器本體施加側(cè)向推力將巖心折斷。斷心過程中，鉆具外階梯端面與巖壁的接觸點可作為鉆具活動支點；鉆具外圓與巖孔內(nèi)壁、鉆具內(nèi)圓與巖心之間的間隙可為斷心過程提供充分的活動空間。

以上3種取心方式所采用的鉆具內(nèi)部均布置有一定長度和傾角的軟鋼絲。它們將折斷后的巖石樣心保持在鉆具內(nèi)部，可將巖心從巖孔中取出。

綜合考慮3種取心方式，方案(a)和(b)均需要外部動力源，動力源的安置既增加了系統(tǒng)質(zhì)量和體積，又增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。第3種取心方案無需外部動力源，由機械臂輔助動作就能實現(xiàn)。只要鉆具折斷巖石所需活動空間足夠大，就能實現(xiàn)可靠斷心。本文擬選擇取心方式簡單可靠的第3種方案。

2.2 斷心力學(xué)模型

為保證巖石斷心的可靠性，需預(yù)估巖心發(fā)生折斷所需側(cè)向推力。通過理論建模和試驗驗證手段，對底端帶有外階梯的取心鉆具的斷心力進行測試，為鉆具結(jié)構(gòu)尺寸和機械臂動力輸出的確定提供依據(jù)。

在斷心過程中，鉆具底端外階梯為機械臂側(cè)推動作創(chuàng)造移動空間及斷心支點，階梯外徑及高度分別決定鉆具斷心移動位移和支點位置。

機械臂作用下鉆具與巖石相互作用模型如圖9所示，假設(shè)鉆具繞點旋轉(zhuǎn)，鉆具與巖心及巖壁間隙很小但不可忽略。對鉆具進行力學(xué)分析可得平衡方程

式中：為機械臂施加在鉆具上的推力；為側(cè)推力作用點與鉆具底面的垂直距離；為鉆具外階梯高度；f為鉆具內(nèi)壁受巖心的摩擦力；1為鉆具內(nèi)徑；2為鉆具外階梯外徑；為巖心與鉆具內(nèi)徑間單側(cè)間隙；為巖心半徑；為鉆具受巖心的正壓力；為巖心高度；為巖心與鉆具摩擦因數(shù)。巖心在點所受正壓力E=，所受摩擦力fE=f。

圖9 機械臂作用下鉆具與巖石相互作用模型

由圖9可知，點與點之間的直線距離L應(yīng)滿足

式中：0為鉆具階梯外徑與巖孔內(nèi)壁的間隙。若L不滿足上式，在不破壞巖孔內(nèi)壁的條件下，鉆具將無法繞點旋轉(zhuǎn)。

鉆具內(nèi)壁與巖石點接觸時的幾何關(guān)系圖如圖10所示。為實現(xiàn)可靠斷心，鉆具內(nèi)壁應(yīng)與巖心點接觸。外階梯鉆具鉆進巖石深度和鉆具與巖心間的間隙需滿足一定的幾何關(guān)系。

圖10 鉆具內(nèi)壁與巖石E點接觸時的幾何關(guān)系圖

式中：L為鉆具點距巖心頂端點距離。只有當(dāng)滿足＜L時，鉆具內(nèi)壁才能與巖心點接觸，否則將無法實現(xiàn)斷心。若要提高斷心可靠性，則應(yīng)遠小于L。設(shè)巖心頂部到折斷位置軸向距離為0，通常情況下，

否則，0≈，即巖石從根部斷裂。

巖心根部所受最大拉應(yīng)力T和壓應(yīng)力S分別為

根據(jù)式(3)和式(7)可得巖心受拉(壓)斷裂所需推力的表達式為

由式(8)可知，巖心折斷力與鉆具外階梯尺寸、巖心尺寸、巖石的極限抗拉(壓)強度等因素有關(guān)。針對同一種巖石，在所獲得巖心尺寸一定的條件下，影響折斷力的主要參數(shù)是鉆具與巖心單側(cè)間隙、鉆具外階梯高度以及鉆具階梯外徑2。經(jīng)計算分析，鉆具階梯外徑2對巖心折斷力影響較小，鉆具外階梯高度對折斷力影響較大。

2.3 巖心與巖孔尺寸偏差分析

為確定巖心與鉆具取心孔之間的間隙以及巖孔與鉆具外階梯之間的間隙0，需對同一鉆具在相同鉆探條件下的獲得巖心和巖孔尺寸的一致性開展試驗研究。試驗擬采用的外階梯型鉆具尺寸如圖11所示。

在同一塊砂巖不同位置進行巖石鉆探采樣，從中隨機選取10個巖石樣本。對所獲得巖心外徑和巖孔內(nèi)徑進行測量，測量結(jié)果如圖12所示。

巖心和巖孔直徑波動分析數(shù)據(jù)如表3所示，巖心外徑和巖孔內(nèi)徑均存在波動。巖心外徑的偏差約為0.123 mm；巖孔內(nèi)徑的偏差約為0.472 mm。巖心外徑和巖孔內(nèi)徑的波動率在5%以內(nèi)，尺寸一致性比較好。將數(shù)據(jù)代入斷心力模型進行計算，計算結(jié)果表明巖石樣本尺寸和間隙均滿足斷心幾何約束條件，可實現(xiàn)可靠斷心。

單位：mm

圖11 測試鉆具結(jié)構(gòu)尺寸

Fig. 11 Dimension of tested coring tool

1—巖心外徑；2—巖孔內(nèi)徑。

圖12 巖心外徑和巖孔內(nèi)徑尺寸

Fig. 12 Outer diameters of rock cores and inner diameters of holes

表3 巖心外徑與巖孔內(nèi)徑波動分析結(jié)果

經(jīng)分析，造成這種波動的主要原因有：1) 鉆具與導(dǎo)向機構(gòu)的配合間隙；2) 取心器本體的振動；3) 鉆具與巖壁的摩擦。超聲波鉆進取心器在巖石鉆進過程中，鉆具與巖壁間摩擦既是影響巖心外徑和巖孔內(nèi)徑的主要因素，也是造成沖擊能量損失的主要原因之一。根據(jù)Bowden和Tabor提出的黏著摩擦理論[21]，黏著摩擦因數(shù)為

式中：為黏著摩擦因數(shù)；fric為接觸面積；為表面粘著剪切力；direc為表面法向接觸載荷.由式(9)可知，表面摩擦力與作用面積成正比。若增加鉆具外階梯高度，鉆具外表面與巖壁接觸面積增加，黏著摩擦因數(shù)增大，造成鉆具沖擊鉆進過程中所受鉆探阻力增大，同時影響巖心和巖孔直徑一致性。因此，鉆具外階梯高度應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)強度的條件下盡量在較小范圍內(nèi)進行選擇。一般情況下，鉆具外階梯高度取2~4 mm。以本文所設(shè)計的取心鉆具為對象，開展了側(cè)推式斷心的斷心力測試試驗。本次試驗對象為砂巖，施力點為鉆具最高點，開展12次巖石鉆探采樣并進行斷心力測量，試驗數(shù)據(jù)如圖13所示。數(shù)據(jù)顯示，斷心試驗所選擇的巖心高度分布在7~10 mm，斷心力為68~745 N。

圖13 斷心力測試數(shù)據(jù)散點圖

3 鉆探取心試驗

為測試取心器的鉆進效率和巖石取心性能，開展結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和相關(guān)模型驗證，搭建了超聲波鉆進取心器測試試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由鉆進試驗臺、控制系統(tǒng)、信號發(fā)生器、壓電陶瓷驅(qū)動器等組成。

鉆進試驗臺的基本結(jié)構(gòu)如圖14所示。進尺電機通過齒輪齒條傳動可帶動取心器沿導(dǎo)軌向下鉆進，砝碼用于抵消取心裝置自重。鉆進過程中，控制系統(tǒng)可實時采集磁柵尺和壓力傳感器數(shù)據(jù)。

圖14 鉆進取心試驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 軸向鉆壓力對鉆進效率的影響分析

在超聲波鉆進取心器的動力參數(shù)中，施加給取心器的軸向靜壓力對鉆進取心效果影響顯著。軸向靜壓力可以改變自由質(zhì)量單元的振動幅值和頻率，從而影響超聲換能器的負(fù)載阻抗。反之，負(fù)載阻抗的改變又影響超聲換能器的輸出特性。

鉆進過程采用同一超聲波鉆進取心器；設(shè)定壓電陶瓷驅(qū)動器輸出電壓100 V；鉆進對象選擇表面平整，質(zhì)地均勻的同一種巖石(砂巖)；鉆進時間設(shè)定為5 min。為保證試驗數(shù)據(jù)的客觀性，進行多次鉆進試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)點繪制散點圖。為找出最優(yōu)軸向靜壓力的分布范圍，對試驗數(shù)據(jù)進行高斯擬合，獲得軸向靜壓力與鉆探效率之間的關(guān)系，如圖15所示。

圖15 軸向靜壓力與鉆進深度關(guān)系曲線

高斯擬合函數(shù)的表達式為

經(jīng)計算，=7.72，=6.05，=0.62，=2.98。由高斯擬合結(jié)果可知，本文研制的超聲波鉆進取心器在當(dāng)前鉆進工況條件下對砂巖的最優(yōu)軸向靜壓力約為6 N。

3.2 取心器排屑過程分析

超聲波鉆進取心器依靠鉆具的高頻沖擊作用使巖石發(fā)生破碎。當(dāng)鉆進到一定深度時，排屑問題將是制約其鉆進效率的主要因素。傳統(tǒng)的排屑方式主要有2種：一種是在回轉(zhuǎn)作用下借助鉆具螺旋排屑；另一種是利用流體介質(zhì)的沖刷作用排屑。超聲波鉆進取心器采用的是純沖擊鉆進原理，無回轉(zhuǎn)運動。在鉆探任務(wù)所處的外星體表面環(huán)境下難以借助流體介質(zhì)進行排屑。因此，傳統(tǒng)的排屑方法難以應(yīng)用于超聲波鉆進取心器。若要提高超聲波鉆進取心器的鉆進效率，需要找到一種行之有效的排屑方式。試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉆探深度較淺的時候，高頻沖擊破碎產(chǎn)生的巖屑可飛濺出來，巖屑堆積在鉆具周圍。觀察發(fā)現(xiàn)，鉆具底端及側(cè)壁引起空氣振動對巖屑排除起到一定作用。但當(dāng)鉆進到一定深度時，會出現(xiàn)破碎微小的巖屑吸附在鉆具外表面并緩慢向上運移，巖屑運移到一定高度后停止向上運動并開始下落。利用該現(xiàn)象有望探索出超聲波鉆進取心器這類純沖擊鉆進裝置的排屑方法，提高其鉆進效率。目前，還未找到對于該現(xiàn)象的合理解釋，有待更深入的研究。

4 結(jié)論

1) 基于超聲波/聲波鉆進技術(shù)，研制出可方便搭載在漫游車或機械臂上的超聲波鉆進取心器。提出了一種新型的取心鉆具和斷心取心方式，并對該鉆具的斷心和取心特性開展了研究。分析了軸向靜壓力對取心器鉆進效率的影響規(guī)律和高頻沖擊作用下取心器的排屑特性。

2) 所研制的超聲波鉆進取心器具有較高的鉆進取心效率和較為可靠的斷心取心性能，可為彗星、小行星等弱引力場星體的巖石鉆探采樣提供參考。

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(編輯 趙俊)

An ultrasonic coring tool for rock-sampling on extraterrestrial planets

QUAN Qiquan, LI He, DENG Zongquan, WANG Xinjian, JIANG Shengyuan

(State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Based on ultrasonic longitudinal vibration theory, a kind of rock coring tool was proposed. This tool can be easily mounted on planetary rover or end effector of robotic arm. The coring tool can break rocks using high-frequency vibration, even when no rotary motion was provided. The results indicate that the tool has relative high drilling efficiency and high reliability of breaking and coring rocks.

deep space exploration; sampling device; piezoelectric drive; rock coring

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.12.017

TP24

A

1672?7207(2016)12?4081?09

2015?12?20；

2016?02?28

國家自然科學(xué)基金資助項目(61403106)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃(B07018)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(HIT.NSRIF.2014051)(Project(61403106) supported by the National Natural Science Foundation of China? Project(B07018) supported by the Program of Introducing Talents of Discipline to Universities? Project(HIT.NSRIF.2014051) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

全齊全，博士，講師，從事宇航空間機構(gòu)與控制研究；E-mail：quanqiquan@hit.edu.cn