RU2598947C1 - Ultrasonic drill - Google Patents
Ultrasonic drill Download PDFInfo
- Publication number
- RU2598947C1 RU2598947C1 RU2015133420/03A RU2015133420A RU2598947C1 RU 2598947 C1 RU2598947 C1 RU 2598947C1 RU 2015133420/03 A RU2015133420/03 A RU 2015133420/03A RU 2015133420 A RU2015133420 A RU 2015133420A RU 2598947 C1 RU2598947 C1 RU 2598947C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diameter
- tool
- section
- soil
- channels
- Prior art date
Links
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 34
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims description 52
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 abstract description 23
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005527 soil sampling Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 2
- 229910000737 Duralumin Inorganic materials 0.000 description 1
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
- E21B7/24—Drilling using vibrating or oscillating means, e.g. out-of-balance masses
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D1/00—Investigation of foundation soil in situ
- E02D1/02—Investigation of foundation soil in situ before construction work
- E02D1/04—Sampling of soil
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21C—MINING OR QUARRYING
- E21C51/00—Apparatus for, or methods of, winning materials from extraterrestrial sources
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Soil Sciences (AREA)
- Paleontology (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Sampling And Sample Adjustment (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам для забора проб грунта, выполнения каналов для установки исследовательских датчиков и иных устройств на заданной глубине, и может быть использовано при изучении планет, комет и других небесных тел.The invention relates to space technology, namely, devices for sampling soil, performing channels for installing research sensors and other devices at a given depth, and can be used in the study of planets, comets and other celestial bodies.
Исследование неземных объектов путем забора образцов грунта с необходимой глубины без изменения структуры и состава исследуемого материала или установка датчиков для контроля процессов в грунте путем выполнения отверстий малого диаметра на глубину до нескольких метров остается одной из сложнейших проблем при исследовании поверхности других планет [1].The study of non-terrestrial objects by taking soil samples from the required depth without changing the structure and composition of the material being studied or installing sensors to monitor processes in the soil by making small diameter holes to a depth of several meters remains one of the most difficult problems when studying the surface of other planets [1].
Известны устройства (буры), предназначенные для забора образцов неземного грунта путем выполнения отверстий малого диаметра за счет механического вращения инструмента [2]. У известного бура рабочий инструмент выполнен в виде сверла с твердосплавным наконечником. Рабочий инструмент, вращаясь при помощи мотор-редуктора, постепенно вводится в грунт и выталкивает его наружу. На поверхности установлен контейнер, в который происходит забор образцов выработанного грунта.Known devices (drills) designed to collect samples of unearthly soil by making holes of small diameter due to mechanical rotation of the tool [2]. The well-known drill has a working tool made in the form of a drill with a carbide tip. The working tool, rotating with a gear motor, is gradually introduced into the ground and pushes it out. A container is installed on the surface into which samples of excavated soil are taken.
Основные недостатки известного устройства - нагрев из-за введения большого количества энергии в зону бурения (это приводит к изменению структуры и состава грунта, а также испарению летучих компонентов) и невозможность выполнения отверстий на большую глубину из-за необходимости постоянного увеличения усилий бурения.The main disadvantages of the known device are heating due to the introduction of a large amount of energy into the drilling zone (this leads to a change in the structure and composition of the soil, as well as the evaporation of volatile components) and the inability to make holes to a greater depth due to the need to constantly increase drilling efforts.
Для устранения недостатков, обусловленных вращением буров, используются ультразвуковые буры. Дополнения поступательного и вращательного движения колебательным с ультразвуковой частотой позволяют снизить усилия обработки и увеличить скорость бурения.To eliminate the disadvantages caused by the rotation of the drills, ultrasonic drills are used. Additions to the translational and rotational oscillatory motion with an ultrasonic frequency make it possible to reduce the processing forces and increase the drilling speed.
Известны ультразвуковые буры, содержащие последовательно установленные и акустически связанные между собой заднюю частотно-понижающую отражающую накладку, пьезоэлектрические кольцевые элементы, рабочую накладку, концентратор, выполненный в виде стержня переменного сечения и рабочий инструмент с внутренней полостью для забора образца грунта [3, 4].There are known ultrasonic drills containing sequentially mounted and acoustically interconnected rear frequency-lowering reflective plates, piezoelectric ring elements, a working plate, a concentrator made in the form of a rod of variable cross section and a working tool with an internal cavity for sampling soil [3, 4].
Основным недостатком известных устройств является невозможность получения нескольких образцов грунта с разных глубин за один проход. Как правило, диаметр преобразователя превосходит диаметр инструмента. При использовании такого бура необходимо последовательно высверливать и удалять грунт из зоны сверления. При сверлении сыпучего грунта и при изъятии бура из зоны сверления происходит осыпание грунта. Глубина бурения не превышает длины соединительного устройства (концентратора) между инструментом и преобразователем. При использовании устройства эффективность процесса сверления грунта будет мала, а глубина бурения не превысит нескольких десятков сантиметров, что недостаточно для установки исследовательских датчиков.The main disadvantage of the known devices is the inability to obtain several soil samples from different depths in one pass. As a rule, the diameter of the transducer exceeds the diameter of the tool. When using such a drill, it is necessary to consistently drill and remove soil from the drilling zone. When drilling loose soil and when removing the drill from the drilling zone, soil shedding occurs. The drilling depth does not exceed the length of the connecting device (concentrator) between the tool and the transducer. When using the device, the efficiency of the soil drilling process will be small, and the drilling depth will not exceed several tens of centimeters, which is not enough to install research sensors.
Кроме того, формируемый внутри рабочего инструмента образец забираемого грунта длительное время (время формирования необходимого количества грунта) подвергается ультразвуковому воздействию, что обуславливает его нагрев и изменение свойств за счет энергетического воздействия.In addition, a sample of the soil being formed inside the working tool has been subjected to ultrasonic treatment for a long time (the time it takes to form the required amount of soil), which causes it to heat up and change its properties due to energy exposure.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является ультразвуковой бур, принятый за прототип [5], состоящий из пьезоэлектрического преобразователя электрических колебаний в механические, концентратора-усилителя механических колебаний, рабочего инструмента, устройств вертикального перемещения и возвратно-вращательного движения.The closest in technical essence to the proposed device is an ultrasonic drill, adopted as a prototype [5], consisting of a piezoelectric transducer of electrical vibrations into mechanical ones, a hub-amplifier of mechanical vibrations, a working tool, devices for vertical movement and reciprocating rotation.
Отличительная особенность прототипа от известных ультразвуковых буров в том, что в рабочем инструменте выполнены каналы для прохождения разрыхленного грунта. При выполнении бурения прототип совершает колебательные движения, разрушая грунт. Разрушенный грунт через каналы в инструменте выходит на внешнюю поверхность инструмента и заполняет свободную полость между инструментом и пьезоэлектрическим преобразователем. Это позволяет передать грунт без нагрева в зону расположения контейнеров и обеспечить бурение на глубину большую, чем при использовании аналогов.A distinctive feature of the prototype from known ultrasonic drills is that channels for passing loose soil are made in the working tool. When drilling, the prototype oscillates, destroying the soil. Destroyed soil through the channels in the instrument goes to the outer surface of the instrument and fills the free cavity between the instrument and the piezoelectric transducer. This allows you to transfer the soil without heating to the container location zone and provide drilling to a depth greater than when using analogues.
Однако, поскольку диаметры инструмента и преобразователя равны глубине бурения, будет ограничена возможностью распределения грунта в области участков концентратора меньшего, чем инструмент диаметра, с незначительным уплотнением грунта в стенки канала за счет механического (возвратно-поступательного) движения бура.However, since the diameters of the tool and the transducer are equal to the drilling depth, it will be limited by the possibility of soil distribution in the area of the concentrator sections smaller than the diameter of the tool, with insignificant soil compaction into the channel walls due to the mechanical (reciprocating) movement of the drill.
Максимальная глубина канала, выполняемого прототипом, не превышает длины бура (пьезопреобразователя с концентратором и инструментом).The maximum depth of the channel performed by the prototype does not exceed the length of the drill (piezoelectric transducer with a concentrator and a tool).
Таким образом, выявленные недостатки снижают эффективность бурения, исключают забор грунта с необходимых глубин, изменяют свойства и ухудшают качество полученных образцов грунта и не позволяют осуществлять установку датчиков и специальных устройств (например, взрывных устройств для создания сейсмических волн в грунте) на заданную глубину.Thus, the identified shortcomings reduce the efficiency of drilling, exclude soil sampling from the necessary depths, change the properties and degrade the quality of the obtained soil samples and do not allow the installation of sensors and special devices (for example, explosive devices to create seismic waves in the soil) to a given depth.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков прототипа и создание ультразвукового бура, способного обеспечить забор образцов грунта и установку датчиков на заданной глубине.The proposed technical solution is aimed at eliminating these disadvantages of the prototype and the creation of an ultrasonic drill capable of sampling soil samples and installing sensors at a given depth.
Суть технического решения заключается в том, что в предлагаемом ультразвуковом буре, состоящем из пьезоэлектрического преобразователя электрических колебаний в механические, концентратора-усилителя механических колебаний, рабочего инструмента, устройств вертикального перемещения и возвратно-вращательного движения, рабочий инструмент со стороны рабочей поверхности имеет периферийный трубчатый участок диаметром, превосходящим диаметр пьезопреобразователя, центральный конусообразный участок выполнен длиной, превышающей длину трубчатого участка, между центральным и периферийным участками выполнены сквозные каналы, диаметр которых соответствует расстоянию между внутренней стенкой трубчатого участка и внешней стороной конусного участка, направление оси каналов совпадает с направлением образующих конусного участка инструмента, со стороны нерабочей поверхности инструмент имеет соединительную плоскую площадку диаметром, соответствующим диаметру основания конусного участка, со стороны нерабочей поверхности рабочий инструмент механически и акустически соединен с концентратором. Концентратор выполнен в виде металлического стержня переменного сечения, состоящего из соединенных плавными переходами участков цилиндрической формы различного диаметра и длины, причем участок концентратора, соединенный с инструментом конусообразно, изменяет диаметр от диаметра соединительной площадки до диаметра пьезопреобразователя, на его внешней поверхности выполнены грунтоотводящие каналы, форма и размеры которых выбираются с учетом параметров устройства вращательного движения. Цилиндрические участки концентратора максимального диаметра соединены тонкостенной трубкой с внешним диаметром, соответствующим диаметру пьезопреобразователя, на внутренней стороне трубки выполнены крепления датчиков или контейнеров для забора грунта, на внешней поверхности выполнены центрирующие и направляющие элементы. Пьезоэлектрический преобразователь выполнен из последовательно установленных и акустически связанных между собой частотно-понижающих накладок и пьезоэлементов кольцевой формы, причем соединенная с концентратором излучающая накладка выполнена из металла с меньшей плотностью, чем неизлучающая накладка, соединенная с устройством вращательного движения, соединение устройства вращательного движения с пьезопреобразователем осуществляется стержнем, из материала, соответствующего материалу неизлучающей накладки, диаметром не более внутреннего диаметра пьезоэлемента и длиной, равной четверти длины волны УЗ колебаний на рабочей частоте бура в материале стержня, соединенное с пьезопреобразователем устройство возвратно-вращательного движения состоит из двигателя проворота бура за заданный угол в одну и другую стороны относительно линии, перпендикулярной оси бура и элементов фиксации устройства возвратно-вращательного движения относительно устройства вертикального перемещения.The essence of the technical solution lies in the fact that in the proposed ultrasonic storm, consisting of a piezoelectric transducer of electrical vibrations into mechanical ones, a hub-amplifier of mechanical vibrations, a working tool, devices of vertical movement and back-and-forth motion, the working tool from the side of the working surface has a peripheral tubular section with a diameter exceeding the diameter of the piezoelectric transducer, the central conical section is made with a length exceeding the length of the pipe trough section, through channels are made between the central and peripheral sections, the diameter of which corresponds to the distance between the inner wall of the tubular section and the outer side of the conical section, the direction of the channel axis coincides with the direction of the generatrices of the conical section of the tool, from the side of the inoperative surface the tool has a connecting flat platform with a diameter corresponding to the diameter of the base of the cone section, from the side of the idle surface, the working tool is mechanically and acoustically connected en with a hub. The concentrator is made in the form of a metal rod of variable cross section, consisting of sections of a cylindrical shape connected by smooth transitions of various diameters and lengths, and the section of the concentrator connected to the tool cone-shaped changes the diameter from the diameter of the connecting pad to the diameter of the piezoelectric transducer, soil channels are made on its outer surface, shape and the sizes of which are selected taking into account the parameters of the rotational motion device. The cylindrical sections of the concentrator of maximum diameter are connected by a thin-walled tube with an external diameter corresponding to the diameter of the piezoelectric transducer, sensors or containers for soil collection are mounted on the inner side of the tube, centering and guiding elements are made on the outer surface. The piezoelectric transducer is made of sequentially mounted and acoustically interconnected frequency-reducing plates and piezoelectric elements of a ring shape, and the radiating plate connected to the concentrator is made of metal with a lower density than the non-radiating plate connected to the rotary movement device, the rotational movement device is connected to the piezoelectric transducer a core made of a material corresponding to the material of a non-radiating lining, with a diameter of not more than the morning diameter of the piezoelectric element and a length equal to a quarter of the wavelength of ultrasonic vibrations at the working frequency of the drill in the core material, the device for reciprocating rotation consists of a rotary motor for turning the drill at a given angle in one or the other direction relative to the line perpendicular to the axis of the drill and fixation elements reciprocating device relative to the vertical movement device.
Технический результат выражается в создании ультразвукового бура, позволяющего обеспечить неограниченную глубину бурения за счет разрушения, распределения и уплотнения грунта вдоль стенок канала, обеспечив при этом отбор высококачественных образцов грунта, полученных с необходимых глубин, и установку датчиков и других устройств на заданную глубину.The technical result is expressed in the creation of an ultrasonic drill, which allows for unlimited drilling depth due to the destruction, distribution and compaction of soil along the walls of the channel, while ensuring the selection of high-quality soil samples obtained from the required depths and the installation of sensors and other devices to a given depth.
Сущность предлагаемого технического решения и принцип его работы поясняются Фиг. 1.The essence of the proposed technical solution and the principle of its operation are illustrated in FIG. one.
На Фиг. 1 схематично представлен предлагаемый ультразвуковой бур.In FIG. 1 schematically shows the proposed ultrasonic drill.
Предлагаемый ультразвуковой бур состоит из пьезоэлектрического преобразователя электрических колебаний в механические 1, концентратора-усилителя механических колебаний 2, рабочего инструмента 3, устройства вертикального перемещения 4 и устройства возвратно-вращательного движения 5. При этом рабочий инструмент 3 со стороны рабочей поверхности имеет периферийный трубчатый участок 6 диаметром D, превосходящим диаметр d пьезопреобразователя 1, центральный конусообразный участок 7 выполнен длиной, превышающей длину трубчатого участка, между центральным и периферийным участками выполнены сквозные каналы 8, диаметр которых соответствует расстоянию между внутренней стенкой трубчатого участка и внешней стороной конусного участка, направление оси каналов совпадает с направлением образующих конусного участка 7 инструмента, со стороны нерабочей поверхности инструмент имеет соединительную плоскую площадку 9 диаметром, соответствующим диаметру основания конусного участка, со стороны нерабочей поверхности рабочий инструмент механически и акустически соединен с концентратором 2, выполненным в виде металлического стержня переменного сечения, состоящего из соединенных плавными переходами участков цилиндрической формы различного диаметра и длины, причем участок 10 концентратора 2, соединенный с инструментом, конусообразно изменяет диаметр от диаметра соединительной площадки до диаметра пьезопреобразователя, на его внешней поверхности выполнены грунтоотводящие каналы 11, форма и размеры которых выбираются с учетом параметров устройства вращательного движения, цилиндрические участки концентратора максимального диаметра соединены тонкостенной трубкой 12 с внешним диаметром, соответствующим диаметру пьезопреобразователя 1, на внутренней стороне трубки выполнены крепления датчиков или контейнеров 13 для забора грунта, на внешней поверхности выполнены центрирующие и направляющие элементы 14, пьезоэлектрический преобразователь выполнен из последовательно установленных и акустически связанных между собой частотно-понижающих накладок 15 и пьезоэлементов 16 кольцевой формы, причем соединенная с концентратором излучающая накладка выполнена из металла с меньшей плотностью, чем неизлучающая накладка, соединенная с устройством вращательного движения 5, соединение устройства вращательного движения с пьезопреобразователем осуществляется стержнем 17, из материала, соответствующего материалу неизлучающей накладки, диаметром не более внутреннего диаметра пьезоэлемента и длиной, равной четверти длины волны УЗ колебаний на рабочей частоте бура в материале стержня, соединенное с пьезопреобразователем устройство возвратно-вращательного движения 5 состоит из двигателя возвратно-вращательного движения (проворота) бура за заданный угол в одну и другую стороны относительно линии, перпендикулярной оси бура и элементов 18 фиксации устройства возвратно-вращательного движения относительно устройства вертикального перемещения. Выше устройства возвратно-вращательного движения 5 размещается устройство 19 для хранения, постановки и изъятия контейнеров для забора грунта.The proposed ultrasonic drill consists of a piezoelectric transducer of electrical vibrations into mechanical 1, a hub-amplifier of
Выполнение рабочего инструмента 3 с трубчатым участком 6 диаметром D позволяет формировать канал требуемого размера по диаметру и ограничивает разрушение грунта. Центральный конусообразный участок 7 производит разрушение грунта, а выполнение его длиной, превышающей длину трубчатого участка, обеспечивает разрушение грунта от центра инструмента и направление разрушенного грунта в сквозные каналы 8, диаметр которых соответствует расстоянию между внутренней стенкой трубчатого участка и внешней стороной конусного участка, а оси каналов совпадает с направлением образующих конусного участка 7 инструмента. Разрушенный грунт по колеблющейся поверхности участка инструмента через каналы 8 выходит на нерабочую поверхность инструмента 9 и подвергается ультразвуковому воздействию нерабочей поверхности инструмента и участка 10 концентратора 2.The implementation of the
В составе ультразвукового бура использовано концентрирующее звено, объединяющее классический концентратор с резонирующей на его собственной частоте дополнительной массой в виде участка 10. Особенность использования резонирующей массы заключается в том, что она совершает объемные колебания с амплитудой, получаемой при использовании классического концентрирующего звена. Так, если пьезоэлектрический преобразователь может совершать колебания с амплитудой до 10 мкм, присоединение к нему классического концентратора, выполненного в виде уменьшающего свой диаметр, например в 2 раза, металлического стержня, позволяет увеличить амплитуду колебаний в 4 раза, т.е. до 40 мкм. Присоединение к такому концентратору резонирующей массы обеспечивает ее колебания в продольном направлении с той же амплитудой, т.е. резонирующая масс и прикрепленный к ее торцевой поверхности рабочий инструмент будут совершать продольные колебания с амплитудой 40 мкм. Это обеспечит очень высокую скорость бурения.As part of the ultrasonic drill, a concentrating unit was used, combining a classical concentrator with an additional mass resonating at its own frequency in the form of
С другой стороны, совершая продольные колебаний с рабочей частотой (20…30 кГц), резонирующая масса будет совершать поперечные колебания. Амплитуда этих колебаний будет примерно в два раза меньше и составит около 20 мкм.On the other hand, making longitudinal vibrations with an operating frequency (20 ... 30 kHz), the resonating mass will perform transverse vibrations. The amplitude of these oscillations will be approximately two times less and will be about 20 microns.
Эти колебания обеспечат не только движение частичек грунта вверх по грунтоотводящим каналам 11, но и формирование стенки канала за счет уплотнения грунта ультразвуковыми колебаниями. Форма и размеры грунтоотводящих каналов выбираются таким образом, чтобы при реализации возвратно-вращательного движения частички грунта могли перемещать вверх и равномерно распределяться вдоль боковой поверхности колеблющейся резонирующей массы. Тонкостенная трубка 12 с внешним диаметром, соответствующим диаметру пьезопреобразователя 1, механически соединяется с участками концентратора, колеблющимися с минимальными амплитудами (нули колебаний), поэтому не совершает и не передает колебаний. Поэтому закрепленные на внутренней стороне трубки датчиков или контейнеров для забора грунта не будут подвергаться ультразвуковому воздействию. Точно также расположенные на внешней поверхности центрирующие и направляющие элементы 14 не будут совершать колебания, что обеспечит необходимую центровку бура.These vibrations will provide not only the movement of soil particles up along the
Присоединение к пьезоэлементам 16 дополнительных масс накладок увеличивает общую высоту полуволнового преобразователя и снижает его частоту. Излучающая частотно-понижающая накладка 4 в предлагаемом преобразователе изготавливается из дюралюминиевого сплава (Д16Т), а отражающая 10 - из стали (Сталь 45). Такой выбор материала обусловлен необходимостью снижения массы преобразователя и повышения его КПД за счет увеличения отношения волновых сопротивлений отражающей и излучающей частотно-понижающих накладок.Attaching 16 additional masses of pads to the piezoelectric elements increases the overall height of the half-wave transducer and reduces its frequency. The radiating frequency-lowering
Акустическая связь внутри преобразователя обеспечивается за счет того, что пьезоэлектрические элементы 16 зажаты между частотно-понижающей излучающей накладкой и отражающей частотно-понижающей накладками с силой, многократно превышающей величину знакопеременной силы, создаваемой пьезоэлектрическими элементами.The acoustic coupling inside the transducer is ensured due to the fact that the
Соединение устройства вращательного движения с пьезопреобразователем осуществляется стержнем 17 из материала, соответствующего материалу неизлучающей накладки, диаметром не более внутреннего диаметра пьезоэлемента и длиной, равной четверти длины волны УЗ колебаний на рабочей частоте бура в материале стержня, соединенное с пьезопреобразователем устройство возвратно-вращательного движения 5 состоит из двигателя проворота бура за заданный угол в одну и другую стороны относительно линии, перпендикулярной оси бура и элементов 18 фиксации устройства возвратно-вращательного движения относительно устройства вертикального перемещения.The rotary motion device is connected to the piezoelectric transducer by a
Крепежная шпилька задней отражающей накладки выступает над поверхностью отражающей частотно-понижающей накладки на величину, соответствующую половине длины волны в материале шпильки. Выполнение шпильки такой длины и диаметра позволяет исключить передачу ультразвуковых колебаний от преобразователя к устройству возвратно-поступательного движения и элементам фиксации этого устройства.The mounting pin of the rear reflective plate protrudes above the surface of the reflective frequency-lowering plate by an amount corresponding to half the wavelength in the material of the pin. The implementation of the studs of such length and diameter eliminates the transmission of ultrasonic vibrations from the transducer to the reciprocating device and the fixing elements of this device.
Ультразвуковой бур работает следующим образом.Ultrasonic drill works as follows.
На первом этапе осуществляется бурение канала на заданную глубину, например на Луне до 2 м.At the first stage, the channel is drilled to a predetermined depth, for example, on the Moon up to 2 m.
В процессе бурения периферийным трубчатым участком инструмента формируется канал заданного диаметра, центральным конусообразным участком обеспечивается разрушение грунта под инструментом и его продвижение к каналом в инструменте. Разрушенный грунт, пройдя через каналы в инструменте, попадает в зону действия резонирующей массы участка концентратора. Частички грунта под действием ультразвуковых колебаний и возвратно-вращательного движения бура перемещаются по грунтоотводящим каналам и равномерно распределяются вдоль цилиндрической поверхности резонирующей массы. Воздействие высокоинтенсивных колебаний на тонкий слой частичек грунта обеспечивает их уплотнение (уменьшение объема в несколько раз) и равномерное распределение уплотненного грунта вдоль поверхности канала. В процессе бурения может осуществляться контроль скорости бурения, температуры рабочего инструмента и соответствия частоты выходного напряжения генератора и резонансной частоты пьезоэлектрической колебательной системы, согласование выходного импеданса генератора с нагрузкой и поддержание амплитуды механических колебаний рабочего инструмента на заданном уровне при возможных изменениях условий эксплуатации.In the process of drilling, a channel of a given diameter is formed in the peripheral tubular section of the tool, the central conical section ensures the destruction of the soil under the tool and its advancement to the channel in the tool. Destroyed soil, passing through the channels in the tool, falls into the zone of action of the resonant mass of the concentrator section. Particles of soil under the action of ultrasonic vibrations and the rotational movement of the drill move along the drainage channels and are evenly distributed along the cylindrical surface of the resonating mass. The effect of high-intensity vibrations on a thin layer of soil particles ensures their compaction (several-fold decrease in volume) and uniform distribution of compacted soil along the channel surface. During the drilling process, the drilling speed, the temperature of the working tool and the correspondence of the frequency of the output voltage of the generator and the resonant frequency of the piezoelectric oscillatory system can be controlled, the output impedance of the generator is matched to the load and the amplitude of the mechanical vibrations of the working tool is maintained at a given level under possible changes in operating conditions.
При необходимости, может осуществляться остановка бура на заданной глубине, выключаться ультразвуковое воздействие и только за счет возвратно-вращательного движения в стенку грунта могут вводиться необходимые датчики. После выполнения канала на заданную глубину обеспечивается выведение ультразвукового бура с последующим введением в канал необходимых пассивных датчиков или устройств, обеспечивающих воздействие на грунт.If necessary, the drill can be stopped at a given depth, the ultrasonic effect can be turned off, and only the necessary sensors can be introduced into the soil wall only due to the rotational motion. After the channel runs to a predetermined depth, the ultrasonic auger is removed with the subsequent introduction of the necessary passive sensors or devices providing impact on the soil into the channel.
Предварительные оценки показали, что в зависимости от породы грунта возможен вариант режима бурения без прекращения процесса до глубины до 2 м.Preliminary estimates have shown that, depending on the type of soil, a drilling mode is possible without stopping the process to a depth of 2 m.
Использование предлагаемого устройства позволяет получать образцы грунта с требуемой глубины, провести качественное исследование состава грунта в месте его залегания и получить глубинный разрез скважины за одно бурение, обеспечить установку необходимых датчиков и устройств активного воздействия на грунт.Using the proposed device allows to obtain soil samples from the required depth, to conduct a qualitative study of the soil composition in the place of occurrence and to obtain a deep section of the well in one drilling, to ensure the installation of the necessary sensors and devices for active impact on the soil.
Предложенное ультразвуковое грунтозаборное устройство прошло успешные испытания в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института (филиала) Алтайского государственного технического университета и малого инновационного предприятия ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ».The proposed ultrasonic soil sampling device has been successfully tested in the laboratory of acoustic processes and apparatuses of the Biysk Technological Institute (branch) of the Altai State Technical University and the small innovative enterprise AltzTU Center for Ultrasonic Technologies LLC.
Источники информацииInformation sources
1. Bar-Cohen Y. Zacny K. (Eds.). Drilling in Extreme Environments: Penetration and Sampling on Earth and other Planets, Weinheim, 2009.1. Bar-Cohen Y. Zacny K. (Eds.). Drilling in Extreme Environments: Penetration and Sampling on Earth and other Planets, Weinheim, 2009.
2. Sample collecting apparatus of space machine [Текст]: пат. 6138522 США: МПК7 G01N 1/00; E21B 49/02; G01N 1/08; G01N 35/00; G01N 1/00; E21B 49/00; G01N 1/04; G01N 35/00; E21B 49/00 / Hiroaki Miyoshi (Япония) патентообладатель: NEC Corporation (Япония) заявка: 08/827,496 от 28.03.1997. Опубликовано: 31.10.2000.2. Sample collecting apparatus of space machine [Text]: US Pat. 6138522 USA:
3. Self mountable and extractable ultrasonic/sonic anchor [Текст]: пат. 7156189 США: МПК Е21С 37/02; А61B 17/00; B25D 17/06; H02N 2/00 / Bar-Cohen Yoseph (США) Sherrit Stewart (США) патентообладатель: The United States of America as represented by the Administrator of the National Aeronautics and Space Administration (США) заявка: 11/001,465 от 01.12.2004. Опубликовано: 02.01.2007.3. Self mountable and extractable ultrasonic / sonic anchor [Text]: US Pat. 7156189 USA: IPC E21C 37/02; A61B 17/00; B25D 17/06;
4. Ultrasonic/sonic mechanism of deep drilling (USMOD) [Текст]: пат. 6968910 США: МПК7 E21B 7/24; E21B 25/00; E21B 7/00; E21B 25/00; E21B 7/24; E21B 49/02 / Bar-cohen Yoseph (США) Sherrit Stewart (США) Dolgin Benjamin (США) Bao Xiaoqi (США) Askins Stephen (США) заявка: 10/304192 от 27.11.2002. Опубликовано: 29.11.2005.4. Ultrasonic / sonic mechanism of deep drilling (USMOD) [Text]: US Pat. 6968910 USA:
5. Ультразвуковое грунтозаборное устройство: Пат. 2503815 Рос. Федерация: МПК Е21С 51/00 / Генне Д.В., Костенко В.И., Митрофанов И.Г., Нестеров В.А., Хмелев В.Н., Хмелев С.С., Цыганок С.Н: Заявитель и патентообладатель ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ» - №2012130789, заявл. 18.07.2012, опубл. 10.01.2014, Бюл. №1 - 13 с. - прототип.5. Ultrasonic soil sampling device: Pat. 2503815 Ros. Federation: IPK E21C 51/00 / Genne D.V., Kostenko V.I., Mitrofanov I.G., Nesterov V.A., Khmelev V.N., Khmelev S.S., Tsyganok S.N .: Applicant and patent holder of LLC Center for Ultrasonic Technologies AltGTU - No. 20112130789, the application. July 18, 2012, publ. 01/10/2014, Bull. No. 1 - 13 p. - prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015133420/03A RU2598947C1 (en) | 2015-08-10 | 2015-08-10 | Ultrasonic drill |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015133420/03A RU2598947C1 (en) | 2015-08-10 | 2015-08-10 | Ultrasonic drill |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2598947C1 true RU2598947C1 (en) | 2016-10-10 |
Family
ID=57127363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015133420/03A RU2598947C1 (en) | 2015-08-10 | 2015-08-10 | Ultrasonic drill |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2598947C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108533267A (en) * | 2018-02-27 | 2018-09-14 | 中国空间技术研究院 | A kind of objects outside Earth surface water resource obtains drilling rig and trephination |
| RU2726495C1 (en) * | 2019-12-23 | 2020-07-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ" | Device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6968910B2 (en) * | 2001-12-20 | 2005-11-29 | Yoseph Bar-Cohen | Ultrasonic/sonic mechanism of deep drilling (USMOD) |
| EA011262B1 (en) * | 2003-06-20 | 2009-02-27 | Флексидрилл Лимитед | Sonic heads and assemblies and uses thereof |
| RU2501952C1 (en) * | 2012-07-09 | 2013-12-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) | Drag head |
| RU2503815C1 (en) * | 2012-07-18 | 2014-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ" | Ultrasonic drag head |
-
2015
- 2015-08-10 RU RU2015133420/03A patent/RU2598947C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6968910B2 (en) * | 2001-12-20 | 2005-11-29 | Yoseph Bar-Cohen | Ultrasonic/sonic mechanism of deep drilling (USMOD) |
| EA011262B1 (en) * | 2003-06-20 | 2009-02-27 | Флексидрилл Лимитед | Sonic heads and assemblies and uses thereof |
| RU2501952C1 (en) * | 2012-07-09 | 2013-12-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) | Drag head |
| RU2503815C1 (en) * | 2012-07-18 | 2014-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ" | Ultrasonic drag head |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108533267A (en) * | 2018-02-27 | 2018-09-14 | 中国空间技术研究院 | A kind of objects outside Earth surface water resource obtains drilling rig and trephination |
| CN108533267B (en) * | 2018-02-27 | 2019-09-06 | 中国空间技术研究院 | A kind of objects outside Earth surface water resource obtains drilling rig and trephination |
| RU2726495C1 (en) * | 2019-12-23 | 2020-07-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ" | Device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3464734B1 (en) | Foundation pile installation device | |
| US3633688A (en) | Torsional rectifier drilling device | |
| US20040007387A1 (en) | Smart-ultrasonic/sonic driller/corer | |
| US6968910B2 (en) | Ultrasonic/sonic mechanism of deep drilling (USMOD) | |
| RU2598947C1 (en) | Ultrasonic drill | |
| US20060090956A1 (en) | Ultrasonic rod waveguide-radiator | |
| Wang et al. | Rotary-percussive ultrasonic drill: An effective subsurface penetrating tool for minor planet exploration | |
| CN106133272B (en) | Variable thickness acoustic transducer | |
| Cardoni et al. | Ultrasonic rock sampling using longitudinal-torsional vibrations | |
| NO20140432A1 (en) | System and method for cleaning a drill bit | |
| Badescu et al. | Auto-Gopher: a wireline rotary-hammer ultrasonic drill | |
| Harkness et al. | Architectures for ultrasonic planetary sample retrieval tools | |
| Bar-Cohen et al. | The ultrasonic/sonic driller/corer (USDC) as a subsurface drill, sampler, and lab-on-a-drill for planetary exploration applications | |
| JP5470070B2 (en) | Pile structure, steel pipe pile insertion method | |
| CN105507804B (en) | A kind of ultrasonic activation cord coring drill | |
| RU2503815C1 (en) | Ultrasonic drag head | |
| RU2726495C1 (en) | Device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects | |
| Bai et al. | Development of a rotary-percussive ultrasonic drill using a bolt-clamped type piezoelectric actuator | |
| Badescu et al. | Ultrasonic/sonic Gopher for subsurface ice and brine sampling: analysis and fabrication challenges and testing results | |
| RU2785271C1 (en) | Device for ultrasound drilling of extraterrestrial objects | |
| RU163845U1 (en) | DEVICE FOR RESEARCH OF CAVITATIONAL STRENGTH OF MATERIALS | |
| US3384188A (en) | Sonic method and apparatus for driving a casing utilizing reaming techniques | |
| Rezich et al. | Ultrasonically assisted Blade Technologies for lunar excavation | |
| Badescu et al. | Auto-Gopher-II: an autonomous wireline rotary-hammer ultrasonic drill | |
| Wang et al. | A rotary-percussive ultrasonic drill for planetary rock sampling |