RU2726495C1 - Device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects - Google Patents

Device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects Download PDF

Info

Publication number
RU2726495C1
RU2726495C1 RU2019143844A RU2019143844A RU2726495C1 RU 2726495 C1 RU2726495 C1 RU 2726495C1 RU 2019143844 A RU2019143844 A RU 2019143844A RU 2019143844 A RU2019143844 A RU 2019143844A RU 2726495 C1 RU2726495 C1 RU 2726495C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
drilling
concentrator
working tool
frequency
ultrasonic
Prior art date
Application number
RU2019143844A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Роман Владиславович Барсуков
Дмитрий Владимирович Генне
Виктор Александрович Нестеров
Владимир Николаевич Хмелёв
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ"
Priority to RU2019143844A priority Critical patent/RU2726495C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2726495C1 publication Critical patent/RU2726495C1/en

Links

Images

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21CMINING OR QUARRYING
    • E21C51/00Apparatus for, or methods of, winning materials from extraterrestrial sources

Abstract

FIELD: sampling; soil drilling.SUBSTANCE: invention relates, in particular, to devices for drilling and sampling planets and other celestial bodies with low attraction force. Proposed device comprises working tool (5) with concentrator (6) with resonant length. One of end faces of concentrator (6) is connected to concentrating pad of piezoelectric oscillating system (2). Rotation unit (3) is connected to housing (1) of the oscillating system through elastic element (8). Unit for creation of low-frequency vibrations includes resonant spring (9) and free mass (4). When voltage of ultrasonic frequency (~21 kHz) is applied to piezoelectric elements of system (2), concentrator (6), as well as system, starts oscillating at the same frequency. Amplitude of its oscillations towards tool (5) increases. When interacting with concentrator (6), free mass (4) pressed to it by spring (9) starts to perform low-frequency oscillations, impacting the whole structure. To this, tool (5) rotation is added.EFFECT: technical result consists in increase of speed and depth of drilling, with removal of products of soil destruction along outer walls of working tool.1 cl, 1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам для забора проб грунта, выполнения каналов для крепления посадочных модулей на объекты с малой силой притяжения, 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 to devices for sampling soil, making channels for attaching landing modules to objects with low gravity, 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 внеземных объектов, начиная с решения проблемы закрепления посадочного модуля на космические объекты с малой силой притяжения до забора образцов грунта с необходимой глубины без изменения структуры и состава исследуемого материала или установка датчиков для контроля процессов в грунте, является одной из сложнейших задач при исследовании поверхности других планет [1] и осуществляются путем выполнения отверстий на заданную глубину до нескольких метров.The study of extraterrestrial objects, starting with solving the problem of fixing the lander on space objects with a low force of gravity to taking soil samples from the required depth without changing the structure and composition of the material under study, or installing sensors to monitor processes in the soil, is one of the most difficult tasks when studying the surface of others. planets [1] and are carried out by making holes at a given depth of up to several meters.

Известны устройства ультразвукового бурения внеземных объектов (буры), предназначенные для исследования внеземных грунтов 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 может быть установлен контейнер, в который происходит забор образцов выработанного грунта.Known devices for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects (borax), intended for the study of extraterrestrial soils by making holes of small diameter due to mechanical rotation of the tool [2]. In the known drill, the working tool is made in the form of a drill with a carbide tip. The working tool, rotating with a geared motor, is gradually introduced into the ground and pushes it out. A container can be installed on the surface, into which samples of mined soil are taken.

Основные недостатки известного устройства - большое усилие прижима, что при бурении объектов с малой гравитацией является недопустимым, разогрев зоны бурения, приводящий к улетучиванию воды и легкоплавких материалов в процессе изучении структуры грунта и его анализа. Кроме того, традиционное бурение характеризуется высоким энергопотреблением.The main disadvantages of the known device are a large clamping force, which is unacceptable when drilling objects with low gravity, heating of the drilling zone, leading to the volatilization of water and fusible materials in the process of studying the structure of the soil and analyzing it. In addition, conventional drilling is characterized by high energy consumption.

Для устранения недостатков, обусловленных только вращением, устройства бурения внеземных объектов дополняют колебательным движением с низкой частотой (низкочастотные вибрации).To eliminate the disadvantages caused only by rotation, devices for drilling extraterrestrial objects are supplemented with oscillatory motion with a low frequency (low-frequency vibrations).

Дополнительное вибрационное ударное движение рабочего инструмента позволяет снизить усилия обработки и увеличить скорость бурения. В качестве источников вибрационного движения используются ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи.The additional vibrational percussive movement of the working tool reduces the processing forces and increases the drilling speed. Ultrasonic piezoelectric transducers are used as sources of vibration motion.

Известны ультразвуковые буры, содержащие последовательно установленные и акустически связанные между собой заднюю частотнопонижающую отражающую накладку, пьезоэлектрические кольцевые элементы, рабочую накладку, концентратор, выполненный в виде стержня переменного сечения и рабочий инструмент с внутренней полостью [3, 4].Known ultrasonic drills containing sequentially installed and acoustically connected to each other rear frequency-reducing reflective pad, piezoelectric ring elements, working pad, concentrator made in the form of a rod of variable cross-section and a working tool with an internal cavity [3, 4].

Из известных устройств ультразвукового бурения внеземных объектов, наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, принятое за прототип [5], содержащее размещенную в корпусе пьезоэлектрическую колебательную систему, состоящую из последовательно установленных и акустически связанных между собой отражающей накладки, пьезоэлектрических элементов и концентрирующей накладки с рабочим инструментом заданной формы, узел вращения рабочего инструмента, узел создания низкочастотных вибраций, состоящий из свободной массы, контактирующей с колеблющимся рабочим окончанием пьезоэлектрической колебательной системы, вращающийся от узла вращения шток, который насквозь проходит через пьезоэлектрическую колебательную систему и приводит во вращение жестко связанный с ним рабочий инструмент, свободную массу, выполненную в виде диска с отверстием, через которую так же проходит вращающийся шток, находящуюся между вращающимся рабочим инструментом и колеблющимся рабочим окончанием концентрирующей накладки.Of the known devices for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects, the closest in technical essence to the proposed device is a device taken as a prototype [5], containing a piezoelectric oscillatory system placed in a housing, consisting of sequentially installed and acoustically interconnected reflective plates, piezoelectric elements and concentrating lining with a working tool of a given shape, a unit for rotating a working tool, a unit for creating low-frequency vibrations, consisting of a free mass in contact with an oscillating working end of a piezoelectric oscillatory system, a rod rotating from a rotation unit, which passes through the piezoelectric oscillatory system and drives rigidly connected with it a working tool, a free mass made in the form of a disk with a hole through which a rotating rod also passes, located between the rotating working tool and the oscillating working the end of the concentrating pad.

Отличительная особенность прототипа от известных устройств ультразвукового бурения заключается в том, что при выполнении бурения рабочий инструмент прототипа совершает одновременно вращательные и колебательные низкочастотные движения, создаваемые при помощи пьезоэлектрической колебательной системы и узла создания низкочастотных вибраций, состоящего из свободной массы, совершающей низкочастотные колебания и находящейся при этом между вращающимся рабочим инструментом и колеблющимся рабочим окончанием концентрирующей накладки на одном вращающемся штоке.A distinctive feature of the prototype from the known ultrasonic drilling devices is that when drilling is performed, the working tool of the prototype simultaneously performs rotational and vibrational low-frequency movements, created using a piezoelectric oscillatory system and a unit for creating low-frequency vibrations, consisting of a free mass that performs low-frequency vibrations and is located at this between the rotating working tool and the oscillating working end of the concentrating pad on one rotating rod.

Ударное воздействие позволяет разрушать грунт, а вращательное движение, кроме разрушения грунта, обеспечивает его подъем на поверхность. Это позволяет обеспечить быстрое бурение на глубину, большую, чем при использовании аналогов.The shock effect allows the soil to be destroyed, and the rotational movement, in addition to the destruction of the soil, ensures its rise to the surface. This allows for fast drilling to a depth greater than when using analogues.

Одновременное применение ударного вибрационного и вращательного движения рабочего инструмента призвано обеспечить возможность бурения любых по свойствам грунтов.The simultaneous use of shock vibration and rotary motion of the working tool is designed to provide the possibility of drilling any soil in terms of properties.

Основной недостаток прототипа обусловлен неэффективным использованием энергии ультразвуковых колебаний, создаваемых пьезоэлектрической колебательной системой, поскольку:The main disadvantage of the prototype is due to the ineffective use of the energy of ultrasonic vibrations created by the piezoelectric oscillatory system, since:

- ультразвуковые колебания пьезопреобразователя используются только в качестве привода для создания вибрационного движения свободной массы, совершающей колебания с низкой частотой (1…10 Гц). При этом ультразвуковые колебания практически не передаются на рабочий инструмент прототипа;- ultrasonic vibrations of the piezoelectric transducer are used only as a drive to create a vibration motion of a free mass that vibrates at a low frequency (1 ... 10 Hz). In this case, ultrasonic vibrations are practically not transmitted to the working tool of the prototype;

- ультразвуковые колебания пьезопреобразователя не используются непосредственно в процессе бурения, поскольку рабочий инструмент не имеет стабильной акустической и механической связи с пьезоэлектрической колебательной системой.- ultrasonic vibrations of the piezoelectric transducer are not used directly in the drilling process, since the working tool does not have a stable acoustic and mechanical connection with the piezoelectric oscillatory system.

Кроме того, устройство, принятое за прототип, не может работать эффективно в горизонтальном положении, а так же в любом положении, в условиях низкой гравитации, поскольку колебания свободной массы возможны только при ее контакте с работающей пьезоэлектрической колебательной системой, что возможно только при вертикальном расположении бура и при достаточной величине силы притяжения.In addition, the device, taken as a prototype, cannot work effectively in a horizontal position, as well as in any position, in low gravity conditions, since oscillations of the free mass are possible only when it comes into contact with a working piezoelectric oscillatory system, which is possible only with a vertical arrangement borax and with a sufficient value of the force of gravity.

К сожалению, даже одновременное применение ударного и вращательного движения рабочего инструмента не позволяет осуществлять бурение различных по свойствам грунтов с равной эффективностью.Unfortunately, even the simultaneous use of the percussion and rotational movement of the working tool does not allow drilling soils with different properties with equal efficiency.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков прототипа и создание устройства ультразвукового бурения внеземных объектов, способного обеспечить повышение скорости бурения практически любых по свойствам грунтов внеземных объектов.The proposed technical solution is aimed at eliminating the indicated disadvantages of the prototype and creating a device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects, capable of increasing the drilling speed of almost any extraterrestrial objects in terms of soil properties.

Суть технического решения заключается в том, что в предлагаемом устройстве ультразвукового бурения внеземных объектов, содержащем размещенную в корпусе пьезоэлектрическую колебательную систему, состоящую из последовательно установленных и акустически связанных между собой отражающей накладки, пьезоэлектрических элементов и концентрирующей накладки с рабочим инструментом заданной формы, узел вращения рабочего инструмента, узел создания низкочастотных вибраций, состоящий из свободной массы, рабочий инструмент которого выполнен резонансным, механически и акустически соединен с одной из торцевых поверхностей концентратора резонансной длины, причем вторая торцевая поверхность концентратора, присоединяется к концентрирующей накладке пьезоэлектрической колебательной системы и имеет диаметр, превосходящий диаметр выходного участка концентрирующей накладки, узел вращения соединен с корпусом колебательной системы через эластичный соединительный элемент, узел создания низкочастотных вибраций выполнен в виде пружины, внутренний диаметр которой превосходит диаметр цилиндрической части концентрирующей накладки, свободная масса выполнена кольцевой формы с внутренним диаметром, соответствующим диаметру цилиндрического участка концентрирующей накладки, размещена на внешней поверхности выходного участка концентрирующей накладки, одной из плоских поверхностей акустически связана с выступающей торцевой поверхностью концентратора, второй стороной с пружиной, противоположная сторона которой механически связана с регулировочной шайбой.The essence of the technical solution lies in the fact that in the proposed device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects, containing a piezoelectric oscillatory system located in the housing, consisting of sequentially installed and acoustically interconnected reflective pads, piezoelectric elements and a concentrating pad with a working tool of a given shape, a working rotation unit of a tool, a unit for creating low-frequency vibrations, consisting of a free mass, the working tool of which is made resonant, mechanically and acoustically connected to one of the end surfaces of the concentrator of resonance length, and the second end surface of the concentrator is connected to the concentrating pad of the piezoelectric oscillatory system and has a diameter that exceeds the diameter the output section of the concentrating pad, the rotation unit is connected to the oscillating system body through an elastic connecting element, the unit for creating low-frequency vibrations is made ln in the form of a spring, the inner diameter of which exceeds the diameter of the cylindrical part of the concentrating pad, the free mass is made of an annular shape with an inner diameter corresponding to the diameter of the cylindrical section of the concentrating pad, placed on the outer surface of the outlet section of the concentrating pad, one of the flat surfaces is acoustically connected to the protruding end surface concentrator, the second side with a spring, the opposite side of which is mechanically connected to the adjusting washer.

Технический результат выражается в создании устройства ультразвукового бурения, позволяющего обеспечить эффективное бурение за счет комплексного применения механизмов воздействия на объект в процессе его разрушения и удаления продуктов разрушения грунта вдоль внешних стенок рабочего инструмента, обеспечив при этом максимальную скорость бурения любых фунтов, на заданную глубину в условиях низкой гравитации.The technical result is expressed in the creation of an ultrasonic drilling device, which allows to ensure effective drilling due to the complex application of mechanisms for influencing the object in the process of its destruction and removal of soil destruction products along the outer walls of the working tool, while ensuring the maximum drilling speed of any pounds, to a given depth under conditions low gravity.

Этот результат достигается за счет того, что рабочий инструмент, непосредственно, либо через прослойку из абразивных зерен осуществляет механическое воздействие на объект с ультразвуковой частотой. Такое воздействие не требует усилий прижима, исключает нагрев в зоне бурения и позволяет бурить любые материалы. Необходимость снижения степени демпфирования рабочего инструмента продуктами износа, возрастающей с увеличением глубины бурения, а также необходимость удаления продуктов износа из зоны бурения обеспечиваются приданием дополнительного вращения и механического ударного воздействия. Наличие трех, одновременно действующих факторов (ультразвук, ударное воздействие и вращение) дает существенное увеличение скорости бурения твердых материалов, таких как мрамор и граниты.This result is achieved due to the fact that the working tool, directly or through an interlayer of abrasive grains, carries out a mechanical effect on the object with an ultrasonic frequency. This effect does not require pressing forces, eliminates heating in the drilling zone and allows drilling any material. The need to reduce the degree of damping of the working tool by wear products, which increases with increasing drilling depth, as well as the need to remove wear products from the drilling zone, are provided by giving additional rotation and mechanical impact. The presence of three simultaneously acting factors (ultrasound, impact and rotation) gives a significant increase in the speed of drilling in hard materials such as marble and granite.

Предлагаемое техническое решение позволяет исключать даже кратковременный отрыв инструмента от пьезопреобразователя, что обеспечивает возможность непрерывного контроля обрабатываемых сред в процессе бурения по изменению параметров пьезоэлектрической колебательной системы.The proposed technical solution makes it possible to exclude even a short-term separation of the tool from the piezoelectric transducer, which ensures the possibility of continuous monitoring of the processed media during drilling by changing the parameters of the piezoelectric oscillatory system.

Сущность предлагаемого технического решения и принцип его работы поясняются Фиг. 1, на которой схематично представлено предлагаемое устройство ультразвукового бурения внеземных объектов.The essence of the proposed technical solution and the principle of its operation are illustrated in Fig. 1, which schematically shows the proposed device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects.

Предлагаемое устройство ультразвукового бурения состоит из размещенной в корпусе 1 пьезоэлектрической колебательной системы 2, состоящей из последовательно установленных и акустически связанных между собой отражающей накладки, пьезоэлектрических элементов и концентрирующей накладки с рабочим инструментом заданной формы, узла вращения рабочего инструмента 3, узла создания низкочастотных вибраций, состоящего из свободной массы 4. Рабочий инструмент 5 выполнен резонансной длины, механически и акустически соединен с одной из торцевых поверхностей концентратора 6 резонансной длины, причем вторая торцевая поверхность концентратора 6, присоединяется к концентрирующей накладке пьезоэлектрической колебательной системы 2 и имеет диаметр, превосходящий диаметр выходного участка концентрирующей накладки, узла вращения 3, соединяется с корпусом колебательной системы 1 через эластичный соединительный элемент 8, а узел создания низкочастотных вибраций состоит из пружины 9, внутренний диаметр которой превосходит диаметр цилиндрической части концентрирующей накладки и свободной массы, выполненной в форме кольца с внутренним диаметром, соответствующим диаметру цилиндрического участка концентрирующей накладки. Свободная масса 4 размещена на внешней поверхности выходного участка концентрирующей накладки, одной из плоских поверхностей акустически связана с выступающей торцевой поверхностью концентратора 6, второй стороной с пружиной 9, противоположная сторона которой механически связана с регулировочной шайбой 10. Внутри крышки корпуса 11 размещены регулировочная шайба 10, пружина 9, свободная масса 4, фторопластовая цилиндрическая вставка 12. Кабельный ввод 13 предназначен для подвода питающего напряжения к пьезоэлектрическим элементам колебательной системы 2. Уплотнительные кольцевые прокладки 14 обеспечивают герметичность корпуса преобразователя 1.The proposed device for ultrasonic drilling consists of a piezoelectric oscillatory system 2 located in the housing 1, consisting of sequentially installed and acoustically interconnected reflective pads, piezoelectric elements and a concentrating pad with a working tool of a given shape, a working tool rotation unit 3, a unit for creating low-frequency vibrations, consisting of from free mass 4. The working tool 5 is made of resonant length, mechanically and acoustically connected to one of the end surfaces of the concentrator 6 of the resonant length, and the second end surface of the concentrator 6 is connected to the concentrating patch of the piezoelectric oscillatory system 2 and has a diameter that exceeds the diameter of the outlet section of the concentrating lining, rotation unit 3, is connected to the body of the oscillating system 1 through an elastic connecting element 8, and the unit for creating low-frequency vibrations consists of a spring 9, the inner diameter of which exceeds the diameter of the cylindrical part of the concentrating pad and the free mass made in the form of a ring with an inner diameter corresponding to the diameter of the cylindrical portion of the concentrating pad. Free mass 4 is placed on the outer surface of the outlet section of the concentrating pad, one of the flat surfaces is acoustically connected to the protruding end surface of the concentrator 6, the second side is with a spring 9, the opposite side of which is mechanically connected to an adjusting washer 10. An adjusting washer 10 is located inside the housing cover 11, spring 9, free mass 4, fluoroplastic cylindrical insert 12. Cable gland 13 is designed to supply the supply voltage to the piezoelectric elements of the oscillating system 2. O-ring gaskets 14 ensure the tightness of the converter housing 1.

Устройство ультразвукового бурения работает следующим образом. При подаче электрического напряжения ультразвуковой частоты и определенной величины на пьезоэлектрические элементы колебательной системы 2, размещаемый в корпусе 1, она начинает совершать продольные механические колебания с частотой около 21 кГц. Соединенный механически (при помощи шпильки 7) с пьезоэлектрической колебательной системой 2 концентратор 6, так же начинает колебаться с той же частотой, причем амплитуда колебаний концентратора, по мере изменения его сечения (от большего к меньшему) возрастает, т.е. концентратор 6 дополнительно усиливает амплитуду механических колебаний, получаемую на выходе пьезоэлектрической колебательной системы 2.The ultrasonic drilling device works as follows. When an electric voltage of ultrasonic frequency and a certain value is applied to the piezoelectric elements of the oscillating system 2, located in the housing 1, it begins to perform longitudinal mechanical vibrations with a frequency of about 21 kHz. The concentrator 6, connected mechanically (with the help of a pin 7) to the piezoelectric oscillatory system 2, also begins to oscillate with the same frequency, and the amplitude of the oscillations of the concentrator, as its cross section changes (from larger to smaller), increases, i.e. the concentrator 6 further enhances the amplitude of mechanical vibrations obtained at the output of the piezoelectric oscillatory system 2.

Наличие концентратора 6 и активного рабочего инструмента 5 позволяет получить на рабочей кромке инструмента 5 амплитуду механических колебаний около 70 мкм. В процессе сверления рабочий инструмент непрерывно воздействует на объект именно с такой амплитудой и частотой, разрушая его.The presence of the concentrator 6 and the active working tool 5 makes it possible to obtain an amplitude of mechanical vibrations of about 70 μm on the working edge of the tool 5. In the process of drilling, the working tool continuously acts on the object with exactly this amplitude and frequency, destroying it.

При наличии ультразвуковых колебаний в элементах устройства ультразвукового бурения (в процессе его работы) свободная масса 4, прижимаемая пружиной 9 к выступающей части концентратора 6 начинает совершать низкочастотные колебания вдоль оси устройства ультразвукового бурения, ударно воздействуя при этом на всю конструкцию устройства.In the presence of ultrasonic vibrations in the elements of the ultrasonic drilling device (during its operation), the free mass 4, pressed by the spring 9 to the protruding part of the concentrator 6, begins to perform low-frequency vibrations along the axis of the ultrasonic drilling device, impacting the entire structure of the device.

Колебания свободной массы 4 возникают за счет ее периодического отскока от колеблющейся, с ультразвуковой частотой, выступающей части концентратора 6. Периодичность отскока свободной массы 4, а так же величина импульса, который передается от свободной массы к конструкции устройства ультразвукового бурения, определяется параметрами свободной массы и силой ее прижатия к концентратору 6 пружиной 9. Усилие прижатия свободной массы к выступающей части можно изменять при помощи регулировочной шайбы 10, толщина которой задает величину сжатия пружины 9. Фторопластовая втулка 12 исключает заклинивание свободной массы в процессе ее вибраций внутри крышки корпуса 11.Oscillations of the free mass 4 arise due to its periodic rebound from the oscillating, with ultrasonic frequency, protruding part of the concentrator 6. The frequency of the rebound of the free mass 4, as well as the magnitude of the pulse that is transmitted from the free mass to the structure of the ultrasonic drilling device, is determined by the parameters of the free mass and the force of its pressing against the concentrator 6 by the spring 9. The force of pressing the free mass to the protruding part can be changed using an adjusting washer 10, the thickness of which sets the amount of compression of the spring 9. The fluoroplastic sleeve 12 prevents the free mass from jamming during its vibrations inside the housing cover 11.

В результате ударного низкочастотного воздействия свободной массы 4 на всю конструкцию устройства ультразвукового бурения обеспечиваются ее дополнительные низкочастотные вибрационные колебания с амплитудой, в десятки раз превышающей амплитуду ультразвукового воздействия на объект рабочим инструментом 5, что обеспечивает дополнительный прирост производительности процесса бурения.As a result of the shock low-frequency effect of the free mass 4 on the entire structure of the ultrasonic drilling device, its additional low-frequency vibration vibrations are provided with an amplitude ten times higher than the amplitude of the ultrasonic action on the object by the working tool 5, which provides an additional increase in the productivity of the drilling process.

Узел вращения рабочего инструмента 3 в дополнении к УЗ воздействию и низкочастотным вибрациям устройства ультразвукового бурения обеспечивает периодический проворот всей конструкции устройства, что, при наличии специальной (зубчатой) рабочей кромки ультразвукового инструмента 5, обеспечивает дополнительный прирост производительности процесса бурения.The rotation unit of the working tool 3, in addition to the ultrasonic effect and low-frequency vibrations of the ultrasonic drilling device, provides periodic rotation of the entire structure of the device, which, in the presence of a special (toothed) working edge of the ultrasonic tool 5, provides an additional increase in the productivity of the drilling process.

В процессе работы устройства ультразвукового бурения его рабочий инструмент совершает непрерывное ударное воздействие своей рабочей кромкой на разрушаемый объект с ультразвуковой частотой (около 21 кГц). При таком механизме воздействия, частички разрушаемого материала, являющиеся продуктами износа, имеют размер менее 10 мкм. При таком размере частиц они могут свободно удаляться из зоны сверления через боковой зазор между поверхностью рабочего инструмента и стенкой выполняемого канала. Колеблющаяся боковая поверхность рабочего инструмента способствует процессу удаления продуктов износа из зоны сверления. Низкочастотные, более амплитудные колебания рабочего инструмента, выкалывают более крупные частицы разрушаемого материала, которые дополнительно дробятся ультразвуковыми колебаниями рабочей кромки инструмента до более мелких, которые так же эффективно удаляются из зоны сверления. Вращение устройства ультразвукового бурения, так же способствует дополнительному разрушению объекта в зоне его бурения при наличии зубчатой поверхности на кромке рабочего инструмента, обеспечивая при этом выкалывание крупных частиц, которые так же дробятся УЗ колебаниями до более мелких и эффективно выводятся из зоны сверления. Наличие вращения способствует подъему продуктов износа из зоны сверления на поверхность разрушаемого объекта.During the operation of the ultrasonic drilling device, its working tool makes a continuous impact with its working edge on the destroyed object with an ultrasonic frequency (about 21 kHz). With this mechanism of action, the particles of destructible material, which are wear products, have a size of less than 10 microns. With this size of particles, they can be freely removed from the drilling zone through the lateral gap between the surface of the working tool and the wall of the channel being made. The oscillating side surface of the working tool facilitates the process of removing wear debris from the drilling zone. Low-frequency, higher-amplitude vibrations of the working tool gouge out larger particles of destroyed material, which are additionally crushed by ultrasonic vibrations of the working edge of the tool to smaller ones, which are also effectively removed from the drilling zone. The rotation of the ultrasonic drilling device also contributes to additional destruction of the object in the zone of its drilling in the presence of a toothed surface on the edge of the working tool, while ensuring the gouging of large particles, which are also crushed by ultrasonic vibrations to smaller ones and are effectively removed from the drilling zone. The presence of rotation contributes to the rise of wear products from the drilling zone to the surface of the destroyed object.

Для исследования функциональных возможностей предлагаемого устройства были проведены экспериментальные исследования производительности бурения различных материалов прототипом и предлагаемым устройством, результаты которых представлены в таблице 1.To study the functionality of the proposed device, experimental studies of the productivity of drilling various materials were carried out by the prototype and the proposed device, the results of which are presented in Table 1.

Figure 00000001
Figure 00000001

Результаты экспериментальных исследований подтверждают эффективность предложенного устройства в сравнении с прототипом, поскольку, в среднем производительность предлагаемого устройства выше производительности прототипа (при бурении указанных в таблице материалов и при прочих равных условиях) на 50-55%.The results of experimental studies confirm the effectiveness of the proposed device in comparison with the prototype, since, on average, the productivity of the proposed device is higher than the productivity of the prototype (when drilling the materials indicated in the table and other things being equal) by 50-55%.

Предложенное устройство ультразвукового бурения внеземных объектов позволило реализовать комплексное воздействие на объект (задействовать все три механизма бурения) УЗ колебаниями высокой интенсивности (амплитуда ультразвуковых механический воздействий около 70 мкм), дополнительным наложением на рабочую кромку ультразвукового бура низкочастотных высокоамплитудных вибраций, реализованных без отрыва инструмента от колебательной системы и псевдовращательного движения.The proposed device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects made it possible to implement a complex effect on the object (to use all three drilling mechanisms) by ultrasonic vibrations of high intensity (the amplitude of ultrasonic mechanical effects is about 70 microns), additional superposition of low-frequency high-amplitude vibrations on the working edge of the ultrasonic drill, implemented without detaching the tool from the vibrational system and pseudo-rotational movement.

Предложенное устройство ультразвукового бурения внеземных объектов 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 device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects has been successfully tested in the laboratory of acoustic processes and devices of the Biysk Technological Institute (branch) of the Altai State Technical University and the small innovative enterprise LLC "Center for Ultrasonic Technologies AltGTU".

Работа выполнена в рамках гранта РФФИ ГФЕН_а №19-52-53018.The work was carried out within the framework of the RFBR grant GFEN_a No. 19-52-53018.

Список литературыList of references

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: IPC7 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 (Japan) patentee: NEC Corporation (Japan) application: 08 / 827.496 dated 03.28.1997. Published: 31.10.2000.

3. Self mountable and extractable ultrasonic/sonic anchor [Текст]: пат. 7156189 США: МПК Е21С 37/02; А61В 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; H02N 2/00 / Bar-Cohen Yoseph (USA) Sherrit Stewart (USA) patentee: The United States of America as represented by the Administrator of the National Aeronautics and Space Administration (USA) application: 11 / 001,465 from 01.12.2004. Published: 02.01.2007.

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: IPC7 E21B 7/24; E21B 25/00; E21B 7/00; E21B 25/00; E21B 7/24; E21B 49/02 / Bar-cohen Yoseph (USA) Sherrit Stewart (USA) Dolgin Benjamin (USA) Bao Xiaoqi (USA) Askins Stephen (USA) Application: 10/304192 dated November 27, 2002. Published: 29.11.2005.

5. Ultrasonic rotary-hammer drill [Текст]: пат. 7740088 США: Е21В 10/36 /Yoseph Bar-Cohen (США) Sherrit Stewart (США) Bao Xiaoqi (США) Mircea Badescu (США) Steve Kassab (США) заявка: 11/928069 от 30.09.2007. публиковано: 22.06.2010.5. Ultrasonic rotary-hammer drill [Text]: US Pat. 7740088 USA: Е21В 10/36 / Yoseph Bar-Cohen (USA) Sherrit Stewart (USA) Bao Xiaoqi (USA) Mircea Badescu (USA) Steve Kassab (USA) Application: 11/928069 from 30.09.2007. published: 22.06.2010.

Claims (1)

Устройство ультразвукового бурения внеземных объектов, содержащее размещенную в корпусе пьезоэлектрическую колебательную систему, состоящую из последовательно установленных и акустически связанных между собой отражающей накладки, пьезоэлектрических элементов и концентрирующей накладки с рабочим инструментом заданной формы, узел вращения рабочего инструмента, узел создания низкочастотных вибраций, содержащий свободную массу, отличающееся тем, что рабочий инструмент выполнен резонансным, механически и акустически соединен к одной из торцевых поверхностей концентратора резонансной длины, причем вторая торцевая поверхность концентратора присоединена к концентрирующей накладке пьезоэлектрической колебательной системы и имеет диаметр, превосходящий диаметр выходного участка концентрирующей накладки, узел вращения соединен с корпусом колебательной системы через эластичный соединительный элемент, узел создания низкочастотных вибраций включает в себя пружину, внутренний диаметр которой превосходит диаметр цилиндрической части концентрирующей накладки, свободная масса выполнена кольцевой формы с внутренним диаметром, соответствующим диаметру цилиндрического участка концентрирующей накладки, размещена на внешней поверхности выходного участка концентрирующей накладки, одной из плоских поверхностей акустически связана с выступающей торцевой поверхностью концентратора, а второй стороной - с пружиной, противоположная сторона которой механически связана с регулировочной шайбой.A device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects, containing a piezoelectric oscillatory system located in a housing, consisting of sequentially installed and acoustically interconnected reflective pads, piezoelectric elements and a concentrating pad with a working tool of a given shape, a working tool rotation unit, a unit for creating low-frequency vibrations containing free mass , characterized in that the working tool is made resonant, mechanically and acoustically connected to one of the end surfaces of the resonant length concentrator, and the second end surface of the concentrator is connected to the concentrating pad of the piezoelectric oscillatory system and has a diameter that exceeds the diameter of the outlet section of the concentrating pad, the rotation unit is connected to the body of the oscillating system through an elastic connecting element, the unit for creating low-frequency vibrations includes a spring, the inner diameter of which is greater than is the diameter of the cylindrical part of the concentrating pad, the free mass is made of an annular shape with an inner diameter corresponding to the diameter of the cylindrical section of the concentrating pad, located on the outer surface of the outlet section of the concentrating pad, one of the flat surfaces is acoustically connected to the protruding end surface of the concentrator, and the other side - with a spring , the opposite side of which is mechanically connected to the adjusting washer.
RU2019143844A 2019-12-23 2019-12-23 Device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects RU2726495C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019143844A RU2726495C1 (en) 2019-12-23 2019-12-23 Device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019143844A RU2726495C1 (en) 2019-12-23 2019-12-23 Device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2726495C1 true RU2726495C1 (en) 2020-07-14

Family

ID=71616440

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019143844A RU2726495C1 (en) 2019-12-23 2019-12-23 Device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2726495C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111844491A (en) * 2020-07-25 2020-10-30 黎明职业大学 Improved complex frequency numerical control ultrasonic machining method and numerical control machining machine tool
RU2785271C1 (en) * 2022-08-29 2022-12-05 Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ" Device for ultrasound drilling of extraterrestrial objects

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2651148A (en) * 1949-11-23 1953-09-08 Raytheon Mfg Co Ultrasonic vibratory device
US3619671A (en) * 1969-12-29 1971-11-09 Branson Instr Transducer for ultrasonic machine tool
US6968910B2 (en) * 2001-12-20 2005-11-29 Yoseph Bar-Cohen Ultrasonic/sonic mechanism of deep drilling (USMOD)
US7740088B1 (en) * 2007-10-30 2010-06-22 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Ultrasonic rotary-hammer drill
RU2598947C1 (en) * 2015-08-10 2016-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ" Ultrasonic drill

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2651148A (en) * 1949-11-23 1953-09-08 Raytheon Mfg Co Ultrasonic vibratory device
US3619671A (en) * 1969-12-29 1971-11-09 Branson Instr Transducer for ultrasonic machine tool
US6968910B2 (en) * 2001-12-20 2005-11-29 Yoseph Bar-Cohen Ultrasonic/sonic mechanism of deep drilling (USMOD)
US7740088B1 (en) * 2007-10-30 2010-06-22 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Ultrasonic rotary-hammer drill
RU2598947C1 (en) * 2015-08-10 2016-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ" Ultrasonic drill

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111844491A (en) * 2020-07-25 2020-10-30 黎明职业大学 Improved complex frequency numerical control ultrasonic machining method and numerical control machining machine tool
CN111844491B (en) * 2020-07-25 2021-10-08 黎明职业大学 Improved complex frequency numerical control ultrasonic machining method and numerical control machining machine tool
RU2785271C1 (en) * 2022-08-29 2022-12-05 Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ" Device for ultrasound drilling of extraterrestrial objects

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3633688A (en) Torsional rectifier drilling device
CN105464588B (en) A kind of ultrasonic activation detritus experimental provision and experimental technique
US7824247B1 (en) Portable rapid and quiet drill
US7591343B2 (en) Apparatuses for generating acoustic waves
RU2301317C2 (en) Method and device for geological bed drilling
US6968910B2 (en) Ultrasonic/sonic mechanism of deep drilling (USMOD)
RU2726495C1 (en) Device for ultrasonic drilling of extraterrestrial objects
US8640786B2 (en) Percussive augmenter of rotary drills for operating as a rotary-hammer drill
WO2020029429A1 (en) Vibration assembly, cosmetic device having same and using method thereof
NO20140432A1 (en) System and method for cleaning a drill bit
Badescu et al. Auto-Gopher: a wireline rotary-hammer ultrasonic drill
Bar-Cohen et al. Ultrasonic/sonic drilling/coring (USDC) for planetary applications
CA2836699C (en) Downhole sinusoidal vibrational apparatus
JP3680941B2 (en) Concrete drill
RU2598947C1 (en) Ultrasonic drill
RU2785271C1 (en) Device for ultrasound drilling of extraterrestrial objects
Sherrit et al. Modeling of the ultrasonic/sonic driller/corer: USDC
US2831668A (en) Ultrasonic stone cutting device
CN204532071U (en) Utilize the auxiliary detritus device of liquid cavitation effect
RU2503815C1 (en) Ultrasonic drag head
US20070064539A1 (en) Generating acoustic waves
Badescu et al. Auto-Gopher-II: a wireline rotary-hammer ultrasonic drill that operates autonomously
Rezich et al. Ultrasonically assisted Blade Technologies for lunar excavation
ES2881324T3 (en) Procedure and device to generate a vibratory movement of a mass
Badescu et al. Auto-Gopher: a wireline deep sampler driven by piezoelectric percussive actuator and EM rotary motor