Моделирование ударного воздействия ультразвукового бура в составе роботизированной платформы для исследования грунта на небесных телах
Автор: Некрасов С.Г., Перминов С.В., Гусев Е.В., Кодкин В.Л., Телегин А.И.
Рубрика: Управление в технических системах
Статья в выпуске: 3 т.24, 2024 года.
Бесплатный доступ
В статье рассматриваются теоретические вопросы разработки ультразвукового бура для проведения бурения грунта на небесных телах в составе роботизированной платформы и формулируются задачи ее управления. Специфика применения бура предполагает широкий диапазон температур при эксплуатации, малое потребление энергии, эффективный рабочий цикл и требование обеспечения сохранности структуры и состава грунта при воздействии на него инструмента. Одним из перспективных направлений разработки являются устройства с вибрационной развязкой от грунта по ультразвуку за счет трансформации ультразвуковых колебаний в повторяющиеся удары звуковой частоты с помощью специально введенного «свободного» тела между ультразвуковой и ударной частью бура (бит). Это позволяет проводить непрерывное бурение независимо от состояния ударного бита, включая его заклинивание. Цель работы состоит в выборе наиболее эффективной конструкции бура и составлении математической модели, обеспечивающей проведение имитационного моделирования.
Грунт, ультразвук, удар, бурение, пьезоэлектрический привод, трансформация колебаний, уравнения движения, автоколебания, имитационная модель, программный комплекс
Короткий адрес: https://sciup.org/147244598
IDR: 147244598 | УДК: 621.95.048, | DOI: 10.14529/ctcr240304
Simulation of the impact of an ultrasonic drill as a composition of a robotic platform for investigation of soil on celestial bodies
The article discusses the theoretical issues of developing an ultrasonic drill for drilling soil on celestial bodies as part of a robotic platform and formulates the tasks of its control. The specifics of using the drill require a wide temperature range during operation, low energy consumption, an efficient operating cycle and the requirement to ensure the preservation of the structure and composition of the soil when exposed to the tool. One of the promising areas of development is devices with vibration decoupling from the ground by ultrasound due to the transformation of ultrasonic vibrations into repeated impacts of sound frequency using a specially introduced “free” body between the ultrasonic and impact parts of the drill (bit). This allows continuous drilling regardless of the condition of the impact bit, including jamming. The purpose of the work is to select the most effective drill design and compile a mathematical model that provides simulation modeling.
Список литературы Моделирование ударного воздействия ультразвукового бура в составе роботизированной платформы для исследования грунта на небесных телах
- Патент RU 2111900. Пенетратор для исследования поверхности небесных тел / Ю.П. Акулов, 1998.
- Pat. US 6863136 B2. Smart Ultrasonic/Sonic Driller/Corer (SUSDC) / Y. Bar-Cohen, S. Sherrit, B. Dolgin, X. Bao, 2005.
- Pat. US 6968910 B2. Ultrasonic/sonic mechanism of deep drilling (USMOD) / Y. Bar-Cohen, S. Sherrit, B. Dolgin, X. Bao, 2005.
- Pat. US 7156189 B1. Self mountable and extractable ultrasonic/sonic anchor / Y. Bar-Cohen, S. Sherrit, 2007.
- Pat. US 8640786 B2. Percussive augmenter of rotary drills for operating as a rotary–hammer drill / J.B. Aldrich, Y. Bar-Cohen et al., 2014.
- Патент RU 2598947. Ультразвуковой бур / Д.В. Генне, В.И. Костенко, И.Г. Митрофанов и др., 2016.
- Патент RU 2503815. Ультразвуковое грунтозаборное устройство / Д.В. Генне, В.И. Костенко, И.Г. Митрофанов и др., 2018.
- Modeling and Computer Simulation of Ultrasonic/Sonic Driller/Corer (USDC) / X. Bao, Y. Bar- Cohen, Z. Chang, S. Sherrit // IEEE Transactions of Ultrasonics, Sonics and Frequency Control. 2003. Vol. 50 (9). P. 1147–1160. DOI: 10.1109/tuffc.2003.1235326
- Subsurface sampler and sensors platform using the ultrasonic/sonic driller/corer (USDC) / Y. Bar-Cohen, S. Sherrit, X. Bao, M. Badescu // Paper 6529–18, Proceedings of the SPIE Smart Structures and Materials Symposium. San Diego, CA, March 19–22, 2007. P. 1–7. DOI: 10.1117/12.715048
- Ultrasonic/sonic drilling/coring (USDC) for planetary applications / Y. Bar-Cohen, S. Sherrit, B. Dolgin et al. // Smart Structures and Materials 2001: Smart Structures and Integrated Systems. 2001. Vol. 4327. P. 441–449. DOI: 10.1117/12.436556
- Design and analysis of ultrasonic actuator in consideration of length-reduction for a USDC (Ultrasonic/Sonic Driller/Corer) / Z. Chang, S. Sherrit, M. Badescu et al. // Proceedings of the SPIE Smart Structures Conference. 2005. Vol. 5762 (10). P. 563–571. DOI: 10.1117/12.598851
- Sherrit S., Bar-Cohen Y., Dolgin B. Modeling of horns for sonic/ultrasonic applications // Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium. 1999. Vol. 1. P. 647–651. DOI: 10.1109/ULTSYM.1999.849482
- Harkness P., Lucas M., Cardoni A. Maximization of the Effective Impulse Delivered by a High- Frequency/Low-Frequency Planetary Drill Tool // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2011. Vol. 58, no. 11. P. 2387–2396. DOI: 10.1109/TUFFC.2011.2096
- Повышение эффективности работы ультразвуковой вибрационной системы для кавитационной обработки жидкости / В.Н. Хмелев, В.А. Нестеров, А.В. Шалунов, С.Н. Циганок // Международная конференция и семинар по микро/нанотехнологиям и электронным устройствам EDM 2018. Новосибирск: НГТУ, 2018. С. 287–291.
- Хмелев В.Н., Нестеров В.А., Генне Д.В. Разработка ультразвуковой колебательной системы для бурения лунного грунта // 20 Международная конференция-семинар молодых специалистов по микро- и нанотехнологиям и электронным устройствам EDM 2019. Новосибирск: НГТУ, 2019. С. 174–186.
- Ганиев Р. Марсоход InSight перестал бурить скважину на Марсе. Что произошло? URL: https://hi-news.ru/technology/marsoxod-insight-perestal-burit-skvazhinu-na-marse-chto-proizoshlo.html (дата обращения: 04.04.2024).
- Некрасов С.Г., Перминов С.В. Модель вибратора для проектирования вибромашин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2021. Т. 21, № 4. С. 15–25. DOI: 10.14529/engin210402
- Кикучи Е. Ультразвуковые преобразователи: пер. с англ. / под ред. Е. Кикучи. М.: Мир, 1972. 424 с.
- Прочность. Устойчивость. Колебания: справ.: в 3 т. Т. 1 / под общ. ред. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко. М.: Машиностроение, 1968. 821 c.
- Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара. М.: Наука, 1977. 224 с.
- Кочетков А.В., Федотов П.В. Некоторые вопросы теории удара // Интернет-журнал «Науковедение», 2013. № 5. С. 1–15. Available at: https://naukovedenie.ru/PDF/110tvn513.pdf (дата обращения: 04.04.2024).
- Некрасов С.Г. Измерение количества растворенного газа в жидкости на основе резонансных характеристик высокодобротной электромеханической системы с локализованной кавитационной нагрузкой // Известия Челябинского научного центра УрО РАН. 2007. № 3. C. 38–44.
- Блехман И.И., Джанелидзе Г.Ю. Вибрационное перемещение. М: Наука, 1964. 410 с.
- Герц М.Е., Герц М.М. Синтез авторезонансных машин // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2006. № 2. С. 22–27.
