Об одном способе ультразвукового бурения скважин для забора грунта на небесных телах
Автор: Абызов А.А., Дубровский А.Ф., Некрасов С.Г., Перминов С.В.
Рубрика: Расчет и конструирование
Статья в выпуске: 2 т.24, 2024 года.
Бесплатный доступ
В статье рассматриваются технические и теоретические вопросы разработки ультразвукового бура для проведения бурения грунта на небесных телах. Специфика применения бура предполагает малое потребление энергии, эффективный рабочий цикл и широчайший диапазон температур при эксплуатации. Одним из перспективных направлений разработки являются устройства, имеющие вибрационную развязку с грунтом за счёт трансформации ультразвуковых колебаний в повторяющиеся удары звуковой частоты посредством специально введённого «свободного» тела между ультразвуковой и ударной частью устройства. Это позволяет сохранить работоспособность устройства и проводить бурение независимо от состояния ударного бита, включая даже его временное заклинивание. Рассмотрены основные технические решения как отечественных, так и зарубежных авторов, сделан анализ и оценены конструктивные схемы, условия эксплуатации, возможности и ограничения. Проанализирован также ряд теоретических работ, и обнаружено, что изложенные в них материалы не содержат развернутых математических моделей, необходимых для имитационного моделирования на стадии проектирования и оптимизации конструкции. В теоретической части статьи рассматривается сосредоточенная математическая модель, полученная на основе эквивалентных параметров, полученных из распределенного описания элементов конструкции бура в численных системах расчёта. Использованы уравнения математической физики, классической механики, элементы теории удара и теории подобия. Проведено параметрическое исследование и, в частности, получены зависимости частоты колебаний свободного тела от величины ударного зазора, массы тела и амплитуды колебаний концентратора. Рассмотренная модель может быть использована для имитационного моделирования при разработке конструкции бура.
Ультразвук, удар, грунт, бурение, пьезоэлектрический привод, уравнения движения, имитационная модель, программный комплекс
Короткий адрес: https://sciup.org/147243975
IDR: 147243975 | DOI: 10.14529/engin240201
Список литературы Об одном способе ультразвукового бурения скважин для забора грунта на небесных телах
- Акулов Ю.П. Пенетратор для исследования поверхности небесных тел. Патент RU 2111900, 1998.
- Bar-Cohen Y., Sherrit S., Dolgin B., Bao X. Smart Ultrasonic/Sonic Driller/Corer (SUSDC). Pat. US No. 6863136 B2, 2005.
- Bar-Cohen Y., Sherrit S., Dolgin B., Bao X. Ultrasonic/sonic mechanism of deep drilling (USMOD) Pat. US No. 6968910 B2, 2005.
- Bar-Cohen Y., Sherrit S. Self mountable and extractable ultrasonic/sonic anchor. Pat. US 7156189 B1, 2007.
- Aldrich J.B., Bar-Cohen Y. et al. Percussive augmenter of rotary drills for operating as a rotary-hammer drill. Pat. US 8640786 B2, 2014.
- Генне Д.В., Костенко В.И., Митрофанов И.Г. и др. Ультразвуковой бур. Патент RU 2598947, 2016.
- Генне Д.В., Костенко В.И., Митрофанов И.Г. и др. Ультразвуковое грунтозаборное устройство. Патент RU 2503815, 2018.
- Bao X., Bar-Cohen Y., Chang Z., Sherrit S. Modeling and Computer Simulation of Ultrason-ic/Sonic Driller/Corer (USDC) // IEEE Transactions of Ultrasonics, Sonics and Frequency Control. 2003. Vol. 50 (9). P. 1147–1160. DOI: 10.1109/tuffc.2003.1235326.
- Bar-Cohen Y., Sherrit S., Bao X., Badescu M. Subsurface sampler and sensors platform using the ultrasonic/sonic driller/corer (USDC) // 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.
- Bar-Cohen Y., Sherrit S., Dolgin B., Chang Z., Krahe R. Ultrasonic/sonic drilling/coring (USDC) for planetary applications // Smart Structures and Materials 2001: Smart Structures and Inte-grated Systems. 2001. V. 4327. P. 441–449. DOI:10.1117/12.436556.
- Chang Z., Sherrit S., Badescu M., Bao X., Bar-Cohen Y. Design and analysis of ultrasonic ac-tuator in consideration of length-reduction for a USDC (Ultrasonic/Sonic Driller/Corer) // Proceedings of the SPIE Smart Structures Conference. 2005. V. 5762 (10). P. 563–571. DOI:10.1117/12.598851.
- Sherrit S., Bar-Cohen Y., Dolgin B. Modeling of horns for sonic/ultrasonic applications // Pro-ceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium. 1999. V. 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, Ferroelec-trics, and Frequency Control, vol. 58, no. 11, Nov. 2011.
- Хмелев В.Н., Нестеров В.А., Шалунов А.В., Циганок С.Н. Повышение эффективности работы ультразвуковой вибрационной системы для кавитационной обработки жидкости // Международная конференция и семинар по микро/нанотехнологиям и электронным устройствам EDM 2019. 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 (accessed 28 February 2024).
- Кикучи Е. Ультразвуковые преобразователи. М.: Мир, 1972. 424 с.
- Биргер И.А., Пановко Я.Г. Прочность, устойчивость, колебания: справочник в трех томах. М.: Машиностроение, 1968. Т. 1. 821 c.
- Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара. М.: Наука, 1977. 224 с.
- Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям: пер. с нем. М.: Наука, 1976. 576 с.
- 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.
