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 | УДК: 621.95.048, | DOI: 10.14529/engin240201
About one method of ultrasonic well drilling for soil sampling on celestial bodies
The article discusses technical and theoretical issues in the development of an ultrasonic drill for drilling soil on celestial bodies. The specific use of the drill requires low energy consumption, an efficient operating cycle and a wide temperature range during operation. One of the promising areas of development is devices that have vibration decoupling from the ground due to the transformation of ultrasonic vibrations into repeated shocks of sound frequency through a specially introduced “free” body between the ultrasonic and impact parts of the device. This allows you to maintain the functionality of the device and carry out drilling regardless of the state of the impact bit, including even its temporary jamming. The main technical solutions of both domestic and foreign authors are considered, an analysis is made and design schemes, operating conditions, capabilities and limitations are evaluated. A number of theoretical works were also analyzed and it was found that the materials presented in them do not contain detailed mathematical models necessary for simulation modeling at the stage of design and optimization of the structure. The theoretical part of the article considers a lumped mathematical model obtained on the basis of equivalent parameters obtained from a distributed description of the drill design elements in numerical calculation systems. The equations of mathematical physics, classical mechanics, elements of impact theory and similarity theory were used. A parametric study was carried out and, in particular, the dependences of the oscillation frequency of a free body on the size of the impact gap, body mass and the amplitude of oscillations of the concentrator were obtained. The considered model can be used for simulation modeling when developing a drill design.
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.
