МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО БУРА В СОСТАВЕ РОБОТИЗИРОВАННОЙ ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРУНТА НА НЕБЕСНЫХ ТЕЛАХ

Аннотация

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. Материалы и методы. Рассмотрены технические решения как отечественных, так и зарубежных авторов, выбран прототип. Проанализированы теоретические работы 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 предлагаются математические модели, полученные на основе эквивалентных параметров, найденных из распределенного описания элементов конструкции бура. Использованы методы математической физики, классической механики и теории подобия. Результаты заключаются в том, что разработаны две альтернативные математические модели. Одна из моделей имеет непрерывное описание с существенно нелинейной жесткостью «стенки» при ударе, при этом ударное движение рассматривается как разновидность автоколебаний. Вторая модель основана на теории удара. Заключение. Проведено параметрическое исследование и получены зависимости частоты колебаний свободного тела от величины ударного зазора, массы тела и амплитуды колебаний концентратора и др. Рассмотренные модели могут быть использованы для имитационного моделирования при разработке конструкции бура. Сформулированы задачи управления роботизированной бурильной платформой с позиции обеспечения работоспособности бура при бурении различных грунтов.