Трибологические свойства ультразвукового бура с биениями для планетарного бурения грунта

Аннотация

В статье рассматриваются практические и теоретические вопросы улучшения эксплуатационных характеристик ультразвукового бура для проведения планетарного бурения грунта на небесных телах. Особенность конструкции бура заключается в наличии взаимосвязанных зон трения между его сопряженными элементами, при этом в зависимости от условий эксплуатации один вид трения может переходить в другой, меняя параметры его работы, например, частотный диапазон биений рабочего инструмента. Цель работы состоит в исследовании трибологических свойств ультразвукового бура и оценки их влияния на эксплуатационные характеристики устройства, включая частотные характеристики. Рассмотрены технические решения как отечественных, так и зарубежных авторов, выбран прототип. Проведен анализ работ по исследованию ультразвукового бура и выявлено, что изложенные в них материалы не содержат сведений о его трибологических свойствах. В теоретической части данной статьи использованы математические модели, основанные на положениях гидродинамической теории смазки подшипников скольжения, виброреологических закономерностях поведения тел трения. Использованы методы математической физики, гидромеханики, классической механики и теории подобия. Результаты заключаются в том, что представлены трибологические характеристики ультразвукового бура, из которых также видны его частотные характеристики. Показано, что конструкция ультразвукового бура, по сути, не отличается от конструкции вибронесущего газового подвеса, при этом их частотные диапазоны работы примыкают друг к другу. Проведено параметрическое исследование и получены интегральные трибологические характеристики устройства. Показано, что частотный параметр (критерий подобия задачи) позволяет определить частотную границу между режимами биений и подвеса через параметры среды в слое – плотность, вязкость, частота вибрации и другие. Предложено аналитическое условие перехода от режима подвеса к режиму биений рабочего тела, которое существенно зависит от формы колебаний рабочего наконечника. Исследована равномерная, зонтичная и форма колебаний с одной узловой окружностью T-образного наконечника, показывающая эффективность зонтичных колебаний. В модель подвеса введена характеристика газосодержания, непрерывно описывающая состояние среды от жидкости до чистого газа. Влияние атмосферы планеты учитывается через параметр газосодержания, учет которого в расчетах показывает, что при увеличении жидкой составляющей интегральные характеристики и частотный параметр подвеса существенно возрастают, тем самым, оказывая влияние и на характеристики работы бура.