高密实度模拟月壤自适应钻进取芯特性研究
发布时间：2022-01-13 21:23
自上个世纪美苏等国家率先开展月球探测以来,人类已从月球采集了共计约382 kg的月壤样品。通过分析采集返回的月壤,深化了对月球演化规律认知。目前我国探月工程（三期）即将实施,也将利用钻取和表取形式,从月球采回月壤样品,在地球实验室中进行科学测试与分析。本文以我国探月工程（三期）月面钻取采样子任务为工程背景,面向月壤剖面存在高度随机性和不确定性的挑战,以实现钻进取芯过程中钻具的低功耗、高取芯和高适应性为研究目标,开展高密实度模拟月壤制备方法、模拟月壤软袋取芯特性、模拟月壤钻进排屑性能及自适应钻进特性研究,为后续深空探测任务钻取采样钻具设计和工艺参数优化提供技术支撑。提出了一种基于夯击密实强化原理的高密实度模拟月壤制备方法以满足次表层月壤钻取采样任务地面试验研究所需,建立了月壤桶夯击振动及冲击锤夯击回弹动力学模型,针对钻取用月壤桶测限约束条件构建了月壤弹塑变形模型,预测了模拟月壤剖面有效密实深度,不同夯击次数作用下的模拟月壤夯击强化试验验证了模拟月壤上覆土压力即塑性极限与夯击次数间的内在物理规律,密度测定试验验证了上述有效夯击密实深度理论预测模型。基于回转切削力学模型建立了原位月壤的受扰剪...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
适应不同钻探任
第1章绪论-3-a)LX系列全液压取心钻机b)SDC1000全液压动力头车装钻机c)“盐湖探险一号”浅海(滩涂)钻机a)LXserieshydraulicdrillc)Saltlakeexplorershallowseadrillb)SDC1000hydraulicdrivendrill图1-2适应不同钻探任务的多款地面取芯钻机Fig.1-2Terrestrialdrilltoolsfordiffernentdrillingmissions为降低司钻人员作业劳动强度和潜在风险，并缓解专业人员流失对生产的影响，基于远程遥控的自动化钻井已正成为钻探自动化领域的研究热点。如图1-3所示，位于英国Schlumberger剑桥研究中心于2004年11月借助卫星通讯技术发送遥控指令使得位于美国SchlumbergerCamgron试验中心的钻机成功改变了循环泵的排量参数，成为人类首次跨洋遥操作钻井作业[21,22]。在此次遥控作业中，现场钻机每隔3秒，每钻进150mm发送一次状态信息。遥控作业中，传达所有指令需4秒的确认程序，时滞量较小[22]。需注意到远程遥操作对控制端技术人员的专业性要求较高，且出现故障工况时还需要借助事实端司钻对工况进行甄别，因此此项技术仍待进一步完善。a)英国剑桥SCR遥控钻井控制中心b)Schlumberger公司遥控钻井控制流程a)UKCambridgeSCRremotecontrolcneterb)Schlumbergerremotedrillingproces图1-3地面远程遥控钻井控制中心及控制流程Fig.1-3Terrestrialremotedrillingcontrolceneteranditsworkingprocedures
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-4-1.2.2星球钻取采样技术从上世纪50年代开始，世界各国针对地外星球开展了持续深入的钻进技术探索，其中包括美国的Apollo探索计划、前苏联的月球Luna系列探测任务以及欧空局火星探测ExoMars计划等[23–31]。鉴于上述任务探索目标不尽相同，所采用的钻进技术在钻具构型、作业方式以及钻进策略等领域存在显著差异。1.2.2.1前苏联Luna系列无人钻取采样技术人类截止目前唯一成功实施月球无人钻取采样并返回的即为前苏联的Luna系列。如图1-4所示，借助搭载外伸式机械臂采样器，Luna16探测器开展了月壤钻取采样。Luna16的采样钻具安装于薄壁管内，共包含两套电机，一套用于正常钻进，另一套用于备份。钻机的额定转速500r/min，最大钻进深度35cm[32]。随后发射的Luna20探测器在月陆高地着陆，其钻进工艺参数与前序任务类似，如图1-3所示。地面遥测表明：钻进约10cm后钻具遭遇过大负载，全流程共发生三次回转电机过热故障，在25cm钻进深度强制停钻，共收集月壤样品55g[33]。Luna16/20采样钻具在整个采样过程中除个别常规动作外，其余所有钻进运动都由地面遥控完成，结果显示钻机最大输出功率约140W，钻进能耗约54kJ，平均钻速80~240mm/min，瞬时钻压80~120N，瞬时转矩0.2~0.3Nm[34,35]。a)Luna-16/20探测器b)Luna-16/20采样钻具c)Luna-16/20样品转移方案a)Luna16/20probeb)Luna-16/20drilltoolc)Luna-16/20sampletransfer图1-4前苏联Luna16/20无人钻取采样装置Fig.1-4FormerSovietUnion’sluna16/20unmanneddrillingandcoringdevice吸取前序任务实施经验，在Luna24采样任务中前苏联采用了滑轨式采样方式，利用了着陆器自重显著提升探测系统最大钻压[36]。如图1-5所示，Luna24探测器将采样钻具倾斜30°布置
【参考文献】：
期刊论文
[1]小口径管状织物的成形及其抽拔顺滑性的表征[J]. 丁作伟,于伟东. 东华大学学报(自然科学版). 2017(05)
[2]面向深空探测的星球钻取采样技术综述[J]. 唐钧跃,邓宗全,陈崇斌,王印超,全齐全,姜生元,唐德威. 宇航学报. 2017(06)
[3]Drilling load modeling and validation based on the filling rate of auger flute in planetary sampling[J]. Quan Qiquan,Tang Junyue,Yuan Fengpei,Jiang Shengyuan,Deng Zongquan. Chinese Journal of Aeronautics. 2017(01)
[4]模拟月壤钻进力载建模及试验验证[J]. 唐钧跃,全齐全,姜生元,侯绪研,邓宗全. 机械工程学报. 2017(07)
[5]嫦娥三号有效载荷在轨测试初步结果[J]. 代树武,贾瑛卓,张宝明,吴季,孙辉先,刘恩海,魏建彦,陈波,黄长宁,薛长斌,杨建峰,方广有,王建宇,王焕玉,安军社. 中国科学:技术科学. 2014(04)
[6]Geologic characteristics of the Chang’E-3 exploration region[J]. ZHAO JianNan,HUANG Jun,QIAO Le,XIAO ZhiYong,HUANG Qian,WANG Jiang,HE Qi,XIAO Long. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(03)
[7]月球钻探取心特种钻头研制与试验[J]. 李大佛,雷艳,许少宁. 地球科学(中国地质大学学报). 2013(S1)
[8]中国月球探测进展（2001-2010年）[J]. 刘建忠,欧阳自远,李春来,邹永廖. 矿物岩石地球化学通报. 2013(05)
[9]地质钻探技术与应用研究[J]. 冉恒谦,张金昌,谢文卫,张永勤,宋志彬,向军文,刘凡柏,冯起赠,鄢泰宁,贾美玲,陶士先,胡继良. 地质学报. 2011(11)
[10]模拟月壤研究进展及CUG-1A模拟月壤[J]. 贺新星,肖龙,黄俊,何琦,高睿,杨刚. 地质科技情报. 2011(04)
博士论文
[1]模拟月壤钻进取芯力学建模及钻进策略研究[D]. 史晓萌.哈尔滨工业大学 2015
[2]基于嫦娥探月微波数据的月球浅表层成分反演与结构分析研究[D]. 连懿.吉林大学 2014
硕士论文
[1]基于单刃切削模型的钻具与月壤相互作用特性研究[D]. 柏德恩.哈尔滨工业大学 2014
[2]钻取采样参数测试平台研制及试验研究[D]. 王清川.哈尔滨工业大学 2012
[3]基于钻具—月壤相互作用模型的钻进取心性能研究[D]. 刘飞.哈尔滨工业大学 2011
[4]SDC1000型钻机动力头系统的设计及支架有限元分析[D]. 臧臣坤.中国地质科学院 2009
本文编号：3587165
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
适应不同钻探任
第1章绪论-3-a)LX系列全液压取心钻机b)SDC1000全液压动力头车装钻机c)“盐湖探险一号”浅海(滩涂)钻机a)LXserieshydraulicdrillc)Saltlakeexplorershallowseadrillb)SDC1000hydraulicdrivendrill图1-2适应不同钻探任务的多款地面取芯钻机Fig.1-2Terrestrialdrilltoolsfordiffernentdrillingmissions为降低司钻人员作业劳动强度和潜在风险，并缓解专业人员流失对生产的影响，基于远程遥控的自动化钻井已正成为钻探自动化领域的研究热点。如图1-3所示，位于英国Schlumberger剑桥研究中心于2004年11月借助卫星通讯技术发送遥控指令使得位于美国SchlumbergerCamgron试验中心的钻机成功改变了循环泵的排量参数，成为人类首次跨洋遥操作钻井作业[21,22]。在此次遥控作业中，现场钻机每隔3秒，每钻进150mm发送一次状态信息。遥控作业中，传达所有指令需4秒的确认程序，时滞量较小[22]。需注意到远程遥操作对控制端技术人员的专业性要求较高，且出现故障工况时还需要借助事实端司钻对工况进行甄别，因此此项技术仍待进一步完善。a)英国剑桥SCR遥控钻井控制中心b)Schlumberger公司遥控钻井控制流程a)UKCambridgeSCRremotecontrolcneterb)Schlumbergerremotedrillingproces图1-3地面远程遥控钻井控制中心及控制流程Fig.1-3Terrestrialremotedrillingcontrolceneteranditsworkingprocedures
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-4-1.2.2星球钻取采样技术从上世纪50年代开始，世界各国针对地外星球开展了持续深入的钻进技术探索，其中包括美国的Apollo探索计划、前苏联的月球Luna系列探测任务以及欧空局火星探测ExoMars计划等[23–31]。鉴于上述任务探索目标不尽相同，所采用的钻进技术在钻具构型、作业方式以及钻进策略等领域存在显著差异。1.2.2.1前苏联Luna系列无人钻取采样技术人类截止目前唯一成功实施月球无人钻取采样并返回的即为前苏联的Luna系列。如图1-4所示，借助搭载外伸式机械臂采样器，Luna16探测器开展了月壤钻取采样。Luna16的采样钻具安装于薄壁管内，共包含两套电机，一套用于正常钻进，另一套用于备份。钻机的额定转速500r/min，最大钻进深度35cm[32]。随后发射的Luna20探测器在月陆高地着陆，其钻进工艺参数与前序任务类似，如图1-3所示。地面遥测表明：钻进约10cm后钻具遭遇过大负载，全流程共发生三次回转电机过热故障，在25cm钻进深度强制停钻，共收集月壤样品55g[33]。Luna16/20采样钻具在整个采样过程中除个别常规动作外，其余所有钻进运动都由地面遥控完成，结果显示钻机最大输出功率约140W，钻进能耗约54kJ，平均钻速80~240mm/min，瞬时钻压80~120N，瞬时转矩0.2~0.3Nm[34,35]。a)Luna-16/20探测器b)Luna-16/20采样钻具c)Luna-16/20样品转移方案a)Luna16/20probeb)Luna-16/20drilltoolc)Luna-16/20sampletransfer图1-4前苏联Luna16/20无人钻取采样装置Fig.1-4FormerSovietUnion’sluna16/20unmanneddrillingandcoringdevice吸取前序任务实施经验，在Luna24采样任务中前苏联采用了滑轨式采样方式，利用了着陆器自重显著提升探测系统最大钻压[36]。如图1-5所示，Luna24探测器将采样钻具倾斜30°布置
【参考文献】：
期刊论文
[1]小口径管状织物的成形及其抽拔顺滑性的表征[J]. 丁作伟,于伟东. 东华大学学报(自然科学版). 2017(05)
[2]面向深空探测的星球钻取采样技术综述[J]. 唐钧跃,邓宗全,陈崇斌,王印超,全齐全,姜生元,唐德威. 宇航学报. 2017(06)
[3]Drilling load modeling and validation based on the filling rate of auger flute in planetary sampling[J]. Quan Qiquan,Tang Junyue,Yuan Fengpei,Jiang Shengyuan,Deng Zongquan. Chinese Journal of Aeronautics. 2017(01)
[4]模拟月壤钻进力载建模及试验验证[J]. 唐钧跃,全齐全,姜生元,侯绪研,邓宗全. 机械工程学报. 2017(07)
[5]嫦娥三号有效载荷在轨测试初步结果[J]. 代树武,贾瑛卓,张宝明,吴季,孙辉先,刘恩海,魏建彦,陈波,黄长宁,薛长斌,杨建峰,方广有,王建宇,王焕玉,安军社. 中国科学:技术科学. 2014(04)
[6]Geologic characteristics of the Chang’E-3 exploration region[J]. ZHAO JianNan,HUANG Jun,QIAO Le,XIAO ZhiYong,HUANG Qian,WANG Jiang,HE Qi,XIAO Long. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(03)
[7]月球钻探取心特种钻头研制与试验[J]. 李大佛,雷艳,许少宁. 地球科学(中国地质大学学报). 2013(S1)
[8]中国月球探测进展（2001-2010年）[J]. 刘建忠,欧阳自远,李春来,邹永廖. 矿物岩石地球化学通报. 2013(05)
[9]地质钻探技术与应用研究[J]. 冉恒谦,张金昌,谢文卫,张永勤,宋志彬,向军文,刘凡柏,冯起赠,鄢泰宁,贾美玲,陶士先,胡继良. 地质学报. 2011(11)
[10]模拟月壤研究进展及CUG-1A模拟月壤[J]. 贺新星,肖龙,黄俊,何琦,高睿,杨刚. 地质科技情报. 2011(04)
博士论文
[1]模拟月壤钻进取芯力学建模及钻进策略研究[D]. 史晓萌.哈尔滨工业大学 2015
[2]基于嫦娥探月微波数据的月球浅表层成分反演与结构分析研究[D]. 连懿.吉林大学 2014
硕士论文
[1]基于单刃切削模型的钻具与月壤相互作用特性研究[D]. 柏德恩.哈尔滨工业大学 2014
[2]钻取采样参数测试平台研制及试验研究[D]. 王清川.哈尔滨工业大学 2012
[3]基于钻具—月壤相互作用模型的钻进取心性能研究[D]. 刘飞.哈尔滨工业大学 2011
[4]SDC1000型钻机动力头系统的设计及支架有限元分析[D]. 臧臣坤.中国地质科学院 2009
本文编号：3587165
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