月壤钻进取心过程钻具热特性研究
发布时间：2021-10-08 04:14
我国探月三期工程采用回转冲击钻对月表月壤进行预计深度为2米的采样作业,采样过程中钻头由于钻削产生的切削热完全由钻具本身导热传递。由于月球的超高真空度以及苛刻的温度环境,导热效率相较于地面钻探低。同时,由于钻进工况的未知性,钻具可能会形成局部高温区域,这会使钻具的整体性能降低,尤其对钻具的取心性能影响最大。通过EDEM软件,建立不同形状及颗粒大小的月壤颗粒微元模型,组成月壤仿真模型,基于高温小颗粒群法,开展钻进过程月壤热特性仿真研究,研究温升颗粒的分布规律,并根据这一分布规律建立温升颗粒数量与温升之间的关系式。另外,在模拟月壤钻进实验中,在原有的取芯钻具上补充若干温度测量点,通过光纤光栅传感技术,开展钻具热特性实验研究,获得了钻头不同位置区域的温升规律,以及回转转速、进给速率对钻具温度的影响规律。温升颗粒数量模型以及常规热特性实验均能实现钻具温升情况的预测,为后续钻具在拟实月球环境及恶劣工况下的热安全性研究提供依据。
【文章来源】：工程设计学报. 2019,26(01)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１月壤颗粒微元模型Ｆｉｇ．１Ｍｉｃｒｏｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｌｕｎａｒｓｏｉｌｐａｒｔｉｃｌｅ
动摩擦系数０．２７上，且始终离钻头一定距离。在回转钻进过程中，该粘合面只会对高温小颗粒起粘贴作用，而不会与模拟月壤颗粒发生作用。当模拟月壤颗粒经过该平面时，二者相互热传导，从而实现热量的传递。该方法由于热源位于钻具末端且可控，理论上能很好地反映模拟月壤颗粒受热后的温升现象。基于该分析方法，结合实际钻进过程中的钻进参数，本研究采用ＥＤＥＭ软件进行月壤钻进仿真分析。表３所示为月壤钻进仿真分析的参数设置情况［１９］，图２为仿真结果。在钻进过程中，高温小颗粒群高速回转，表层月壤颗粒与实际钻进状况相似，产生飞溅运动。在仿真过程中，若月壤颗粒长时间与热颗粒接触，会导致月壤颗粒温升过高。这与实际钻进状况不符，但是这对高温颗粒的散热求解几乎没有影响。根据图２的离散元仿真结果可知，处于钻具外侧的颗粒温度较低，无法通过仿真手段体现钻具侧壁与月壤颗粒切削、摩擦产生的热量，这是由高温颗粒集中在钻头下方的粘合面附近所造成的。表３月壤钻进仿真分析的参数设置Ｔａｂｌｅ３Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｔｔｉｎｇｏｆｌｕｎａｒｓｏｉｌｄｒｉｌｌｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌ－ｙｓｉｓ参数数值冷颗粒初始温度／Ｋ３５０热颗粒初始温度／Ｋ１２５０热颗粒数量／个１４０冷颗粒数量／个２４００进尺速率／（ｍｍ／ｓ）５回转速度／（ｒ／ｍｉｎ）２００颗粒比热容／（Ｊ／（ｋｇ·Ｋ））８００颗粒导热系数／（Ｗ／（ｍ·Ｋ））１４５０图２基于ＥＤＥＭ软
图３基于高温小颗粒群法得到的温升为１～２１Ｋ的颗粒分布图Ｆｉｇ．３Ｐａｒｔｉｃｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｏｆ１～２１Ｋｂａｓｅｄｏｎｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｍａｌｌｐａｒｔｉｃｌｅｃｌｕｓｔｅｒｍｅｔｈｏｄ图４月壤颗粒数量与温升之间的拟合曲线Ｆｉｇ．４Ｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｏｆｌｕｎａｒｓｏｉｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｎｕｍｂｅｒａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅ的作用下，会被收集到取芯软袋中或者被转移到钻杆螺旋槽内，不会被持续加热。仿真中一些颗粒存在较大的温升现象，这与某些恶劣钻进工况下的切削热现象接近。仿真分析结果及温升颗粒数量模型为后续的钻具热特性实验提供了一定的基础。２模拟月壤钻进过程钻具热特性实验与常规的钻取采样实验不同，钻具热特性实验需要采集钻具的温度信息。基于常规取芯钻具构型，在钻头不同部位选择温度测量点，最终选取了钻头端面的７个测量点，并在测量点７处补充了若干测点，如图５所示。图５钻头端面温度测量点分布Ｆｉｇ．５Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓｏｆｄｒｉｌｌｂｉｔｅｎｄｓｕｒｆａｃｅ随后，在分布式测量点处布置光纤光栅温度传感器。首先在选点处开孔，从图５可以看出测量点７沿钻杆的外壁均布，同时将均匀周期的光纤光栅封装为管状。在测量点１，２，…，６中，依次插入封装好的温度传感器，并采用耐高温胶进行固定。针对温度测量点７，将封装在毛细管中的４根串接光栅插入其
【参考文献】：
期刊论文
[1]美国阿波罗月球样品的处理与保存[J]. 孙灵芝,凌宗成,刘建忠. 地学前缘. 2012(06)
[2]基于离散单元法的丝状颗粒传热数学模型[J]. 朱立平,袁竹林,闫亚明,罗登山,王宏生,李斌. 化工学报. 2012(07)
[3]基于ABAQUS的月壤有限元建模及仿真分析[J]. 尹忠旺,丁希仑,郑岳山. 军民两用技术与产品. 2008(11)
[4]月壤的物理和机械性质[J]. 郑永春,欧阳自远,王世杰,邹永廖. 矿物岩石. 2004(04)
博士论文
[1]基于离散元方法的颗粒材料热传导研究[D]. 周强.大连理工大学 2011
硕士论文
[1]月面钻取采样过程钻具热特性测试系统研制与试验研究[D]. 侯佑松.哈尔滨工业大学 2013
[2]深井钻具失效的理论研究[D]. 王长江.大庆石油学院 2006
本文编号：3423410
【文章来源】：工程设计学报. 2019,26(01)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１月壤颗粒微元模型Ｆｉｇ．１Ｍｉｃｒｏｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｌｕｎａｒｓｏｉｌｐａｒｔｉｃｌｅ
动摩擦系数０．２７上，且始终离钻头一定距离。在回转钻进过程中，该粘合面只会对高温小颗粒起粘贴作用，而不会与模拟月壤颗粒发生作用。当模拟月壤颗粒经过该平面时，二者相互热传导，从而实现热量的传递。该方法由于热源位于钻具末端且可控，理论上能很好地反映模拟月壤颗粒受热后的温升现象。基于该分析方法，结合实际钻进过程中的钻进参数，本研究采用ＥＤＥＭ软件进行月壤钻进仿真分析。表３所示为月壤钻进仿真分析的参数设置情况［１９］，图２为仿真结果。在钻进过程中，高温小颗粒群高速回转，表层月壤颗粒与实际钻进状况相似，产生飞溅运动。在仿真过程中，若月壤颗粒长时间与热颗粒接触，会导致月壤颗粒温升过高。这与实际钻进状况不符，但是这对高温颗粒的散热求解几乎没有影响。根据图２的离散元仿真结果可知，处于钻具外侧的颗粒温度较低，无法通过仿真手段体现钻具侧壁与月壤颗粒切削、摩擦产生的热量，这是由高温颗粒集中在钻头下方的粘合面附近所造成的。表３月壤钻进仿真分析的参数设置Ｔａｂｌｅ３Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｔｔｉｎｇｏｆｌｕｎａｒｓｏｉｌｄｒｉｌｌｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌ－ｙｓｉｓ参数数值冷颗粒初始温度／Ｋ３５０热颗粒初始温度／Ｋ１２５０热颗粒数量／个１４０冷颗粒数量／个２４００进尺速率／（ｍｍ／ｓ）５回转速度／（ｒ／ｍｉｎ）２００颗粒比热容／（Ｊ／（ｋｇ·Ｋ））８００颗粒导热系数／（Ｗ／（ｍ·Ｋ））１４５０图２基于ＥＤＥＭ软
图３基于高温小颗粒群法得到的温升为１～２１Ｋ的颗粒分布图Ｆｉｇ．３Ｐａｒｔｉｃｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｏｆ１～２１Ｋｂａｓｅｄｏｎｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｍａｌｌｐａｒｔｉｃｌｅｃｌｕｓｔｅｒｍｅｔｈｏｄ图４月壤颗粒数量与温升之间的拟合曲线Ｆｉｇ．４Ｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｏｆｌｕｎａｒｓｏｉｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｎｕｍｂｅｒａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅ的作用下，会被收集到取芯软袋中或者被转移到钻杆螺旋槽内，不会被持续加热。仿真中一些颗粒存在较大的温升现象，这与某些恶劣钻进工况下的切削热现象接近。仿真分析结果及温升颗粒数量模型为后续的钻具热特性实验提供了一定的基础。２模拟月壤钻进过程钻具热特性实验与常规的钻取采样实验不同，钻具热特性实验需要采集钻具的温度信息。基于常规取芯钻具构型，在钻头不同部位选择温度测量点，最终选取了钻头端面的７个测量点，并在测量点７处补充了若干测点，如图５所示。图５钻头端面温度测量点分布Ｆｉｇ．５Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓｏｆｄｒｉｌｌｂｉｔｅｎｄｓｕｒｆａｃｅ随后，在分布式测量点处布置光纤光栅温度传感器。首先在选点处开孔，从图５可以看出测量点７沿钻杆的外壁均布，同时将均匀周期的光纤光栅封装为管状。在测量点１，２，…，６中，依次插入封装好的温度传感器，并采用耐高温胶进行固定。针对温度测量点７，将封装在毛细管中的４根串接光栅插入其
【参考文献】：
期刊论文
[1]美国阿波罗月球样品的处理与保存[J]. 孙灵芝,凌宗成,刘建忠. 地学前缘. 2012(06)
[2]基于离散单元法的丝状颗粒传热数学模型[J]. 朱立平,袁竹林,闫亚明,罗登山,王宏生,李斌. 化工学报. 2012(07)
[3]基于ABAQUS的月壤有限元建模及仿真分析[J]. 尹忠旺,丁希仑,郑岳山. 军民两用技术与产品. 2008(11)
[4]月壤的物理和机械性质[J]. 郑永春,欧阳自远,王世杰,邹永廖. 矿物岩石. 2004(04)
博士论文
[1]基于离散元方法的颗粒材料热传导研究[D]. 周强.大连理工大学 2011
硕士论文
[1]月面钻取采样过程钻具热特性测试系统研制与试验研究[D]. 侯佑松.哈尔滨工业大学 2013
[2]深井钻具失效的理论研究[D]. 王长江.大庆石油学院 2006
本文编号：3423410
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