模擬月巖低作用力切削負載特性測試平臺設(shè)計與試驗驗證

王祎卓，李 鵬，2，孫麗霞，李雪凇，寧宏陽

(1.北華大學(xué)機械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021；2.燕山大學(xué)機械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066099)

深空探測技術(shù)是國家技術(shù)水平的綜合體現(xiàn).在星球探測領(lǐng)域，為了有效保留樣品層信息，鉆取采樣是不可或缺的一種方式[1-4].與地質(zhì)勘測相比，受真空、溫度、輻射等因素限制，在月球表面鉆取采樣的鉆進效率會大幅降低[5-8]；同時，受運載火箭能力和低重力環(huán)境的約束，月球環(huán)境下的鉆進作用力較低[9-11].切削刃是破碎巖石的主要構(gòu)件，切削刃破碎月巖產(chǎn)生的切削載荷是鉆進負載的主要來源[12-13]，而切削載荷又與切削刃構(gòu)型參數(shù)直接相關(guān)[14-15].因此，需要開展單個切削刃和模擬月巖力學(xué)特性研究，分析影響巖石破碎的切削刃構(gòu)型參數(shù)和切削沖擊參數(shù)，以便降低鉆進負載，滿足低作用力下月巖高效能鉆進的要求.本文對單刃切削負載特性測試平臺性能指標、總體方案和各個功能組件進行詳細設(shè)計，研制模擬月巖低作用力切削負載特性測試平臺，開展巖石單刃切削負載和沖擊破碎特性試驗，驗證單刃與巖石相互作用力學(xué)模型和巖石沖擊切削負載模型.

1 低作用力切削負載特性測試平臺研制

1.1 測試平臺總體方案和設(shè)計指標

模擬月巖低作用力切削負載特性測試平臺的主要功能：1)開展不同切削刃參數(shù)下的切削負載試驗；2)開展不同切削沖擊參數(shù)下切削沖擊負載試驗驗證.試驗臺三維模型及實物見圖1.根據(jù)試驗平臺總體規(guī)劃，結(jié)合月面鉆進能力要求和地面鉆進負載試驗結(jié)果，規(guī)劃模擬月巖低作用力切削負載特性測試平臺設(shè)計指標，見表1.

圖1模擬月巖低作用力切削負載特性測試平臺Fig.1Test platform for simulating low-force cutting load characteristics of lunar rock

表1 切削負載試驗平臺設(shè)計指標Tab.1 Design index of cutting load test platform

1.2 測試平臺功能組件

模擬月巖低作用力切削負載特性測試平臺組成及工作原理見圖2.

切削驅(qū)動機構(gòu)的功能是控制切削刃水平運動.電動缸功率Pe1=1 kW、額定負載F=1.7 kN、額定速度v1=500 mm/s、絲杠導(dǎo)程S1=10 mm、工作行程S2=250 mm.沖擊驅(qū)動機構(gòu)的功能是產(chǎn)生一定頻率和能量的沖擊力，由凸輪帶動彈簧質(zhì)量塊提供能量.沖擊驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計參數(shù)見表2.

圖2模擬月巖低作用力切削負載特性測試平臺組成及工作原理 Fig.2Composition and working principle of test platform for simulating low-force cutting load characteristics of lunar rock

表2 模擬月巖切削負載特性試驗平臺沖擊機構(gòu)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)表2中參數(shù)可獲得沖擊頻率和單次沖擊功：

進尺驅(qū)動機構(gòu)的功能是驅(qū)動切削刃上下移動.伺服電機輸出的回轉(zhuǎn)運動經(jīng)過滾珠絲杠副轉(zhuǎn)化為直線運動，從而實現(xiàn)切削刃的進尺運動.進尺驅(qū)動電機額定功率Pe2=100 W，額定轉(zhuǎn)速V2=3 000 r/min，絲杠導(dǎo)程S4=5 mm，減速器減速比i2=500∶1.

切削模擬月巖時最大進尺速度

因為切壓力FPen不小于1 600 N，所以最大鉆壓下絲杠的回轉(zhuǎn)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩

即得進尺驅(qū)動電機所需的額定轉(zhuǎn)矩為

夾緊裝置可以提供多切削工位.其中，六維力傳感器安裝在下方，x、y方向測量范圍是0～±1 400 N，z軸方向測量范圍是0～±3 400 N，3個方向轉(zhuǎn)矩測量范圍均為0～±60 Nm.

控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成.試驗過程中，數(shù)據(jù)采集卡將傳感器實時采集到的運動和負載信號傳輸至下位機，再通過AO端口將控制指令傳輸給驅(qū)動器，進而控制伺服電機.上位機裝有控制系統(tǒng)的軟件部分，由MATLAB的xPC Target和Simulink控制模塊實現(xiàn)，完成試驗臺各執(zhí)行件的運動控制和數(shù)據(jù)采集.

圖3破碎區(qū)域受力分析Fig.3Stress analysis of broken regions

2 單刃與巖石相互作用力學(xué)模型和沖擊模型

2.1 單刃與巖石相互作用力學(xué)模型

2.1.1 巖石正交切削破碎模型

根據(jù)巖石切削破碎過程，將切削破碎區(qū)域劃分為3個：1)剪切破碎區(qū)Ⅰ，切削力發(fā)揮主導(dǎo)作用，發(fā)生剪切和拉伸斷裂；2)密實核壓碎區(qū)Ⅱ，受切削力和切壓力共同作用；3)過切削區(qū)Ⅲ，主要影響巖石切壓力載荷[16].3個區(qū)域力學(xué)分析見圖3.

由圖3受力分析可得

其中：

對受壓區(qū)域BDE進行靜力平衡分析可得FT滿足

上述各式參數(shù)取值見表3.

表3 切削過程中的試驗參數(shù)Tab.3 Test constants in cutting process

圖4模擬月巖低作用力切削負載特性隨切削深度變化Fig.4Simulation of the low-force cutting load chara-cteristics of lunar rock with the change of cutting depth

將表3參數(shù)代入模型，得出切削力FCut、切壓力FPen和切削深度的變化規(guī)律曲線，見圖4.由圖4可見，切削負載與切削深度正相關(guān).因此，切削深度不宜過大，從而保證切削負載控制在合理范圍內(nèi).

2.1.2 單切削刃負載模型

以上述模型為理論依據(jù)，考慮排屑方向后，剪切破碎剖面和切削方向不再垂直，引入破碎向量Q，并以{r，s，t}為絕對坐標，重新建立三維力學(xué)模型，經(jīng)過推導(dǎo)可得單元切削刃的切削功率PCut為[17]

PCut=(FS+FT)·V=f(c，φ，hPen，Δh，wb，

γo，λs，V，σp，β，ψc，φre，φdn，φr；rc，η).

(1)

由式(1)可知，在單刃直線切削負載模型中，控制參數(shù)為模擬月巖內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ、切削深度hPen、切削深度波動量Δh、切削刃刃寬wb、切削刃前角γo、切削刃刃傾角λs、切削速度V、巖石壓入硬度σp、剖面切削后角β、密實核與切削方向夾角ψc、切削刃與巖體間當量摩擦角φre、切削刃與密實核間當量摩擦角φdn、密實核與巖體間摩擦角φr，而狀態(tài)參數(shù)為破碎方向角η和巖屑破碎速比rc.根據(jù)最小能量耗散準則，當控制參數(shù)固定時，一定存在某一組狀態(tài)參數(shù){rc，η}，使切削功耗PCut最小[18].則切削力FCut和切壓力FPen分別為[17]

其中：

FT=FT(cosφre·lβ-sinφre·mβ)，

式中：lβ為后刀面法向單位向量；mβ為后刀面內(nèi)切削刃法向的單位向量.

2.2 巖石沖擊切削破碎負載模型

在受到?jīng)_擊作用后，模擬月巖將形成3個區(qū)域(圖5)：OABC為壓實破碎區(qū)，CDEF為沖擊破碎屑，EFG為剪切破碎區(qū).則受力方程可列為

圖5沖擊切削耦合條件下單元切削刃破碎模擬月巖受力分析Fig.5Force analysis of unit cutting edge crushing simulation moon rock under the coupling condition of impact cutting

式中：FS為作用在切削刃上的合力；Ftx為巖石對破碎區(qū)巖屑的合反力在水平方向上的分力；Fty為巖石對破碎區(qū)巖屑的合反力在豎直方向上的分力.

FP滿足如下關(guān)系：

經(jīng)推導(dǎo)，在沖擊切削耦合作用下，單元切削刃破碎模擬月巖所需的切削力和切壓力分別為[20]

3 模擬月巖切削負載特性試驗

3.1 模擬月巖直線切削特性試驗

為了研究切削刃構(gòu)型參數(shù)對切削負載(FCut和FPen)的影響規(guī)律，需要在平臺上開展直線切削負載試驗.由模型(1)可知，切削刃構(gòu)型參數(shù)包括切削刃前角、刃傾角和刃寬，綜合考慮鉆頭的幾何構(gòu)型、切削刃的鑲嵌角度以及切削刃的強度，可以確定三者的變動區(qū)間分別為-34.75°～23.35°、0°～34.7°、2～5.3 mm.

當切削深度hPen為0.1 mm、切削刃刃寬wb為4 mm、水平切削速度設(shè)為26 mm/s時，改變?nèi)袃A角，切削力FCut和切壓力FPen隨前角的變化趨勢見圖6.

圖6切削負載隨刃傾角、前角變化Fig.6Variation of cutting load with the side rake angle and the rake

由圖6可知：當切削深度和刃寬為固定值時，切削力和切壓力均隨著前角γo和刃傾角λs的增大而減小.切削負載的下降趨勢在前角從-35°增大到0°左右時較為明顯，但在前角從0°增大到24°左右時，下降趨勢較為平緩.這是因為，當切削深度為固定值時，假設(shè)巖石沿著圖3所示的破碎面斷裂，破碎平面AC(與前刀面垂直)隨著前角的增大將順時針轉(zhuǎn)動，剪切角變大，但是切削深度固定不變，所以會使破碎平面長度變短，切削負載的總體趨勢也因此減小，其中，在前角為負的情況下，剪切破碎長度的減小趨勢要明顯大于正前角的情況.另外，隨著刃傾角從0°增加到35°，巖石破碎面AC也開始偏轉(zhuǎn)，且隨著刃傾角的增大，巖屑脫離母巖的剪切破碎空間變大，巖屑的剪切破碎角也相應(yīng)變大，從而使得剪切應(yīng)力的作用距離變短，切削負載降低.

切削力和切壓力隨刃寬wb和切削深度hPen的變化趨勢見圖7.由圖7可見：在不同的切削刃參數(shù)(前角和刃傾角)下，切削力、切壓力隨著切削深度、刃寬變大呈線性遞增趨勢，并且試驗值和理論值變化趨勢一致.切削刃參數(shù)見表4.

圖7切削負載隨切削深度、刃寬變化Fig.7Variation of cutting load with the cutting depth and blade width

表4 切削刃參數(shù)

3.2 模擬月巖切削沖擊破碎負載特性試驗

沖擊驅(qū)動機構(gòu)的工作原理是圓柱凸輪推動彈簧質(zhì)量塊往復(fù)運動提供沖擊力.其過程可以分為3個階段：1)切削沖擊耦合階段.2)力控切削階段.這個階段沖擊作用時間短，消失后切削刃將受彈簧預(yù)緊力作用繼續(xù)切削巖石，此時彈簧預(yù)緊力控制切削深度.3)位控切削階段.這個階段沖擊錘進入下一個推程運動，彈簧預(yù)緊力開始消失，切削刃按照預(yù)設(shè)切削深度破碎巖石.

為分析切削沖擊頻率對切削破碎負載的影響規(guī)律，在測試平臺上開展切削沖擊破碎負載特性試驗.考慮沖擊力傳遞對切削刃構(gòu)型參數(shù)不敏感，將切削刃參數(shù)設(shè)定為前角-13°、刃傾角0°、刃寬4 mm，切削速度為26.1 mm/s.在不同切削深度下，分別改變沖擊頻率，得到模擬月巖切削沖擊平均負載，見圖8.

圖8沖擊切削負載隨沖擊頻率、切削深度變化Fig.8Variation of average load of impact cutting with the cut depth and percussion frequency

力控切削階段模擬月巖切削力和切壓力變化趨勢見圖8 a、b.由圖8 a、b可以看出：在不同切削深度下，切削負載均與沖擊頻率成反比，這是因為在沖擊切削耦合下，破碎負載所占比例隨著沖擊頻率的增加而增加，且模擬月巖的剪切破碎長度變小，因此，平均負載逐漸降低.另外，切削負載在切削深度為0.1 mm處分成兩個階段，前一個階段變化趨勢較緩，是因為此時占主導(dǎo)作用的是彈簧預(yù)緊力，故只能形成0.1mm左右的切削深度；而在后一個階段，由于切削深度的增加，破碎負載也急劇上升，進而取代彈簧預(yù)緊力占主導(dǎo)作用.

位控切削階段模擬月巖負載變化趨勢見圖8 c、d.由圖8 c、d可以看出：隨著沖擊頻率的增加，月巖破碎負載在切削深度低于0.1 mm時會增加，在大于0.1 mm后，負載變化趨勢不明顯.

模擬月巖沖擊切削平均負載隨沖擊頻率、切削深度的變化趨勢見圖8 e、f.由圖8 e、f可以看出：隨著沖擊頻率的增加，月巖破碎負載會略有降低，但隨著切削深度的增加，破碎負載會明顯增加，同時試驗值和理論值的變化趨勢一致.

4 小 結(jié)

本文根據(jù)鉆頭鉆進模擬月巖的過程，搭建了單刃直線切削負載特性試驗平臺，分別開展了巖石直線切削和沖擊破碎負載特性試驗，結(jié)果表明：1)切削刃的切削負載隨前角和刃傾角的增加呈減小趨勢，且減小趨勢在負前角區(qū)域較為明顯，隨刃寬和切削深度的增加基本呈線性遞增趨勢；2)模擬月巖的切削破碎負載隨著沖擊頻率的增加略有降低，但隨著切削深度的增加會顯著提高.因此，可以通過增大切削刃前角和刃傾角、提高沖擊頻率的方式降低模擬月巖的切削負載，這為月巖取心鉆具在低作用力下實現(xiàn)高效能鉆進作業(yè)參數(shù)設(shè)置提供了一定的參考依據(jù).