БУРОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА НЕБЕСНЫХ ТЕЛАХ
DRILLING RIG FOR STUDYING ROCKS ON CELESTIAL BODIES

Изобретение относится к космическим исследованиям и может быть использовано для выбуривания кернов горных пород на небесных телах и проведения исследований в шпурах роботизированными аппаратами.
Известна конструкция однодвигательной длинноходовой бурильной машины, обеспечивающей постоянство удельной подачи инструмента ([Алимов, О.Д. Бурильные машины [Текст] / О.Д. Алимов, Л. Т. Дворников. - М.: Машиностроение, 1976. - 295 с.], стр. 148, рис. IV.37.a). Бурильная машина состоит из двигателя, стационарного редуктора, винта, подвижного редуктора, бура и гаек. При этом гайки механизма подачи в бурильной машине не вращаются, а винт выполнен с продольным шлицем.
Недостатком однодвигательной длинноходовой бурильной машины является низкая скорость и значительная энергоемкость процесса бурения, обусловленные отсутствием в конструкции машины ударного механизма, обеспечивающего нанесение по буру продольных ударов.
Наиболее близкой к предлагаемой, является буровая установка автоматического грунтозаборного устройства, используемая в космических аппаратах «Луна-16» и «Луна-20» ([Кемурджиан, А.Л. Автоматические станции для изучения поверхностного покрова Луны [Текст] / А.Л. Кемурджиан, В.В. Громов, И.И. Черкасов, В.В. Шварев. - М.: «Машиностроение», 1976. - 200 с.], стр. 56). Она состоит из корпуса, электродвигателей, трехгранного ходового винта с нарезанной резьбой, системы зубчатых колес (коробки передач), вращателя (подвижного редуктора с гайками), бурового снаряда (коронки) и ударного механизма пружинного типа с кулачковым взводом.
Недостатком буровой установки автоматического грунтозаборного устройства, используемой в космических аппаратах «Луна-16» и «Луна-20», является отсутствие возможности доставки в выбуренный шпур научных приборов для проведения исследований.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении функциональности буровой установки за счет конструктивного обеспечения возможности доставки бокса с научными приборами в выбуренный шпур для проведения исследований.
Существующая техническая проблема, решается тем, что в известной буровой установке для исследования горных пород на небесных телах, состоящей из корпуса, электродвигателя, механической коробки передач, силового ходового винта, подвижного редуктора с гайками, коронки и ударного механизма, согласно изобретению, она содержит дополнительный ходовой винт, взаимодействующий с резьбовым отверстием, выполненным вдоль оси вспомогательного ведомого зубчатого колеса механической коробки передач, находящегося в постоянном зацеплении с первым ведущим зубчатым колесом, расположенным на ведущем валу механической коробки передач и свободно вращающемся относительно него, при этом на ведущем валу механической коробки передач также расположено второе ведущее зубчатое колесо, свободно вращающееся относительно него и находящееся в постоянном зацеплении с основным ведомым зубчатым колесом, неподвижно соединенным с ведомым валом, являющимся продолжением силового ходового винта, при этом между первым и вторым ведущими зубчатыми колесами механической коробки передач расположена муфта переключения, закрепленная на ведущем валу, вращающаяся вместе с ним, свободно перемещающаяся вдоль его оси и обеспечивающая передачу крутящего момента от ведущего вала механической коробки передач первому или второму ведущим зубчатым колесам посредством их блокировки на нем, выполненная с возможностью автоматического переключения, за счет наличия на муфте переключения двух шпоночных выступов, входящих в шпоночные канавки, имеющиеся на ведущем валу, а также обеспечивающая возможность нейтрального положения относительно них, при котором первое и второе ведущие зубчатые колеса свободно вращаются относительно ведущего вала механической коробки передач, при этом на дополнительном ходовом винте со стороны электродвигателя, симметрично относительно оси дополнительного ходового винта, располагается бокс для размещения научных приборов в форме цилиндра, диаметром меньше диаметра буримого шпура, с соосно размещенным на его торце твердосплавным индентором, а со стороны коронки, на цилиндрической части конца дополнительного ходового винта расположен выступ, взаимодействующий с пазом, выполненным в корпусе буровой установки и направленным параллельно оси дополнительного ходового винта, при этом корпус буровой установки располагается на платформе, неподвижно зафиксированной относительно исследуемого участка поверхности небесного тела, и обеспечивающей возможность поворота корпуса буровой установки на угол 180 градусов с фиксацией в неподвижном положении, при угле поворота, составляющем 0 и 180 градусов, при этом поворот осуществляется относительно оси, перпендикулярной к плоскости, в которой лежат оси коронки и дополнительного ходового винта таким образом, что при повороте корпуса буровой установки на 180 градусов, оси коронки и дополнительного ходового винта меняются своим положением в пространстве.
Технический результат, получаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении возможности проведения научных исследований в шпурах, выбуренных буровой установкой, посредством доставки туда научных приборов.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 приведена кинематическая схема заявляемой буровой установки, а на фиг. 2 показан принцип ее действия при работе в составе исследовательского планетохода.
Буровая установка состоит из следующих деталей (фиг. 1): корпуса 1, электродвигателя 2, механической коробки передач 3, силового ходового винта 4, подвижного редуктора 5 с гайками 6, коронки 7, ударного механизма 8, дополнительного ходового винта 9, бокса 10 для размещения научных приборов, выполненного в форме цилиндра, диаметром меньше диаметра буримого шпура, с соосно размещенным на его торце твердосплавным индентором 11.
Дополнительный ходовой винт 9 взаимодействует с резьбовым отверстием 12, выполненным вдоль оси Х-Х вспомогательного ведомого зубчатого колеса 13 механической коробки передач 3. Таким образом, ось Х-Х является как осью вспомогательного ведомого зубчатого колеса 13, так и осью дополнительного ходового винта 9.
Вспомогательное ведомое зубчатое колесо 13 находится в постоянном зацеплении с первым ведущим зубчатым колесом 14, расположенным на ведущем валу 15 механической коробки передач 3 и свободно вращающемся относительно него. На ведущем валу 15 механической коробки передач 3 также расположено второе ведущее зубчатое колесо 16, свободно вращающееся относительно него и находящееся в постоянном зацеплении с основным ведомым зубчатым колесом 17, неподвижно соединенным с ведомым валом 18, являющимся продолжением силового ходового винта 4. Между первым 14 и вторым 16 ведущими зубчатыми колесами механической коробки передач 3 расположена муфта переключения 19, закрепленная на ведущем валу 15, вращающаяся вместе с ним и свободно перемещающаяся вдоль его оси Y-Y.
Муфта переключения 19 обеспечивает передачу крутящего момента от ведущего вала 15 первому 14 или второму 16 ведущим зубчатым колесам посредством их блокировки на нем, а также может находиться в нейтральном положении относительно них, при котором первое 14 и второе 16 ведущие зубчатые колеса свободно вращаются относительно ведущего вала 15.
Первое 14 и второе 16 ведущие зубчатые колеса выполняются со шлицевыми венцами 20 и 21 соответственно, обращенными в сторону муфты переключения 19, которая с обеих сторон имеет соответствующие им выступы 22 и 23. Для блокировки на ведущем вале 15 первого 14 или второго 16 ведущих зубчатых колес, муфта переключения 19 перемещается в направлении, указанном стрелкой А или В соответственно. При этом образуется шлицевое соединение между выступами 22 или 23 муфты переключения 19 и шлицевым венцом 20 или 21 блокируемого зубчатого колеса (14 или 16), за счет чего ему обеспечивается передача крутящего момента от ведущего вала 15 через муфту переключения 19.
Передача крутящего момента от ведущего вала 15 муфте переключения 19, а также ее перемещение вдоль его оси Y-Y, осуществляются за счет наличия на муфте переключения 19 двух шпоночных выступов 24, входящих в шпоночные канавки 25, имеющиеся на ведущем вале 15.
Бокс 10 для размещения научных приборов располагается на дополнительном ходовом винте 9 со стороны электродвигателя 2, симметрично относительно оси Х-Х. Со стороны коронки 7, на цилиндрической части конца дополнительного ходового винта 9, расположен шпоночный выступ 26, входящий в шпоночную канавку 27, выполненную в корпусе 1 буровой установки и направленную параллельно оси Х-Х.
Фиксация вращающихся деталей в заявляемой буровой установке осуществляется посредством подшипниковых узлов 28. Передача крутящего момента от силового ходового винта 4 подвижному ведущему зубчатому колесу 29, а также его перемещение под действием гаек 6 вдоль оси Z-Z силового ходового винта 4, осуществляются за счет наличия на подвижном ведущем зубчатом колесе 29 двух шпоночных выступов 30. Шпоночные выступы 30 при этом входят в шпоночные канавки 31, имеющиеся на силовом ходовом винте 4. Крутящий момент с подвижного зубчатого колеса 29 передается за счет постоянного зацепления на подвижное ведомое зубчатое колесо 32, откуда поступает на коронку 7, приводя ее во вращение.
Для исключения вращения подвижного редуктора 5 вместе с силовым ходовым винтом 4 в процессе работы буровой установки, на корпусе подвижного редуктора 5 имеется шпоночный выступ 33, входящий в шпоночную канавку 34, выполненную в корпусе 1 буровой установки и направленную параллельно оси Z-Z силового ходового винта 4.
Корпус 1 буровой установки располагается на платформе 35 (фиг. 2), установленной на манипуляторе 36 исследовательского планетохода 37. В процессе бурения платформа 35 неподвижно фиксируется относительно исследуемого участка поверхности 38 небесного тела за счет ножа 39, внедряемого в поверхность 38 небесного тела под действием массы буровой установки и манипулятора 36.
Платформа 35 обеспечивает возможность поворота корпуса 1 буровой установки на угол 180 градусов с его фиксацией в неподвижном положении при угле поворота, составляющем 0 и 180 градусов. Поворот осуществляется относительно оси V-V (фиг. 2), перпендикулярной к плоскости, в которой лежит ось U-U коронки 7 и ось Х-Х дополнительного ходового винта 9, таким образом, что при повороте корпуса 1 буровой установки на 180 градусов, ось U-U коронки 7 и ось Х-Х дополнительного ходового винта 9 меняются своим положением в пространстве (фиг. 1). Точка С (фиг. 1) - это точка пересечения оси V-V (фиг. 2), относительно которой осуществляется поворот корпуса 1 буровой установки, и плоскости, в которой лежат оси U-U и Х-Х.
Предлагаемая буровая установка для исследования горных пород на небесных телах работает следующим образом. Планетоход 37 доставляет буровую установку к исследуемому участку поверхности 38 небесного тела (фиг. 2а). С помощью манипулятора 36 буровая установка устанавливается вертикально относительно него и фиксируется за счет ножа 39, внедряемого в поверхность 38 под действием массы буровой установки и манипулятора 36 (фиг. 2б). После этого, автоматикой буровой установки осуществляется перемещение муфты переключения 19 в направлении, обозначенном стрелкой В, вплоть до образования шлицевого соединения между соответствующими выступами 23 муфты переключения 19 и шлицевым венцом 21 блокируемого второго ведущего зубчатого колеса 16. За счет этого ему обеспечивается передача крутящего момента от ведущего вала 15 (фиг. 1).
При этом передача крутящего момента от ведущего вала 15 муфте переключения 19, а также ее перемещение вдоль него осуществляются за счет наличия на муфте переключения 19 двух шпоночных выступов 24, входящих в шпоночные канавки 25, имеющиеся на ведущем вале 15 (фиг. 1).
Далее, автоматикой буровой установки производится включение электродвигателя 2. В результате этого приводится во вращение ведущий вал 15, от которого крутящий момент поступает на муфту переключения 19 и передается через шлицевое соединение второму ведущему зубчатому колесу 16, с которого далее за счет постоянного зацепления поступает на основное ведомое зубчатое колесо 17, что приводит во вращение ведомый вал 18 и силовой ходовой винт 4. Взаимодействие вращающегося силового ходового винта 4 с неподвижными гайками 6 приводит к перемещению подвижного редуктора 5 в направлении, указанном стрелкой D. Исключение вращения подвижного редуктора 5 вместе с силовым ходовым винтом 4 в процессе работы буровой установки обеспечивается за счет шпоночного выступа 33, входящего в шпоночную канавку 34, выполненную в корпусе 1 буровой установки и направленную параллельно оси Z-Z силового ходового винта 4 (фиг. 1).
При этом крутящий момент с силового ходового винта 4 также передается на подвижное ведущее зубчатое колесо 29 за счет взаимодействия двух шпоночных выступов 30, расположенных на подвижном ведущем зубчатом колесе 29, и шпоночных канавок 31, имеющихся на силовом ходовом винте 4. Крутящий момент с подвижного ведущего зубчатого колеса 29 передается за счет постоянного зацепления на подвижное ведомое зубчатое колесо 32, откуда поступает на коронку 7, приводя ее во вращение. Перемещение подвижного редуктора 5 в направлении, указанном стрелкой D, с одновременным вращательным движением коронки 7, обеспечивает процесс бурения исследуемого участка поверхности 38 небесного тела. При необходимости бурения горных пород повышенной крепости, автоматикой буровой установки может быть включен ударный механизм 8, обеспечивающий нанесение по коронке 7 продольных ударов (фиг. 1, фиг. 2в).
После завершения бурения исследовательского шпура 40 на заданную глубину, автоматикой буровой установки выключается ударный механизм 8, а двигатель 2 переводится в режим реверса. В результате этого ведущий вал 15, а также механически связанный с ним силовой ходовой винт 4, начинают вращаться в обратную сторону. Это приводит к перемещению подвижного редуктора 5 в обратном направлении (противоположном тому, которое обозначено стрелкой D) и извлечению коронки 7 из шпура 40 (фиг. 1, фиг. 2г).
После перемещения подвижного редуктора 5 в положение, предшествующее началу бурения, автоматикой буровой установки отключаются двигатель 2 и механизм фиксации буровой установки в неподвижном положении на платформе 35 (фиг. 2г). Далее производится поворот корпуса 1 буровой установки на 180 градусов в направлении стрелки L, после чего осуществляется его фиксация в неподвижном положении (фиг. 1, фиг. 2д).
Поворот осуществляется относительно оси V-V (фиг. 2), перпендикулярной к плоскости, в которой лежит ось U-U коронки 7 и ось Х-Х дополнительного ходового винта 9, таким образом, что при повороте корпуса 1 буровой установки на 180 градусов, ось U-U коронки 7 и ось Х-Х дополнительного ходового винта 9 меняются своим положением в пространстве (фиг. 1). Точка С (фиг. 1) - это точка пересечения оси V-V (фиг. 2), относительно которой осуществляется поворот корпуса 1 буровой установки, и плоскости, в которой лежат оси U-U и Х-Х. Таким образом, в результате поворота корпуса 1 буровой установки, ось Х-Х дополнительного ходового винта 9, являющаяся также осью симметрии бокса 10, совпадает с осью симметрии пробуренного шпура 40 (фиг. 2д), что позволяет погружать в него бокс 10 на заданную глубину посредством дополнительного ходового винта 9.
После поворота корпуса 1, автоматикой буровой установки осуществляется перемещение муфты переключения 19 в направлении, обозначенном стрелкой А, вплоть до образования шлицевого соединения между соответствующими выступами 22 муфты переключения 19 и шлицевым венцом 20 блокируемого первого ведущего зубчатого колеса 14. За счет этого ему обеспечивается передача крутящего момента от ведущего вала 15 (фиг. 1).
Далее, автоматикой буровой установки производится включение электродвигателя 2. В результате этого приводится во вращение ведущий вал 15, от которого крутящий момент поступает на муфту переключения 19 и передается через шлицевое соединение первому ведущему зубчатому колесу 14, с которого далее за счет постоянного зацепления поступает на вспомогательное ведомое зубчатое колесо 13. Вращающееся вспомогательное ведомое зубчатое колесо 13 взаимодействует посредством резьбового отверстия 12 с дополнительным ходовым винтом 9, зафиксированным в шпоночной канавке 27 за счет шпоночного выступа 26. В результате этого осуществляется перемещение дополнительного ходового винта 9 и бокса 10 по направлению к забою шпура 40 на заданную глубину, где необходимо произвести исследования. После достижения этой глубины автоматикой буровой установки осуществляется выключение электродвигателя 2. Научные приборы, размещенные в боксе 10, производят необходимые измерения (фиг. 1, фиг. 2е).
Наличие твердосплавного индентора 11, соосно размещенного на торце бокса 10, позволяет определять прочностные свойства исследуемой горной породы посредством корреляционной зависимости между ними и усилием, необходимым для внедрения твердосплавного индентора 11 в забой шпура 40 на заданную глубину. Для этого автоматикой буровой установки производится включение электродвигателя 2 и перемещение дополнительного ходового винта 9 с боксом 10 в шпуре 40 вплоть до внедрения твердосплавного индентора 11 в забой шпура 40 на требуемую глубину. Использование при этом винтового механизма подачи, реализованного посредством дополнительного ходового винта 9, позволяет осуществлять перемещение твердосплавного индентора 11 на постоянную величину за один оборот вспомогательного ведомого зубчатого колеса 13, определяемую шагом резьбы, нарезанной на дополнительном ходовом винте 9. Фиксация усилия, необходимого для внедрения твердосплавного индентора 11, при этом может быть осуществлена на основании величины тока электродвигателя 2 (фиг. 1, фиг. 2е).
После завершения научных измерений электродвигатель 2 переводится автоматикой буровой установки в режим реверса. Это приводит к перемещению дополнительного ходового винта 9 с размещенным на нем боксом 10 по направлению к устью шпура 40, в результате чего бокс 10 извлекается из шпура 40 (фиг. 1, фиг. 2е).
Положительные результаты заявляемого изобретения заключаются в обеспечении возможности доставки бокса с научными приборами в выбуренный шпур для проведения исследований, а также в реализации дистанционного определения прочностных свойств исследуемых горных пород на небесных телах посредством вдавливания твердосплавного индентора в забой выбуренного шпура.