УЛЬТРАЗВУКОВОЙ БУР
ULTRASONIC DRILL

Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам для забора проб грунта, выполнения каналов для установки исследовательских датчиков и иных устройств на заданной глубине, и может быть использовано при изучении планет, комет и других небесных тел.
Исследование неземных объектов путем забора образцов грунта с необходимой глубины без изменения структуры и состава исследуемого материала или установка датчиков для контроля процессов в грунте путем выполнения отверстий малого диаметра на глубину до нескольких метров остается одной из сложнейших проблем при исследовании поверхности других планет [1].
Известны устройства (буры), предназначенные для забора образцов неземного грунта путем выполнения отверстий малого диаметра за счет механического вращения инструмента [2]. У известного бура рабочий инструмент выполнен в виде сверла с твердосплавным наконечником. Рабочий инструмент, вращаясь при помощи мотор-редуктора, постепенно вводится в грунт и выталкивает его наружу. На поверхности установлен контейнер, в который происходит забор образцов выработанного грунта.
Основные недостатки известного устройства - нагрев из-за введения большого количества энергии в зону бурения (это приводит к изменению структуры и состава грунта, а также испарению летучих компонентов) и невозможность выполнения отверстий на большую глубину из-за необходимости постоянного увеличения усилий бурения.
Для устранения недостатков, обусловленных вращением буров, используются ультразвуковые буры. Дополнения поступательного и вращательного движения колебательным с ультразвуковой частотой позволяют снизить усилия обработки и увеличить скорость бурения.
Известны ультразвуковые буры, содержащие последовательно установленные и акустически связанные между собой заднюю частотно-понижающую отражающую накладку, пьезоэлектрические кольцевые элементы, рабочую накладку, концентратор, выполненный в виде стержня переменного сечения и рабочий инструмент с внутренней полостью для забора образца грунта [3, 4].
Основным недостатком известных устройств является невозможность получения нескольких образцов грунта с разных глубин за один проход. Как правило, диаметр преобразователя превосходит диаметр инструмента. При использовании такого бура необходимо последовательно высверливать и удалять грунт из зоны сверления. При сверлении сыпучего грунта и при изъятии бура из зоны сверления происходит осыпание грунта. Глубина бурения не превышает длины соединительного устройства (концентратора) между инструментом и преобразователем. При использовании устройства эффективность процесса сверления грунта будет мала, а глубина бурения не превысит нескольких десятков сантиметров, что недостаточно для установки исследовательских датчиков.
Кроме того, формируемый внутри рабочего инструмента образец забираемого грунта длительное время (время формирования необходимого количества грунта) подвергается ультразвуковому воздействию, что обуславливает его нагрев и изменение свойств за счет энергетического воздействия.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является ультразвуковой бур, принятый за прототип [5], состоящий из пьезоэлектрического преобразователя электрических колебаний в механические, концентратора-усилителя механических колебаний, рабочего инструмента, устройств вертикального перемещения и возвратно-вращательного движения.
Отличительная особенность прототипа от известных ультразвуковых буров в том, что в рабочем инструменте выполнены каналы для прохождения разрыхленного грунта. При выполнении бурения прототип совершает колебательные движения, разрушая грунт. Разрушенный грунт через каналы в инструменте выходит на внешнюю поверхность инструмента и заполняет свободную полость между инструментом и пьезоэлектрическим преобразователем. Это позволяет передать грунт без нагрева в зону расположения контейнеров и обеспечить бурение на глубину большую, чем при использовании аналогов.
Однако, поскольку диаметры инструмента и преобразователя равны глубине бурения, будет ограничена возможностью распределения грунта в области участков концентратора меньшего, чем инструмент диаметра, с незначительным уплотнением грунта в стенки канала за счет механического (возвратно-поступательного) движения бура.
Максимальная глубина канала, выполняемого прототипом, не превышает длины бура (пьезопреобразователя с концентратором и инструментом).
Таким образом, выявленные недостатки снижают эффективность бурения, исключают забор грунта с необходимых глубин, изменяют свойства и ухудшают качество полученных образцов грунта и не позволяют осуществлять установку датчиков и специальных устройств (например, взрывных устройств для создания сейсмических волн в грунте) на заданную глубину.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков прототипа и создание ультразвукового бура, способного обеспечить забор образцов грунта и установку датчиков на заданной глубине.
Суть технического решения заключается в том, что в предлагаемом ультразвуковом буре, состоящем из пьезоэлектрического преобразователя электрических колебаний в механические, концентратора-усилителя механических колебаний, рабочего инструмента, устройств вертикального перемещения и возвратно-вращательного движения, рабочий инструмент со стороны рабочей поверхности имеет периферийный трубчатый участок диаметром, превосходящим диаметр пьезопреобразователя, центральный конусообразный участок выполнен длиной, превышающей длину трубчатого участка, между центральным и периферийным участками выполнены сквозные каналы, диаметр которых соответствует расстоянию между внутренней стенкой трубчатого участка и внешней стороной конусного участка, направление оси каналов совпадает с направлением образующих конусного участка инструмента, со стороны нерабочей поверхности инструмент имеет соединительную плоскую площадку диаметром, соответствующим диаметру основания конусного участка, со стороны нерабочей поверхности рабочий инструмент механически и акустически соединен с концентратором. Концентратор выполнен в виде металлического стержня переменного сечения, состоящего из соединенных плавными переходами участков цилиндрической формы различного диаметра и длины, причем участок концентратора, соединенный с инструментом конусообразно, изменяет диаметр от диаметра соединительной площадки до диаметра пьезопреобразователя, на его внешней поверхности выполнены грунтоотводящие каналы, форма и размеры которых выбираются с учетом параметров устройства вращательного движения. Цилиндрические участки концентратора максимального диаметра соединены тонкостенной трубкой с внешним диаметром, соответствующим диаметру пьезопреобразователя, на внутренней стороне трубки выполнены крепления датчиков или контейнеров для забора грунта, на внешней поверхности выполнены центрирующие и направляющие элементы. Пьезоэлектрический преобразователь выполнен из последовательно установленных и акустически связанных между собой частотно-понижающих накладок и пьезоэлементов кольцевой формы, причем соединенная с концентратором излучающая накладка выполнена из металла с меньшей плотностью, чем неизлучающая накладка, соединенная с устройством вращательного движения, соединение устройства вращательного движения с пьезопреобразователем осуществляется стержнем, из материала, соответствующего материалу неизлучающей накладки, диаметром не более внутреннего диаметра пьезоэлемента и длиной, равной четверти длины волны УЗ колебаний на рабочей частоте бура в материале стержня, соединенное с пьезопреобразователем устройство возвратно-вращательного движения состоит из двигателя проворота бура за заданный угол в одну и другую стороны относительно линии, перпендикулярной оси бура и элементов фиксации устройства возвратно-вращательного движения относительно устройства вертикального перемещения.
Технический результат выражается в создании ультразвукового бура, позволяющего обеспечить неограниченную глубину бурения за счет разрушения, распределения и уплотнения грунта вдоль стенок канала, обеспечив при этом отбор высококачественных образцов грунта, полученных с необходимых глубин, и установку датчиков и других устройств на заданную глубину.
Сущность предлагаемого технического решения и принцип его работы поясняются Фиг. 1.
На Фиг. 1 схематично представлен предлагаемый ультразвуковой бур.
Предлагаемый ультразвуковой бур состоит из пьезоэлектрического преобразователя электрических колебаний в механические 1, концентратора-усилителя механических колебаний 2, рабочего инструмента 3, устройства вертикального перемещения 4 и устройства возвратно-вращательного движения 5. При этом рабочий инструмент 3 со стороны рабочей поверхности имеет периферийный трубчатый участок 6 диаметром D, превосходящим диаметр d пьезопреобразователя 1, центральный конусообразный участок 7 выполнен длиной, превышающей длину трубчатого участка, между центральным и периферийным участками выполнены сквозные каналы 8, диаметр которых соответствует расстоянию между внутренней стенкой трубчатого участка и внешней стороной конусного участка, направление оси каналов совпадает с направлением образующих конусного участка 7 инструмента, со стороны нерабочей поверхности инструмент имеет соединительную плоскую площадку 9 диаметром, соответствующим диаметру основания конусного участка, со стороны нерабочей поверхности рабочий инструмент механически и акустически соединен с концентратором 2, выполненным в виде металлического стержня переменного сечения, состоящего из соединенных плавными переходами участков цилиндрической формы различного диаметра и длины, причем участок 10 концентратора 2, соединенный с инструментом, конусообразно изменяет диаметр от диаметра соединительной площадки до диаметра пьезопреобразователя, на его внешней поверхности выполнены грунтоотводящие каналы 11, форма и размеры которых выбираются с учетом параметров устройства вращательного движения, цилиндрические участки концентратора максимального диаметра соединены тонкостенной трубкой 12 с внешним диаметром, соответствующим диаметру пьезопреобразователя 1, на внутренней стороне трубки выполнены крепления датчиков или контейнеров 13 для забора грунта, на внешней поверхности выполнены центрирующие и направляющие элементы 14, пьезоэлектрический преобразователь выполнен из последовательно установленных и акустически связанных между собой частотно-понижающих накладок 15 и пьезоэлементов 16 кольцевой формы, причем соединенная с концентратором излучающая накладка выполнена из металла с меньшей плотностью, чем неизлучающая накладка, соединенная с устройством вращательного движения 5, соединение устройства вращательного движения с пьезопреобразователем осуществляется стержнем 17, из материала, соответствующего материалу неизлучающей накладки, диаметром не более внутреннего диаметра пьезоэлемента и длиной, равной четверти длины волны УЗ колебаний на рабочей частоте бура в материале стержня, соединенное с пьезопреобразователем устройство возвратно-вращательного движения 5 состоит из двигателя возвратно-вращательного движения (проворота) бура за заданный угол в одну и другую стороны относительно линии, перпендикулярной оси бура и элементов 18 фиксации устройства возвратно-вращательного движения относительно устройства вертикального перемещения. Выше устройства возвратно-вращательного движения 5 размещается устройство 19 для хранения, постановки и изъятия контейнеров для забора грунта.
Выполнение рабочего инструмента 3 с трубчатым участком 6 диаметром D позволяет формировать канал требуемого размера по диаметру и ограничивает разрушение грунта. Центральный конусообразный участок 7 производит разрушение грунта, а выполнение его длиной, превышающей длину трубчатого участка, обеспечивает разрушение грунта от центра инструмента и направление разрушенного грунта в сквозные каналы 8, диаметр которых соответствует расстоянию между внутренней стенкой трубчатого участка и внешней стороной конусного участка, а оси каналов совпадает с направлением образующих конусного участка 7 инструмента. Разрушенный грунт по колеблющейся поверхности участка инструмента через каналы 8 выходит на нерабочую поверхность инструмента 9 и подвергается ультразвуковому воздействию нерабочей поверхности инструмента и участка 10 концентратора 2.
В составе ультразвукового бура использовано концентрирующее звено, объединяющее классический концентратор с резонирующей на его собственной частоте дополнительной массой в виде участка 10. Особенность использования резонирующей массы заключается в том, что она совершает объемные колебания с амплитудой, получаемой при использовании классического концентрирующего звена. Так, если пьезоэлектрический преобразователь может совершать колебания с амплитудой до 10 мкм, присоединение к нему классического концентратора, выполненного в виде уменьшающего свой диаметр, например в 2 раза, металлического стержня, позволяет увеличить амплитуду колебаний в 4 раза, т.е. до 40 мкм. Присоединение к такому концентратору резонирующей массы обеспечивает ее колебания в продольном направлении с той же амплитудой, т.е. резонирующая масс и прикрепленный к ее торцевой поверхности рабочий инструмент будут совершать продольные колебания с амплитудой 40 мкм. Это обеспечит очень высокую скорость бурения.
С другой стороны, совершая продольные колебаний с рабочей частотой (20…30 кГц), резонирующая масса будет совершать поперечные колебания. Амплитуда этих колебаний будет примерно в два раза меньше и составит около 20 мкм.
Эти колебания обеспечат не только движение частичек грунта вверх по грунтоотводящим каналам 11, но и формирование стенки канала за счет уплотнения грунта ультразвуковыми колебаниями. Форма и размеры грунтоотводящих каналов выбираются таким образом, чтобы при реализации возвратно-вращательного движения частички грунта могли перемещать вверх и равномерно распределяться вдоль боковой поверхности колеблющейся резонирующей массы. Тонкостенная трубка 12 с внешним диаметром, соответствующим диаметру пьезопреобразователя 1, механически соединяется с участками концентратора, колеблющимися с минимальными амплитудами (нули колебаний), поэтому не совершает и не передает колебаний. Поэтому закрепленные на внутренней стороне трубки датчиков или контейнеров для забора грунта не будут подвергаться ультразвуковому воздействию. Точно также расположенные на внешней поверхности центрирующие и направляющие элементы 14 не будут совершать колебания, что обеспечит необходимую центровку бура.
Присоединение к пьезоэлементам 16 дополнительных масс накладок увеличивает общую высоту полуволнового преобразователя и снижает его частоту. Излучающая частотно-понижающая накладка 4 в предлагаемом преобразователе изготавливается из дюралюминиевого сплава (Д16Т), а отражающая 10 - из стали (Сталь 45). Такой выбор материала обусловлен необходимостью снижения массы преобразователя и повышения его КПД за счет увеличения отношения волновых сопротивлений отражающей и излучающей частотно-понижающих накладок.
Акустическая связь внутри преобразователя обеспечивается за счет того, что пьезоэлектрические элементы 16 зажаты между частотно-понижающей излучающей накладкой и отражающей частотно-понижающей накладками с силой, многократно превышающей величину знакопеременной силы, создаваемой пьезоэлектрическими элементами.
Соединение устройства вращательного движения с пьезопреобразователем осуществляется стержнем 17 из материала, соответствующего материалу неизлучающей накладки, диаметром не более внутреннего диаметра пьезоэлемента и длиной, равной четверти длины волны УЗ колебаний на рабочей частоте бура в материале стержня, соединенное с пьезопреобразователем устройство возвратно-вращательного движения 5 состоит из двигателя проворота бура за заданный угол в одну и другую стороны относительно линии, перпендикулярной оси бура и элементов 18 фиксации устройства возвратно-вращательного движения относительно устройства вертикального перемещения.
Крепежная шпилька задней отражающей накладки выступает над поверхностью отражающей частотно-понижающей накладки на величину, соответствующую половине длины волны в материале шпильки. Выполнение шпильки такой длины и диаметра позволяет исключить передачу ультразвуковых колебаний от преобразователя к устройству возвратно-поступательного движения и элементам фиксации этого устройства.
Ультразвуковой бур работает следующим образом.
На первом этапе осуществляется бурение канала на заданную глубину, например на Луне до 2 м.
В процессе бурения периферийным трубчатым участком инструмента формируется канал заданного диаметра, центральным конусообразным участком обеспечивается разрушение грунта под инструментом и его продвижение к каналом в инструменте. Разрушенный грунт, пройдя через каналы в инструменте, попадает в зону действия резонирующей массы участка концентратора. Частички грунта под действием ультразвуковых колебаний и возвратно-вращательного движения бура перемещаются по грунтоотводящим каналам и равномерно распределяются вдоль цилиндрической поверхности резонирующей массы. Воздействие высокоинтенсивных колебаний на тонкий слой частичек грунта обеспечивает их уплотнение (уменьшение объема в несколько раз) и равномерное распределение уплотненного грунта вдоль поверхности канала. В процессе бурения может осуществляться контроль скорости бурения, температуры рабочего инструмента и соответствия частоты выходного напряжения генератора и резонансной частоты пьезоэлектрической колебательной системы, согласование выходного импеданса генератора с нагрузкой и поддержание амплитуды механических колебаний рабочего инструмента на заданном уровне при возможных изменениях условий эксплуатации.
При необходимости, может осуществляться остановка бура на заданной глубине, выключаться ультразвуковое воздействие и только за счет возвратно-вращательного движения в стенку грунта могут вводиться необходимые датчики. После выполнения канала на заданную глубину обеспечивается выведение ультразвукового бура с последующим введением в канал необходимых пассивных датчиков или устройств, обеспечивающих воздействие на грунт.
Предварительные оценки показали, что в зависимости от породы грунта возможен вариант режима бурения без прекращения процесса до глубины до 2 м.
Использование предлагаемого устройства позволяет получать образцы грунта с требуемой глубины, провести качественное исследование состава грунта в месте его залегания и получить глубинный разрез скважины за одно бурение, обеспечить установку необходимых датчиков и устройств активного воздействия на грунт.
Предложенное ультразвуковое грунтозаборное устройство прошло успешные испытания в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института (филиала) Алтайского государственного технического университета и малого инновационного предприятия ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ».
Источники информации
1. Bar-Cohen Y. Zacny K. (Eds.). Drilling in Extreme Environments: Penetration and Sampling on Earth and other Planets, Weinheim, 2009.
2. Sample collecting apparatus of space machine [Текст]: пат. 6138522 США: МПК7 G01N 1/00; E21B 49/02; G01N 1/08; G01N 35/00; G01N 1/00; E21B 49/00; G01N 1/04; G01N 35/00; E21B 49/00 / Hiroaki Miyoshi (Япония) патентообладатель: NEC Corporation (Япония) заявка: 08/827,496 от 28.03.1997. Опубликовано: 31.10.2000.
3. Self mountable and extractable ultrasonic/sonic anchor [Текст]: пат. 7156189 США: МПК Е21С 37/02; А61B 17/00; B25D 17/06; H02N 2/00 / Bar-Cohen Yoseph (США) Sherrit Stewart (США) патентообладатель: The United States of America as represented by the Administrator of the National Aeronautics and Space Administration (США) заявка: 11/001,465 от 01.12.2004. Опубликовано: 02.01.2007.
4. Ultrasonic/sonic mechanism of deep drilling (USMOD) [Текст]: пат. 6968910 США: МПК7 E21B 7/24; E21B 25/00; E21B 7/00; E21B 25/00; E21B 7/24; E21B 49/02 / Bar-cohen Yoseph (США) Sherrit Stewart (США) Dolgin Benjamin (США) Bao Xiaoqi (США) Askins Stephen (США) заявка: 10/304192 от 27.11.2002. Опубликовано: 29.11.2005.
5. Ультразвуковое грунтозаборное устройство: Пат. 2503815 Рос. Федерация: МПК Е21С 51/00 / Генне Д.В., Костенко В.И., Митрофанов И.Г., Нестеров В.А., Хмелев В.Н., Хмелев С.С., Цыганок С.Н: Заявитель и патентообладатель ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ» - №2012130789, заявл. 18.07.2012, опубл. 10.01.2014, Бюл. №1 - 13 с. - прототип.