趙德明　王賀　高興文　胡明

摘 要： 為了解決月壤鉆探取樣過程中所存在的由臨界尺度月壤顆粒導(dǎo)致負(fù)載異常的問題，從試驗(yàn)與離散元仿真兩方面研究鉆具在含臨界尺度顆粒月壤中的負(fù)載特性，揭示臨界尺度月壤顆粒與鉆具的作用機(jī)理，以期為鉆進(jìn)規(guī)程制定和月壤機(jī)械性質(zhì)反演等提供支撐。結(jié)果表明：臨界尺度顆粒運(yùn)移特性與鉆進(jìn)負(fù)載具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。臨界尺度顆粒半徑越大，偏置距離越小，鉆頭負(fù)載越大，對(duì)應(yīng)的工況就越危險(xiǎn)；臨界尺度顆粒的形狀對(duì)負(fù)載的大小及變化趨勢(shì)影響不大，但會(huì)增加負(fù)載曲線的波動(dòng)幅度，使鉆具抖動(dòng)。鉆具卡鉆和堵鉆現(xiàn)象主要由臨界尺度顆粒與鉆具的伴隨運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致，偏載現(xiàn)象由臨界尺度顆粒在鉆具周圍的螺旋運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致；其中，顆粒在鉆具周圍伴隨運(yùn)動(dòng)的幅度受顆粒長(zhǎng)徑比變化影響，長(zhǎng)徑比較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致鉆具負(fù)載波動(dòng)劇烈。

關(guān)鍵詞： 月壤；臨界尺度顆粒；鉆進(jìn)負(fù)載；運(yùn)移特性；離散元方法

中圖分類號(hào)： V19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1673-3851 （2023） 03-0254-09

引文格式：趙德明，王賀，高興文，等.含臨界尺度顆粒月壤的鉆進(jìn)負(fù)載特性分析［J］. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2023，49（2）：254-262.

Reference Format： ZHAO Deming， WANG He， GAO Xingwen， et al. Analysis of the drilling load in lunar soil with critical size particles［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（2）：254-262.

Analysis of the drilling load in lunar soil with critical size particles

ZHAO Deming， WANG He， GAO Xingwen， HU Ming

（School of Mechanical Engineering， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：?? To address the loading anomalies caused by critical-scale lunar soil particles during lunar soil drilling and sampling， we investigated the payload of drilling tools in lunar soil containing critical size particles from both experiments and simulations and revealed the mechanism of interaction between critical size lunar soil particles and drilling tools， in the hope of providing support for the formulation of drilling procedures and the inversion of lunar soil mechanical properties. The results show that the critical size particle transport properties are highly correlated with the drilling load. The bigger the critical particle radius is， the smaller the offset distance is; the bigger the bit load is， the more dangerous the corresponding working condition is. The shape of the critical scale particles does not have a significant impact on the size and change trend of the load but will make drilling tool shake by increasing the fluctuation of the load curve. The jamming and plugging of drilling tools are mainly caused by the accompanying motion of the critical size particles and the drilling tools， and the off-loading phenomenon is caused by the spiral motion of the critical size particles around the drilling tools. Specifically， the amplitude of the accompanying movement of particles around the drilling tool is affected by the change of the particle length-diameter ratio， and when the length-diameter ratio is large， the load of the drill tool will fluctuate violently.

Key words： lunar soil; critical size particles; drilling load; transport properties; discrete element method

0 引 言

月球土壤鉆探取樣（月壤鉆進(jìn)取樣）是月球探測(cè)項(xiàng)目的重要組成部分。蘇聯(lián)Luna 20探測(cè)器在鉆進(jìn)過程中發(fā)生鉆進(jìn)故障，最終僅取得0.05 kg月壤樣品，且Luna 24探測(cè)器在鉆進(jìn)過程中也因負(fù)載過大而多次報(bào)警［1］。臨界尺度月壤顆粒的粒徑與取樣作用器具執(zhí)行末端［2］尺度相近。相比性質(zhì)較穩(wěn)定的月塵與月巖，臨界尺度月壤顆粒的粒徑和分布隨機(jī)性更強(qiáng)，對(duì)鉆進(jìn)取樣活動(dòng)的影響也更大。在探月鉆進(jìn)取樣過程中，鉆具因臨界尺度月壤顆粒導(dǎo)致的故障模式主要有以下3種：a）臨界尺度月壤顆粒出現(xiàn)在鉆頭的正前方，堵塞取樣口，導(dǎo)致鉆具喪失取樣能力，破壞原有的鉆頭鉆進(jìn)排屑條件，致使負(fù)載急劇增加；b）臨界尺度月壤顆粒出現(xiàn)在鉆頭的側(cè)前方，對(duì)鉆具刃具產(chǎn)生沖擊載荷，破壞刃具結(jié)構(gòu)，同時(shí)導(dǎo)致鉆頭偏載，進(jìn)而使得鉆桿彎曲，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鉆桿整體失效；c）與鉆進(jìn)區(qū)域相鄰的臨界尺度顆粒刮擦、破壞軟質(zhì)鉆桿螺旋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致鉆具排屑失效［3］。

在月壤鉆進(jìn)取樣的研究中，大多數(shù)研究人員通過模擬月壤在地面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如：Li等［4］開展了月巖取心鉆頭鉆進(jìn)特性研究；Liu等［5］和肖洪［6］比較了不同鉆頭結(jié)構(gòu)對(duì)鉆進(jìn)過程的影響。以上文獻(xiàn)的研究重點(diǎn)在于探究鉆具結(jié)構(gòu)對(duì)鉆進(jìn)取樣的影響，由于月球環(huán)境的特殊性，需要對(duì)鉆進(jìn)過程進(jìn)行負(fù)載分析，判斷鉆進(jìn)故障產(chǎn)生原因，進(jìn)而改進(jìn)鉆進(jìn)工況。地面試驗(yàn)無法實(shí)時(shí)觀測(cè)到月壤內(nèi)部的動(dòng)態(tài)變化過程，但可以借助離散元方法（Discrete element method，DEM）揭示這些問題，如Hasan等［7］和Bui等［8］通過DEM進(jìn)行了月壤的建模和特性研究，Cui等［9］和Zhao等［10］進(jìn)行了月壤的鉆探和取樣研究。

本文為研究含臨界尺度顆粒月壤的鉆進(jìn)力載特性，對(duì)鉆頭鉆進(jìn)切削區(qū)進(jìn)行了失效力載分析，開展了多工況的鉆進(jìn)負(fù)載試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上建立了月壤鉆進(jìn)的仿真模型，通過仿真分析了含臨界尺度顆粒月壤的鉆進(jìn)負(fù)載特性，探究了臨界尺度月壤顆粒的形狀、位置等信息對(duì)鉆進(jìn)負(fù)載的影響規(guī)律，為后續(xù)鉆具的回轉(zhuǎn)速率、進(jìn)尺速率等鉆進(jìn)規(guī)程的制定以及月壤的內(nèi)摩擦角、抗剪強(qiáng)度和內(nèi)聚力等機(jī)械性質(zhì)的反演提供依據(jù)。

1 失效力載分析

為簡(jiǎn)化鉆頭切削刃與臨界尺度月壤顆粒間的復(fù)雜受力關(guān)系，本文將鉆頭與臨界尺度月壤顆粒間的回轉(zhuǎn)切削模型簡(jiǎn)化為直線切削模型。直線切削失效模型是描述切削刃與切削對(duì)象間力載關(guān)系的最基本模型，可使用庫(kù)倫提出的經(jīng)典土力學(xué)中的極限平衡理論來求解。McKyes等［11］通過引入切削刃構(gòu)型影響對(duì)月壤與鉆具間的極限平衡理論進(jìn)行修正，發(fā)現(xiàn)鉆具切削月壤過程存在兩種模型：?jiǎn)涡ń桥c雙楔角模型的切削模型。切削區(qū)域內(nèi)月壤的失效形式也分為單楔形失效和雙楔形失效，本文切削刃對(duì)應(yīng)失效形式為雙楔形失效。圖1為鉆頭切削刃與臨界尺度月壤顆粒相互作用的3種工況。

為分析鉆頭單切削刃與臨界尺度月壤顆粒相互作用的負(fù)載特性，本文建立了月壤失效力學(xué)模型。直線切削模型對(duì)應(yīng)的切削刃前端雙楔形失效區(qū)分為兩個(gè)部分：中心失效區(qū)和側(cè)向失效區(qū)。在建立臨界尺度月壤顆粒受力平衡方程前提出以下幾點(diǎn)假設(shè)：a）切削過程中，失效區(qū)的月壤微元沿切削刃的前刀面及失效區(qū)月壤內(nèi)某一滑動(dòng)面運(yùn)動(dòng)；b）失效區(qū)月壤微元為剛體，僅考慮微元受到的外部作用力，忽略微元自身的內(nèi)部間的相互作用力；c）切削過程中，失效區(qū)月壤微元處于極限平衡狀態(tài)。失效區(qū)鉆頭切削刃與臨界尺度月壤顆粒的受力分析如圖2所示。

對(duì)臨界尺度月壤顆粒進(jìn)行受力分析，可列如下平衡方程：

其中：chRp為側(cè)向失效區(qū)的力載影響；FX、FY分別表示臨界尺度月壤顆粒水平和垂直方向分力；P表示月壤對(duì)等效切削刃前刀面的力，F(xiàn)表示月壤對(duì)等效切削刃后刀面的力；α表示鉆具切削角；表示月壤與切削刃間摩擦角；β表示失效角；δ表示月壤內(nèi)摩擦角；q表示切削區(qū)覆土平均壓力；c表示月壤內(nèi)聚力；dc表示顆粒偏置距離；dr表示切削影響區(qū)半徑；G表示臨界尺度顆粒及切削區(qū)月壤的重力；γ表示月壤容重，指單位容積內(nèi)物體的質(zhì)量；h表示切削深度。

在式（2）—（5）導(dǎo)致鉆進(jìn)失效的因素中，δ、、c由月壤的物理機(jī)械性質(zhì)決定，F(xiàn)、Rc、h由鉆具結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)規(guī)程決定。月壤取樣實(shí)踐工程經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)鉆桿采用雙螺紋結(jié)構(gòu)時(shí)，主體結(jié)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)錐面的鉆頭更有助于排屑［12］，因此試驗(yàn)所采用鉆具選擇空心外螺旋結(jié)構(gòu)，其中鉆頭結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)拋物面，雙翼采用雙螺紋矩形螺旋翼。鉆頭構(gòu)型如圖3所示，其中A與B分別表示鉆頭的切削圓和外包絡(luò)圓。鉆頭與鉆桿的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。在鉆進(jìn)規(guī)程和鉆具結(jié)構(gòu)確定的情況下，Rp、G與臨界尺度月壤顆粒的大小相關(guān)，dc、α、β由臨界尺度月壤顆粒的位置相關(guān)。月壤顆粒的典型形狀主要有長(zhǎng)條狀、棱角狀和次棱角狀，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化磨損后形狀類似橢球狀，鉆頭切削月壤失效分析中臨界尺度月壤顆粒的形狀為球形。顆粒的長(zhǎng)徑比是經(jīng)過顆粒內(nèi)部的最長(zhǎng)徑和與它相垂直的最長(zhǎng)徑之比，常用于描述顆粒形貌；為了探究形狀對(duì)試驗(yàn)的影響，本文將臨界尺度月壤顆粒的長(zhǎng)徑比也作為一個(gè)主要影響因素。因此，本文通過試驗(yàn)探究臨界尺度月壤顆粒不同粒徑、位置和長(zhǎng)徑比對(duì)鉆進(jìn)負(fù)載特性影響。

2 鉆進(jìn)負(fù)載特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)介紹

本文使用的多動(dòng)能全參數(shù)鉆取試驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖4。測(cè)試平臺(tái)上的高精度六維力傳感器可以獲得鉆進(jìn)過程中的鉆壓力、回轉(zhuǎn)力矩和鉆進(jìn)速度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；鉆進(jìn)試驗(yàn)以中國(guó)地質(zhì)大學(xué)研制的CUG-1A模擬月壤為對(duì)象，CUG-1A模擬月壤原料采用的是東北部吉林省輝南縣新生代火山巖，CUG-1A的化學(xué)性質(zhì)和物理力學(xué)性質(zhì)與Apollo14采樣點(diǎn)的月壤樣品相似，是一種理想的低鈦型月海月壤的模擬樣品［13］。

2.2 試驗(yàn)方案

對(duì)于不同大小的臨界尺度月壤顆粒，按照最優(yōu)系數(shù)法將顆粒半徑設(shè)置為4個(gè)梯度：6.3、10.0、16.0 mm和25.0 mm。對(duì)于不同位置的臨界尺度月壤顆粒，將半徑為16.0 mm的月壤顆粒設(shè)置4種工況：偏鉆頭中軸線7.5 mm位置、偏鉆頭中軸線15.0 mm位置、偏鉆頭中軸線22.5 mm位置、偏鉆頭中軸線30.0 mm位置。對(duì)于不同形狀的臨界尺度月壤顆粒，利用球形度的概念［14］來描述一般性非球（凸體）顆粒的形狀：

其中：VP和AP分別為顆粒的體積和表面積；0≤ψ≤1，球體對(duì)應(yīng)于ψ=1。本文采用4種不同長(zhǎng)徑比的橢球顆粒來探究月壤顆粒形狀對(duì)鉆進(jìn)負(fù)載的影響。根據(jù)式（6）計(jì)算出4種顆粒的球形度，依次為：0.69、0.78、0.89、0.93。4種橢球顆粒的等體積直徑為16.0 mm，長(zhǎng)徑比分別設(shè)為：1∶4、4∶1、1∶2、2∶1。4種橢球顆粒如圖5所示。

為準(zhǔn)確地驗(yàn)證臨界尺度顆粒對(duì)鉆進(jìn)負(fù)載特性的影響，試驗(yàn)在模擬月壤制備過程中定點(diǎn)設(shè)置臨界尺度顆粒。模擬月壤制備完成后，通過控制鉆具位置實(shí)施定位鉆取。首先將烘干處理后的CUG-1A模擬月壤放置在月壤桶內(nèi)，并堆積到準(zhǔn)備放置臨界尺度顆粒的高度，桶高400.0 mm，堆積模擬月壤高度200.0 mm。按預(yù)定位置放置好臨界尺度顆粒并壓實(shí)，在上方繼續(xù)放置制備好的模擬月壤至預(yù)設(shè)高度?？刂沏@具運(yùn)行到模擬月壤表面，設(shè)置鉆具回轉(zhuǎn)速度18 r/min，進(jìn)尺速度 60 mm/min。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

以臨界尺度月壤粒徑為變量，4種粒徑的臨界尺度顆粒的鉆進(jìn)負(fù)載曲線如圖6所示。當(dāng)試驗(yàn)采用鉆具切削圓直徑為30.0 mm時(shí)，由圖6可見，當(dāng)顆粒直徑小于切削圓直徑時(shí)，鉆進(jìn)壓力F和扭矩TZ增加平緩不受影響。當(dāng)粒徑增加至32.0 mm，略大于切削圓時(shí)，鉆進(jìn)壓力劇烈增加至70.0 N，鉆進(jìn)扭矩也明顯增大，這說明此時(shí)鉆具正前方遇到較大顆粒時(shí)發(fā)生了堵鉆，同時(shí)可以看出鉆進(jìn)壓力對(duì)大顆粒的響應(yīng)要比鉆進(jìn)扭矩更為敏感。當(dāng)鉆具正前方遇到超大尺度顆粒（≥50.0 mm）時(shí)，鉆進(jìn)壓力和扭矩均快速響應(yīng)劇烈增加，其中鉆進(jìn)壓力峰值達(dá)到700.0 N，說明超大顆粒對(duì)鉆具影響最為嚴(yán)重。

以臨界尺度月壤偏置距離為變量，對(duì)直徑為16.0 mm的臨界尺度顆粒在4種位置的鉆進(jìn)負(fù)載進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)采用鉆具外包絡(luò)圓半徑為30.0 mm，因此當(dāng)鉆具遇到偏置距離小于30.0 mm的顆粒時(shí)，鉆進(jìn)負(fù)載一定會(huì)增加。鉆具遇到偏置30.0 mm處的顆粒時(shí)，鉆進(jìn)壓力從5.0 N增加到30.0 N，鉆進(jìn)扭矩值也從先從0.1 N·m增加大2.5 N·m，之后負(fù)載又恢復(fù)正常水平，說明顆粒與鉆具發(fā)生接觸后被擠壓到鉆具外圍。鉆頭半徑為30.0 mm，顆粒偏置距離為45.0 mm時(shí)，鉆進(jìn)壓力略微增大而鉆進(jìn)扭矩不受影響，當(dāng)顆粒偏置距離為60.0 mm時(shí)對(duì)鉆進(jìn)負(fù)載沒有任何影響，說明月壤取樣過程中鉆具的影響域半徑小于自身半徑的1.5倍。

以臨界尺度月壤形狀為變量，不同長(zhǎng)徑比顆粒的鉆進(jìn)負(fù)載曲線如圖8所示。4種顆粒位姿與所處位置均相同，可以看出鉆具遇到4種顆粒時(shí)鉆進(jìn)壓力增大到20.0～60.0 N，鉆進(jìn)扭矩增大到0.3～0.9 N·m。增大的幅度不能看出明顯差別，而增大趨勢(shì)是顆粒大小與所處位置共同決定，因此顆粒形狀只對(duì)鉆進(jìn)負(fù)載增加值的大小有所影響，并不是負(fù)載變化的決定性因素。

綜上可知：臨界尺度顆粒直徑小于切削圓直徑時(shí)，鉆進(jìn)壓力和扭矩增加平緩不受影響，臨界尺度顆粒直徑半徑越大，鉆頭負(fù)載越大，當(dāng)粒徑大于鉆具切削圓半徑時(shí)，發(fā)生堵鉆；偏置距離越小鉆頭負(fù)載越大，對(duì)應(yīng)的工況就越危險(xiǎn)，當(dāng)偏置距離大于鉆具切削圓半徑的1.5倍時(shí)，鉆具負(fù)載不再受臨界尺度顆粒影響；臨界尺度顆粒的形狀雖然不會(huì)影響負(fù)載的大小以及趨勢(shì)但會(huì)增加負(fù)載曲線的波動(dòng)幅度使鉆具抖動(dòng)。

3 鉆進(jìn)負(fù)載特性仿真分析

試驗(yàn)只能得到負(fù)載的大致規(guī)律；為了揭示負(fù)載產(chǎn)生機(jī)理，本文建立了DEM仿真模型，仿真不僅能獲得鉆進(jìn)過程的負(fù)載信息，還能實(shí)時(shí)觀測(cè)到月壤內(nèi)部的動(dòng)態(tài)變化過程，可以進(jìn)一步分析臨界尺度顆粒對(duì)負(fù)載的影響機(jī)理。仿真模型中涉及的月壤顆粒包括兩類，一是臨界尺度月壤顆粒，其余大部分是月壤細(xì)顆粒。臨界尺度月壤顆粒定義是直徑與取樣作用器具執(zhí)行末端尺度相近的大顆粒，本文對(duì)臨界尺度取值為0.1D～1.0D（即6.0～60.0 mm），與鉆桿外徑尺寸相近。仿真參數(shù)優(yōu)化后的月壤顆粒參數(shù)設(shè)置如表2所示。含臨界尺度顆粒月壤的鉆取DEM仿真模型如圖9所示。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)了12種試驗(yàn)工況，仿真條件與試驗(yàn)相同，仿真試驗(yàn)初始狀態(tài)如圖10所示。

以臨界尺度月壤粒徑為變量時(shí)，4種不同大小的臨界尺度顆粒的鉆進(jìn)負(fù)載曲線如圖11所示，當(dāng)顆粒粒徑小于仿真鉆具切削圓直徑時(shí)，仿真負(fù)載平緩增加。隨著顆粒粒徑的增大，鉆進(jìn)壓力和鉆進(jìn)扭矩均迅速增大。以臨界尺度月壤偏置距離為變量時(shí)，4種不同位置的臨界尺度顆粒的鉆進(jìn)負(fù)載曲線如圖12所示，偏置距離大于仿真鉆具外包絡(luò)圓半徑時(shí)，鉆進(jìn)壓力和鉆進(jìn)扭矩不受影響。而當(dāng)偏置距離小于仿真鉆具外包絡(luò)圓半徑時(shí)，鉆進(jìn)壓力發(fā)生較大波動(dòng)，鉆進(jìn)扭矩在某一段鉆進(jìn)深度出現(xiàn)迅速增加后恢復(fù)平緩增加。以臨界尺度月壤形狀為變量時(shí)，4種不同形狀的臨界尺度顆粒的鉆進(jìn)負(fù)載曲線如圖13所示，負(fù)載增加趨勢(shì)平緩，但負(fù)載出現(xiàn)明顯的波動(dòng)現(xiàn)象。受限于仿真計(jì)算規(guī)模，無法實(shí)現(xiàn)和試驗(yàn)條件完全對(duì)等的仿真，仿真中負(fù)載的絕對(duì)數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)值存在差異，但負(fù)載變化趨勢(shì)與試驗(yàn)負(fù)載數(shù)據(jù)一致，且一致性較好。

不同仿真工況下的臨界尺度月壤顆粒鉆取過程的運(yùn)移軌跡如圖14—16所示，圖中A點(diǎn)為軌跡起點(diǎn)，B為終點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，臨界尺度顆粒在鉆取過程的流動(dòng)特征分為3類運(yùn)動(dòng)情況：第一類是直徑小于切削圓的顆粒，進(jìn)入取樣管內(nèi)發(fā)生螺旋運(yùn)動(dòng)，如圖14（a）、圖14（b）；第二類是直徑大于切削圓的顆粒位于鉆頭正前方或者距鉆頭中軸線7.5 mm以內(nèi)時(shí)，會(huì)卷進(jìn)鉆頭前端造成堵塞，隨著鉆頭向下鉆進(jìn)，如圖14（c）—（d）和圖15（b）；第三類是距鉆頭中軸線大于等于7.5 mm的臨界尺度顆粒，會(huì)在鉆具的螺旋作用下向外運(yùn)移呈螺旋上移的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖15（a）、圖15（c）和圖16（a）—（d）。

臨界尺度月壤顆粒的運(yùn)移軌跡結(jié)果表明，臨界尺度顆粒月壤在鉆取過程的運(yùn)動(dòng)軌跡分為3類：一是進(jìn)入取樣管內(nèi)做螺旋運(yùn)動(dòng)；二是發(fā)生堵鉆，隨鉆頭做直線運(yùn)動(dòng)；三是隨著鉆具螺旋翼螺旋上移。其中：第二類運(yùn)動(dòng)軌跡的顆粒是引起負(fù)載變化的主要原因，且當(dāng)臨界尺度顆粒直徑大于切削圓直徑時(shí)，會(huì)發(fā)生堵鉆、卡鉆等現(xiàn)象；第三類運(yùn)動(dòng)軌跡的臨界尺度顆粒會(huì)引起負(fù)載波動(dòng)和鉆頭偏載等故障。

臨界尺度顆粒的運(yùn)移特征與宏觀鉆進(jìn)負(fù)載特性間具有強(qiáng)相關(guān)性。第一類運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)負(fù)載平穩(wěn)增加不受影響；第二類運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)負(fù)載劇烈增加并發(fā)生卡鉆，并且鉆進(jìn)壓力比鉆進(jìn)扭矩的響應(yīng)更為敏感；第三類運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)負(fù)載增加并發(fā)生波動(dòng)后恢復(fù)正常，當(dāng)顆粒形狀發(fā)生變化時(shí)，負(fù)載的波動(dòng)現(xiàn)象更為明顯。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)月壤鉆進(jìn)取樣過程中由臨界尺度月壤顆粒導(dǎo)致的鉆進(jìn)負(fù)載異常問題，以單切削刃與臨界尺度月壤顆粒相互作用力學(xué)平衡條件為基礎(chǔ)，建立了臨界尺度月壤顆粒切削失效力學(xué)模型。在鉆具構(gòu)型參數(shù)和鉆進(jìn)規(guī)程確定的前提下，以臨界尺度顆粒的大小、位置和形狀為變量，采用控制變量法設(shè)計(jì)了多組試驗(yàn)，得到各因素對(duì)負(fù)載的影響規(guī)律，并進(jìn)一步通過仿真分析了臨界尺度顆粒與鉆具的力載作用機(jī)理。主要結(jié)論如下：

a）臨界尺度顆粒半徑越大，偏置距離越小，鉆頭負(fù)載越大，對(duì)應(yīng)的工況就越危險(xiǎn)。臨界尺度顆粒的形狀對(duì)負(fù)載的大小以及趨勢(shì)影響不大，但會(huì)增加負(fù)載曲線的波動(dòng)幅度使鉆具發(fā)生抖動(dòng)，進(jìn)而影響取樣效果。

b）臨界尺度月壤顆粒在鉆取過程的運(yùn)移狀態(tài)主要分3類：一是進(jìn)入取樣管內(nèi)與樣品做螺旋運(yùn)動(dòng)；二是在取樣口前端堵鉆，與鉆具做直線運(yùn)動(dòng)；三是運(yùn)移到鉆具側(cè)向并隨排屑做螺旋式上移運(yùn)動(dòng)。

c）取樣管內(nèi)臨界尺度月壤顆粒對(duì)負(fù)載影響輕微，鉆頭前端較大顆粒會(huì)導(dǎo)致負(fù)載急劇增加并卡鉆，側(cè)向隨排屑運(yùn)動(dòng)月壤顆粒會(huì)導(dǎo)致負(fù)載波動(dòng)，波動(dòng)幅度與顆粒長(zhǎng)徑比正相關(guān)。

d）臨界尺度月壤顆粒直徑大于30.0 mm（切削圓直徑）的會(huì)造成堵鉆現(xiàn)象。偏置量小于1.5倍鉆桿半徑（45.0 mm）的臨界尺度月壤顆粒會(huì)引起鉆進(jìn)負(fù)載的變化。

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（責(zé)任編輯：康 鋒）

收稿日期： 2022-07-16網(wǎng)絡(luò)出版日期：2022-12-02網(wǎng)絡(luò)出版日期

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51805488）

作者簡(jiǎn)介： 趙德明（1986— ），男，遼寧遼陽(yáng)人，講師，博士，主要從事宇航空間機(jī)構(gòu)方面的研究。

通信作者： 高興文，E-mail：xwgao@zstu.edu.cn