李嘉豪， 金永平， 劉德順， 萬步炎

（湖南科技大學(xué)海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，湖南 湘潭 411201）

浩瀚的大洋底部蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，利用海底鉆機(jī)對深海沉積物進(jìn)行鉆探取芯并鉆獲高質(zhì)量的巖芯樣品，是探明深海海底礦產(chǎn)資源賦存狀況的前提和基礎(chǔ)。 開發(fā)一種擁有履帶式移動功能的微型海底鉆機(jī)，在海底礦區(qū)實現(xiàn)多點位鉆探取芯，具有重要的應(yīng)用前景[1-3］。 履帶式車輛在海底行駛過程中，受到海底底質(zhì)特別是稀軟底質(zhì)的影響，容易出現(xiàn)沉陷、打滑等問題，海底底質(zhì)的彈塑性變形是導(dǎo)致履帶車產(chǎn)生沉陷的主要因素[4］。 履帶式微型海底鉆機(jī)行駛性能的好壞直接決定著鉆探作業(yè)能否連續(xù)高效地進(jìn)行。

本文首先概述履帶式微型海底鉆機(jī)作業(yè)過程、組成結(jié)構(gòu)；然后應(yīng)用軟件Recurdyn 構(gòu)建履帶式微型海底鉆機(jī)多體動力學(xué)模型，并通過底質(zhì)力學(xué)特性試驗建立底質(zhì)模型，對履帶式微型海底鉆機(jī)行駛于深海底質(zhì)過程進(jìn)行動力學(xué)仿真，以研究履帶式微型海底鉆機(jī)行駛過程動態(tài)特性及其影響因素，不僅可以為履帶式微型海底鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和行駛控制提供理論依據(jù)，而且能為履帶式海洋工程裝備的優(yōu)化設(shè)計及安全操作提供參考。

1 履帶式微型海底鉆機(jī)動力學(xué)建模

1.1 履帶式微型海底鉆機(jī)

履帶式微型海底鉆機(jī)作業(yè)流程如圖1 所示。 首先，大型科學(xué)考察船（母船）將履帶式微型海底鉆機(jī)運載到目標(biāo)礦區(qū)海域并進(jìn)行動力定位；然后，鉆機(jī)搭載中繼器由母船絞車緩慢下放，在下放至一定深度后，中繼器絞車釋放鉆機(jī)，并在離底合適的高度自由下落實現(xiàn)著底。 履帶式微型海底鉆機(jī)鉆探取芯作業(yè)完成后，依靠二級絞車將鉆機(jī)及其巖芯樣品回收到母船。

圖1 履帶式微型海底鉆機(jī)工作流程

履帶式微型海底鉆機(jī)由車架、多點位取樣裝置、履帶底盤及液壓裝置組成。 履帶式微型海底鉆機(jī)的車架安裝于履帶架上，提供與臍帶纜的連接和各種設(shè)備的裝配；多點位取樣裝置安裝于車架的前端，它能實現(xiàn)海底多點位快速取樣以提高有效樣品率；液壓裝置安裝在車架后端凹槽內(nèi)，為整車的移動和鉆探取樣提供動力；履帶底盤是鉆機(jī)的行駛裝置，以履帶架為主體，履帶架的兩側(cè)分別設(shè)有一組引導(dǎo)輪、托輪、支重輪、傳動輪及行駛馬達(dá)，傳動輪與行駛馬達(dá)的輸出軸連接，輪系外部包繞有一圈履帶，以適應(yīng)深海底質(zhì)的行駛要求。鉆機(jī)主要設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 履帶式微型海底鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 履帶式微型海底鉆機(jī)多體動力學(xué)建模

考慮到履帶式微型海底鉆機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以通過數(shù)學(xué)方程建立其多體動力學(xué)模型，故采用多體動力學(xué)仿真軟件Recurdyn 來構(gòu)建模型。 Recurdyn 采用相對坐標(biāo)系運動方程理論和完全遞歸算法，非常適合求解大規(guī)模的多體系統(tǒng)動力學(xué)問題，且Recurdyn 軟件中的低速履帶車模塊對建立履帶底盤模型以及研究履帶與底質(zhì)間作用關(guān)系非常有利。

首先，將完整的履帶式微型海底鉆機(jī)三維模型導(dǎo)入到Recurdyn 中，并將除履帶底盤外的其他機(jī)構(gòu)合并為整體；其次，在Recurdyn 自帶的低速履帶車Track（LM）模塊中重新對各輪系部件以及履帶進(jìn)行參數(shù)化建模，并完成履帶底盤的重新裝配；然后，設(shè)置各個履帶板間襯套力的剛性和阻尼系數(shù)，并添加履帶底盤各結(jié)構(gòu)之間的約束關(guān)系；最后，添加各輪系的運動副并設(shè)置傳動輪的驅(qū)動速度，完成履帶式微型海底鉆機(jī)的初步建模。

在構(gòu)建地面底質(zhì)力學(xué)模型時，首先在軟件中繪制路面模型，然后添加履帶與地面底質(zhì)的接觸關(guān)系，最后設(shè)置所需模擬底質(zhì)的力學(xué)特性參數(shù)，這樣即可得到履帶式微型海底鉆機(jī)在海底底質(zhì)狀況行駛時多體動力學(xué)仿真模型，如圖2 所示。

圖2 履帶式微型海底鉆機(jī)多體動力學(xué)仿真模型

1.3 深海底質(zhì)模型及其參數(shù)

Recurdyn 中的履土相互作用關(guān)系是基于Bekker壓載沉陷理論和J-H 剪切應(yīng)力-剪切位移模型表征的。履帶式微型海底鉆機(jī)行駛時履帶與底質(zhì)的相互作用特性難以直接通過原位試驗測得，故采用實驗室模擬試驗方法測量深海底質(zhì)的力學(xué)特性參數(shù)，其中底質(zhì)樣品為某海域水深2000 m 左右的深海海底沉積物。

履帶板與底質(zhì)的相互作用力學(xué)特性可以分解為剪切應(yīng)力-剪切位移特性和壓力-沉陷特性。 底質(zhì)剪切特性通過三軸試驗測定，得到沉積物樣品的內(nèi)摩擦角約4°，黏聚力為12.715 kPa。 底質(zhì)壓力-沉陷特性試驗原理如圖3 所示，試驗所用模擬履帶板規(guī)格分別為板A（390 cm×115 cm）和板B（400 cm×95 cm）。 試驗開始時，模擬履帶板受到法向壓力p的作用，以V＝4 mm／s的速度勻速向下壓陷60 mm，過程中由位移傳感器記錄壓陷深度，由壓力傳感器同步記錄到達(dá)某一深度所需壓力，最后繪制成壓力-沉陷曲線，如圖4 所示。

圖3 壓力-沉陷試驗原理

圖4 壓力-沉陷試驗曲線

根據(jù)Bekker 壓力-沉陷關(guān)系式[5］：

式中p為法向接地壓力，kPa；kc為內(nèi)聚變形模量，kN／mn＋1；kφ為內(nèi)摩擦變形模量，kN／mn＋2；b為接觸面寬度，m；z為沉陷量，m；n為沉陷變形指數(shù)。

不同海域沉積物不同，形成的底質(zhì)力學(xué)特性不同?；谑剑?），參考文獻(xiàn)[6-11］，可以初步確定履帶式微型海底鉆機(jī)目標(biāo)礦區(qū)海底底質(zhì)kc，kφ和n大致范圍為：0.1～100 kN／mn＋1，0.01～1000 kN／mn＋2，0～2。 一般來說，n＞1 時屬于硬實底質(zhì)，n＜1 屬于稀軟底質(zhì)。

2 履帶式微型海底鉆機(jī)行駛動態(tài)仿真分析

2.1 履帶式微型海底鉆機(jī)行駛移動過程分析

為了考察履帶式微型海底鉆機(jī)行駛過程的動態(tài)行為，設(shè)定傳動輪速度為0.5 m／s 來模擬其在深海海底的行駛移動過程，底質(zhì)參數(shù)由試驗測得。 履帶式微型海底鉆機(jī)啟動后行駛速度、質(zhì)心縱向位移和仰角變化曲線如圖5 所示，鉆機(jī)質(zhì)心縱向位移代表鉆機(jī)的沉陷深度。

圖5 履帶式微型海底鉆機(jī)行駛過程動態(tài)行為曲線

從圖5 可以看出，履帶式微型海底鉆機(jī)從啟動開始，經(jīng)歷了一個復(fù)雜變化過程后趨于穩(wěn)定。 鉆機(jī)開始處于靜止?fàn)顟B(tài)，啟動后速度在1 s 內(nèi)迅速提高，由于深海底質(zhì)的流變特性，沉陷深度隨著鉆機(jī)的運動逐漸增大，并在2 s 左右達(dá)到最大深度，為220 mm，但隨著底質(zhì)對履帶逐漸形成有效的支持力，鉆機(jī)沉陷深度在2～6 s 內(nèi)逐漸減?。煌瑫r，鉆機(jī)仰角在達(dá)到最大值4.56°后逐漸減小。 6 s 后鉆機(jī)行駛速度、沉陷深度和俯仰角均趨于穩(wěn)定，鉆機(jī)行駛速度在0.49 m／s 左右波動，滑移率約為2%；沉陷深度穩(wěn)定在150 mm 左右，仰角穩(wěn)定在2°左右。

根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，當(dāng)沉陷量達(dá)到車輪半徑后將會嚴(yán)重影響車輛行駛移動性能，因此定義沉陷量等于車輪半徑為臨界沉陷量[12］。 履帶式微型海底鉆機(jī)履帶傳動輪半徑為172 mm，從仿真結(jié)果來看，鉆機(jī)穩(wěn)定行駛的沉陷深度小于其臨界沉陷量，表明履帶式微型海底鉆機(jī)在該海域沉積物底質(zhì)區(qū)域正常運行。

2.2 深海底質(zhì)力學(xué)特性參數(shù)對鉆機(jī)動態(tài)行為的影響

為了考察海底底質(zhì)對履帶式微型海底鉆機(jī)滑移率、沉陷量和仰角等動態(tài)行為的影響，設(shè)置不同的底質(zhì)力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行履帶式微型海底鉆機(jī)行駛移動過程動力學(xué)仿真，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 滑移率、沉陷量、仰角與底質(zhì)力學(xué)特性參數(shù)的關(guān)系

從圖6 可以看出，鉆機(jī)穩(wěn)定行駛時的滑移率、沉陷量、仰角均隨底質(zhì)內(nèi)聚變形模量、內(nèi)摩擦變形模量增大而減小，但減小的量級不大：當(dāng)內(nèi)聚變形模量和內(nèi)摩擦變形模量變化2～3 個數(shù)量級時，滑移率、沉陷量、仰角均在一個數(shù)量級內(nèi)變化；底質(zhì)的沉陷變形指數(shù)對鉆機(jī)的滑移率、沉陷量、仰角影響較為明顯，且對于n＞1 的硬實底質(zhì)和n＜1 的稀軟底質(zhì)明顯不同，稀軟底質(zhì)變化更為顯著一些。 從仿真結(jié)果來看，為了保證履帶式鉆機(jī)正常行駛，沉陷深度必須小于其臨界沉陷量，如圖6（b）中內(nèi)摩擦變形模量小于25 kN／mn＋2，或當(dāng)圖6（c）中沉陷變形指數(shù)小于0.3 時，鉆機(jī)將產(chǎn)生巨大沉陷，這均表明此種底質(zhì)已不適合鉆機(jī)行駛通過。 由此可知，在面向海底底質(zhì)極其稀軟的海域勘探作業(yè)時，履帶式微型海底鉆機(jī)設(shè)計可能需要考慮增加履帶接觸面，減小接觸壓力，以便其在海底稀軟底質(zhì)移動作業(yè)。

2.3 行駛速度對鉆機(jī)動態(tài)行為的影響

為了考察行駛速度對履帶式微型海底鉆機(jī)動態(tài)特性的影響，設(shè)置不同的履帶行駛速度，分別開展了深海海底稀軟底質(zhì)條件（底質(zhì)內(nèi)聚變形模量3.12 kN／mn＋1，內(nèi)摩擦變形模量40.5 kN／mn＋2，沉陷變形指數(shù)0.53）和陸地黏性底質(zhì)條件（底質(zhì)內(nèi)聚變形模量13.2 kN／mn＋1，內(nèi)摩擦變形模量692.1 kN／mn＋2，沉陷變形指數(shù)0.5）的仿真分析，在陸地、深海兩種底質(zhì)下鉆機(jī)行駛特性與行駛速度的變化關(guān)系如圖7 所示。

圖7 滑移率、沉陷量、仰角與鉆機(jī)行駛速度的關(guān)系

由圖7 可知，對于陸地黏性底質(zhì)，履帶式微型海底鉆機(jī)穩(wěn)定行駛時的滑移率隨行駛速度增大而減小，且與行駛速度近似成線性相關(guān)；鉆機(jī)沉陷量與仰角隨行駛速度增加沒有明顯變化。 對于海底稀軟底質(zhì)，履帶式微型海底鉆機(jī)穩(wěn)定行駛時的滑移率、沉陷量、仰角等明顯高于陸地黏性底質(zhì)，且滑移率、沉陷量、仰角等均隨行駛速度增大而減小，在行駛速度低于0.5 m／s 時變化明顯，行駛速度高于0.5 m／s 時沉陷量、仰角幾乎不變。 這表明，為了避免陷入底質(zhì)而導(dǎo)致不能正常行駛，一方面要求履帶式微型海底鉆機(jī)行駛速度高于0.5 m／s，另一方面要求深海海底作業(yè)行駛時，履帶式微型海底鉆機(jī)以較高速度通過稀軟底質(zhì)區(qū)域。

3 結(jié)論

1） 根據(jù)履帶式微型海底鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)用Recurdyn 軟件構(gòu)建了履帶式微型海底鉆機(jī)的多體動力學(xué)仿真模型，根據(jù)試驗構(gòu)建了底質(zhì)力學(xué)模型，并對鉆機(jī)行駛過程進(jìn)行了仿真分析。 結(jié)果表明，履帶式微型海底鉆機(jī)穩(wěn)定行駛時會產(chǎn)生一定的滑移與沉陷，且能夠在某特定深海沉積物底質(zhì)區(qū)域安全行駛。

2） 履帶式微型海底鉆機(jī)行駛移動過程動力學(xué)仿真結(jié)果表明，海底底質(zhì)力學(xué)特性參數(shù)對履帶式微型海底鉆機(jī)行駛特性有著不同程度的影響，內(nèi)聚變形模量、內(nèi)摩擦變形模量影響較小，沉陷變形指數(shù)影響明顯，特別是稀軟底質(zhì)影響較大，為了避免沉陷過深而不能正常行駛，履帶式微型海底鉆機(jī)設(shè)計時應(yīng)盡可能增大接地面積，以適應(yīng)不同海域底質(zhì)的作業(yè)情況。

3） 履帶式微型海底鉆機(jī)行駛移動過程動力學(xué)仿真結(jié)果表明，履帶式微型海底鉆機(jī)行駛速度低于0.5 m／s時對其行駛特性影響明顯，行駛速度高于0.5 m／s 時對其行駛特性影響較小。 為了避免陷入底質(zhì)不能正常行駛，一方面要求履帶式微型海底鉆機(jī)行駛速度高于0.5 m／s，另一方面要求鉆機(jī)以較高速度通過稀軟底質(zhì)區(qū)域。