月球钻探螺旋钻具排粉机理的研究

【摘要】国际上月球探测活动自21世纪开始日趋活跃，为更多、更快地解开宇宙外太空神秘面纱，近些年我国也加紧了探月计划的施行。由于月球重力仅为地球的1/6，月表无水、无空气，月壤致密等因素存在，目前最为有效的取样方法就是利用空心外螺旋钻冲击回转钻进取样，而影响外螺旋钻钻进效率的一个重要因素就是螺旋钻杆的排粉能力。由于月球钻探环境特殊，不容反复实验，且登月一次所消耗的物资巨大，不允许钻探取样的失败，所以应中国探月计划的紧迫要求，对螺旋钻排粉机理进行研究，保证理论的正确性、可靠性，是一个极其重要且具有深远意义的研究课题。空心螺旋钻杆的排粉能力不仅与螺旋钻具的结构参数有关，同时也受到月壤力学参数和钻进规程参数的影响。为了分析推导上述各参数在月壤排粉过程中相互之间的关系，本论文首先通过对月壤排粉过程中运动学和力学分析，得到了各参数之间的数学关系式，建立了新的力学模型；然后利用MATLAB软件对各参数之间的关系式进行编程，分析出各参数之间相互影响关系，并以螺旋钻排粉效率为目标函数，以螺旋升角、钻杆半径、钻杆角速度为变量，运用MATLAB中fmincon（）函数进行优化，得到了最优的钻杆结构参数和钻进规程参数，使螺旋钻排粉效率提高了1.86倍；最后进行室内模型试验，得到的数据与理论数据基本相符，验证了理论的正确性和可靠性，并利用得到的数据对理论进行了修正，完善了螺旋钻排粉理论。本论文在理论推导中，是结合前人忽略的问题或不足重新对螺旋钻排粉机理进行理论分析与推导，并依据“同体积原则”重新对螺旋钻临界角速度进行了界定，在功率推导中作出能量传递图，理清了各能量消耗之间复杂的关系，避免了因理不清各能量消耗间关系而错算漏算的情况。本论文不仅完善了螺旋钻排粉理论，并在此基础上对螺旋钻杆结构参数和钻进规程参数进行了优化，对螺旋钻排粉能力的提高具有重要的工程应用价值。
【作者】李希勇；
【导师】吕建国；
【作者基本信息】中国地质大学（北京），地质工程，2014，硕士
【关键词】月球钻探；螺旋钻；排粉机理；优化设计；模型试验；

【参考文献】
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