水下超声钻取取芯器的能量传递机制与性能评估——用于海底岩石采样

《Ultrasonics》：Energy transfer mechanism and performance evaluation of the underwater ultrasonic drilling corer for seabed rock sampling

　　何立|陈朝阳|张占鹏|曹朝宁|崔胜奇|杨硕|李中新|宋泽坤
山东科技大学机械与电子工程学院，青岛266590，中国

**摘要**
为了解决传统深海海底钻机存在的耗电量大、单位钻头重量大、扰动显著以及密封和防水困难等问题，本文提出了一种新型的压电驱动水下超声钻取器（UUDC）。基于压电驱动理论和非线性动力学理论，研究了UUDC的能量传递机制，并阐明了其工作原理，为关键部件的设计与开发奠定了理论基础。采用非线性显式动力学分析方法探讨了压电执行器和自由质量作用下钻孔工具与岩石之间的相互作用机制。研究结果为优化UUDC的动态参数和提升钻孔工具的结构设计提供了指导。建立的UUDC钻孔及取芯测试平台进行了机械特性实验，验证了设计的可行性，并评估了其钻孔及取芯性能。实验表明，UUDC对岩石施加的最大钻力约为7.1 N，产生的表面应力达到2.5 MPa。在单位钻头重量为5 N的条件下，该设备可在2分钟内钻入20 mm的深度，取芯成功率为90%，岩芯回收率为73.6%。UUDC原型在低单位钻头重量下能有效钻入岩石并可靠地取芯，具有很强的深海环境适应性和与水下航行器的兼容性，为海底岩石取芯提供了一种有效方案。

**引言**
随着陆地资源的逐渐枯竭，全球资源开发的重点已从陆地转向海洋环境[1],[2],[3]。海洋中蕴藏着丰富的矿产资源，包括富含钴的地壳、多金属结核和稀土元素，这些资源具有重要的经济和战略意义[4]。海底资源开发迫切需要先进的勘探技术，其中钻孔和取芯是最重要的技术之一[5],[6],[7],[8]。目前，深海海底钻机正在向全海深作业能力、高质量取芯和多功能性方向发展，但在支持系统、部署与回收以及精确灵活的操作方面仍存在关键技术挑战。适用于与水下航行器集成、具有微型化、低功耗和精细操作能力要求的钻孔和取芯设备已成为当前的研究焦点。创新机制原理的探索和智能结构的应用是钻孔和取芯设备的关键研究方向[9]。

小型钻孔和取芯设备的研发最初由美国、日本和中国等国家开展。1991年，美国开发了一种名为HSTR的早期系统，用于Alvin潜水器[10]。HSTR总重68 kg，配备直径33.5 mm、长度480 mm的取芯钻头，成功地从深海获得了热液硫化物烟囱样本。随后，基于HSTR开发了多种取芯设备，如Harbor Branch。在日本，载人潜水器Shinkai6500在6500 m深度成功取出了200 mm长的岩芯[11]。挪威团队开发了一种可安装在ROV（远程操作车辆）上的ROCS取芯器，水下重量为165 kg，最大钻头重量为100 kgf，能够获取直径75 mm、长度为1 m的岩芯样本[12]。意大利研究团队开发了一种微创ROV钻孔和取芯方法，在环境扰动与取芯设备部署限制之间取得了平衡，获得了适合定性和定量分析的样本[13]。中国万某团队开发了一种由潜水器液压驱动的富含钴地壳取芯设备[14]。该系统尺寸约为Φ 600 mm × 800 mm，质量94 kg，设计适用于最大7000 m的作业深度，技术规格包括总功率3 kW和所需单位钻头重量（WOB）400 N。在30分钟内，海底富含钴地壳的钻入深度达到200 mm。传统钻孔和取芯设备存在显著局限性，如较大质量、较高的WOB要求和较高的能耗。这类设备的操作精度取决于控制系统的稳定性，其操作状态可能影响搭载它们的水下航行器的稳定性。此外，极端深海环境对液压或电磁系统驱动的钻孔和取芯设备的密封完整性构成严峻挑战。因此，专为与水下航行器集成设计的钻孔和取芯设备在操作性能和工程设计方面需达到更高标准。

**超声波技术的整合**
超声波技术的整合可显著提高钻孔设备的能源效率和环境适应性[15],[16]。低功耗、所需的WOB小、强大的穿透能力和几乎可忽略的轴向载荷等优点使得超声波钻机在深空探索和地质调查中展现出广阔的应用潜力[17],[18],[19]。2000年，美国NASA喷气推进实验室（JPL）首次提出了超声波/声波钻机/取芯器（USDC）的概念。USDC采用自由质量结构传递动力，在5 N的单位钻头重量下，其在砂岩中的穿透速率为2.4 mm/min，功耗为5.3 W[20],[21],[22]。后续研究在此基础上进一步整合了自动岩芯破碎和取芯功能[23]。此后，欧洲和中国的相关机构也开展了大量研究。2007年，德国帕德博恩大学对超声波钻机中的碰撞系统进行了动态建模和参数优化，解决了混沌系统内的碰撞问题[24],[25],[26]。2010年，英国格拉斯哥大学的Harkness等人设计了用于小行星探测的超声波钻机，并对其结构进行了优化[27],[28],[29]。2017年，Harkness等人研究了自由质量和钻头重量对超声波钻孔性能的影响，并基于半波长压电执行器开发了更轻的超声波钻机（2.43 kg）[30]。2022年，李某使用超声波钻机在石灰岩、凝灰岩和大理石等多种材料上进行了钻孔和取芯实验，研究了不同压电材料对不同类型岩石钻孔性能的影响[31]。2014年，哈尔滨工业大学建立了钻头-岩石相互作用模型并进行了钻孔实验，结果显示在6 N的单位钻头重量和18 W的功耗下，红砖的钻孔速率为2.48 mm/min[32],[33],[34]。自2019年起，哈尔滨工业大学一直在研究提高超声波钻机的钻孔速度[35],[36],[37]。2021年，王某研究了极端温度对超声波钻机的影响。2023年，钱某提出了一种能在极端温度下工作的新型冲击式超声波钻系统[38]。在-60 °C至120 °C的温度范围内，该系统功耗为50 W时，200 MPa强度岩石的钻孔速率可达8 mm/min–28 mm/min[39]。超声波钻机集成了驱动、传感和控制功能，即使在低温高压等极端条件下也能实现稳定高精度的操作[40],[41],[42],[43]。压电执行器作为超声波钻机的核心动力组件，结构简单、响应迅速[44],[45],[46],[47]，其内部运动过程仅涉及振动的转换和传递[48],[49],[50],[51],[52]，便于实现防水设计且无需润滑，适用于深海环境。因此，本文提出了一种新型的UUDC，设计用于安装在无人潜水器和载人潜水器上，用于海底岩石的钻孔和取芯。鉴于当前深海海底钻机的发展趋势，UUDC关键部件的设计与开发仍缺乏足够的理论支持，其钻孔和取芯过程的机械特性亟需研究。本文分析了UUDC内的能量传递过程，通过整合压电驱动理论和非线性动力学理论建立了能量传递的理论模型，通过求解该模型获得了关键部件的功率输出特性。基于非线性显式动力学分析方法，研究了钻孔工具与岩石之间的相互作用过程和机械性质，为优化UUDC的动态参数和钻头结构设计提供了指导。设计了钻头结构，并建立了UUDC钻孔及取芯测试平台，以获取钻孔和取芯过程中的机械特性并验证设计的可行性。

**部分摘录**
- **UUDC的能量传递机制**：能量传递过程的研究是UUDC发展的物理基础，直接决定了其性能限制、可靠性和环境适应性。压电驱动的UUDC在结构和的工作原理上与传统水下电磁钻机不同。基于压电驱动理论和非线性动力学方法，对其能量传递过程进行理论分析是必要的。
- **钻孔工具与岩石的相互作用**：岩芯钻取的实现本质上是钻孔工具与岩石相互作用的结果。使用非线性显式动力学模拟研究了UUDC的岩石破碎机制及其动态参数的优化。为确保数值模拟的真实性，采用了实际工作条件下提取的钻孔工具位移特性曲线作为钻孔工具模型的位移载荷。
- **钻孔和取芯性能评估**：建立了UUDC钻孔及取芯模拟测试平台，在受控且可重复的水下环境中进行测试。利用该平台对目标岩石样本进行了钻孔和取芯实验，实验结果为设计合适的钻头结构提供了依据，从而为高效钻孔和取芯奠定了基础。为了测量钻孔工具与岩石之间的实际相互作用力，建立了钻劲测试系统。

**结论**
基于压电驱动原理，本文提出了一种用于海底岩石采样的UUDC。通过理论模型揭示了其能量传递机制，并通过模拟和实验方法研究了其钻孔和取芯性能。本文的主要结论如下：
(1) 理论计算表明，自由质量将混沌器的高频微幅振动转换为钻头的高频大幅振动。

**作者贡献声明**
何立：撰写–审阅与编辑、方法论、概念化；
陈朝阳：撰写–初稿、研究；
张占鹏：软件、数据管理；
曹朝宁：资源获取、数据管理；
崔胜奇：验证、项目管理；
杨硕：验证、软件；
李中新：软件、资源获取、数据管理；
宋泽坤：软件、数据管理。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了中华人民共和国国家自然科学基金（项目编号52275023）和山东省自然科学基金（项目编号ZR2024ME076）的财政支持。