履帶式微型海底鉆機行駛動力學建模與分析①

李嘉豪， 金永平， 劉德順， 萬步炎

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

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

本文首先概述履帶式微型海底鉆機作業(yè)過程、組成結構；然后應用軟件Recurdyn 構建履帶式微型海底鉆機多體動力學模型，并通過底質力學特性試驗建立底質模型，對履帶式微型海底鉆機行駛于深海底質過程進行動力學仿真，以研究履帶式微型海底鉆機行駛過程動態(tài)特性及其影響因素，不僅可以為履帶式微型海底鉆機的結構優(yōu)化和行駛控制提供理論依據，而且能為履帶式海洋工程裝備的優(yōu)化設計及安全操作提供參考。

1 履帶式微型海底鉆機動力學建模

1.1 履帶式微型海底鉆機

履帶式微型海底鉆機作業(yè)流程如圖1 所示。 首先，大型科學考察船（母船）將履帶式微型海底鉆機運載到目標礦區(qū)海域并進行動力定位；然后，鉆機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，并在離底合適的高度自由下落實現著底。 履帶式微型海底鉆機鉆探取芯作業(yè)完成后，依靠二級絞車將鉆機及其巖芯樣品回收到母船。

圖1 履帶式微型海底鉆機工作流程

履帶式微型海底鉆機由車架、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的車架安裝于履帶架上，提供與臍帶纜的連接和各種設備的裝配；多點位取樣裝置安裝于車架的前端，它能實現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，為整車的移動和鉆探取樣提供動力；履帶底盤是鉆機的行駛裝置，以履帶架為主體，履帶架的兩側分別設有一組引導輪、托輪、支重輪、傳動輪及行駛馬達，傳動輪與行駛馬達的輸出軸連接，輪系外部包繞有一圈履帶，以適應深海底質的行駛要求。鉆機主要設計結構參數如表1 所示。

表1 履帶式微型海底鉆機技術參數

1.2 履帶式微型海底鉆機多體動力學建模

考慮到履帶式微型海底鉆機結構復雜，難以通過數學方程建立其多體動力學模型，故采用多體動力學仿真軟件Recurdyn 來構建模型。 Recurdyn 采用相對坐標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間作用關系非常有利。

首先，將完整的履帶式微型海底鉆機三維模型導入到Recurdyn 中，并將除履帶底盤外的其他機構合并為整體；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行參數化建模，并完成履帶底盤的重新裝配；然后，設置各個履帶板間襯套力的剛性和阻尼系數，并添加履帶底盤各結構之間的約束關系；最后，添加各輪系的運動副并設置傳動輪的驅動速度，完成履帶式微型海底鉆機的初步建模。

在構建地面底質力學模型時，首先在軟件中繪制路面模型，然后添加履帶與地面底質的接觸關系，最后設置所需模擬底質的力學特性參數，這樣即可得到履帶式微型海底鉆機在海底底質狀況行駛時多體動力學仿真模型，如圖2 所示。

圖2 履帶式微型海底鉆機多體動力學仿真模型

1.3 深海底質模型及其參數

Recurdyn 中的履土相互作用關系是基于Bekker壓載沉陷理論和J-H 剪切應力-剪切位移模型表征的。履帶式微型海底鉆機行駛時履帶與底質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的力學特性參數，其中底質樣品為某海域水深2000 m 左右的深海海底沉積物。

履帶板與底質的相互作用力學特性可以分解為剪切應力-剪切位移特性和壓力-沉陷特性。 底質剪切特性通過三軸試驗測定，得到沉積物樣品的內摩擦角約4°，黏聚力為12.715 kPa。 底質壓力-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Bekker 壓力-沉陷關系式[5］：

式中p為法向接地壓力，kPa；kc為內聚變形模量，kN／mn＋1；kφ為內摩擦變形模量，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。

不同海域沉積物不同，形成的底質力學特性不同?；谑剑?），參考文獻[6-11］，可以初步確定履帶式微型海底鉆機目標礦區(qū)海底底質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，n＜1 屬于稀軟底質。

2 履帶式微型海底鉆機行駛動態(tài)仿真分析

2.1 履帶式微型海底鉆機行駛移動過程分析

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

圖5 履帶式微型海底鉆機行駛過程動態(tài)行為曲線

從圖5 可以看出，履帶式微型海底鉆機從啟動開始，經歷了一個復雜變化過程后趨于穩(wěn)定。 鉆機開始處于靜止狀態(tài)，啟動后速度在1 s 內迅速提高，由于深海底質的流變特性，沉陷深度隨著鉆機的運動逐漸增大，并在2 s 左右達到最大深度，為220 mm，但隨著底質對履帶逐漸形成有效的支持力，鉆機沉陷深度在2～6 s 內逐漸減?。煌瑫r，鉆機仰角在達到最大值4.56°后逐漸減小。 6 s 后鉆機行駛速度、沉陷深度和俯仰角均趨于穩(wěn)定，鉆機行駛速度在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。

根據國內外經驗，當沉陷量達到車輪半徑后將會嚴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履帶傳動輪半徑為172 mm，從仿真結果來看，鉆機穩(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在該海域沉積物底質區(qū)域正常運行。

2.2 深海底質力學特性參數對鉆機動態(tài)行為的影響

為了考察海底底質對履帶式微型海底鉆機滑移率、沉陷量和仰角等動態(tài)行為的影響，設置不同的底質力學特性參數進行履帶式微型海底鉆機行駛移動過程動力學仿真，結果如圖6 所示。

圖6 滑移率、沉陷量、仰角與底質力學特性參數的關系

從圖6 可以看出，鉆機穩(wěn)定行駛時的滑移率、沉陷量、仰角均隨底質內聚變形模量、內摩擦變形模量增大而減小，但減小的量級不大：當內聚變形模量和內摩擦變形模量變化2～3 個數量級時，滑移率、沉陷量、仰角均在一個數量級內變化；底質的沉陷變形指數對鉆機的滑移率、沉陷量、仰角影響較為明顯，且對于n＞1 的硬實底質和n＜1 的稀軟底質明顯不同，稀軟底質變化更為顯著一些。 從仿真結果來看，為了保證履帶式鉆機正常行駛，沉陷深度必須小于其臨界沉陷量，如圖6（b）中內摩擦變形模量小于25 kN／mn＋2，或當圖6（c）中沉陷變形指數小于0.3 時，鉆機將產生巨大沉陷，這均表明此種底質已不適合鉆機行駛通過。 由此可知，在面向海底底質極其稀軟的海域勘探作業(yè)時，履帶式微型海底鉆機設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移動作業(yè)。

2.3 行駛速度對鉆機動態(tài)行為的影響

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

圖7 滑移率、沉陷量、仰角與鉆機行駛速度的關系

由圖7 可知，對于陸地黏性底質，履帶式微型海底鉆機穩(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；鉆機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，履帶式微型海底鉆機穩(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，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，為了避免陷入底質而導致不能正常行駛，一方面要求履帶式微型海底鉆機行駛速度高于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以較高速度通過稀軟底質區(qū)域。

3 結論

1） 根據履帶式微型海底鉆機結構設計，應用Recurdyn 軟件構建了履帶式微型海底鉆機的多體動力學仿真模型，根據試驗構建了底質力學模型，并對鉆機行駛過程進行了仿真分析。 結果表明，履帶式微型海底鉆機穩(wěn)定行駛時會產生一定的滑移與沉陷，且能夠在某特定深海沉積物底質區(qū)域安全行駛。

2） 履帶式微型海底鉆機行駛移動過程動力學仿真結果表明，海底底質力學特性參數對履帶式微型海底鉆機行駛特性有著不同程度的影響，內聚變形模量、內摩擦變形模量影響較小，沉陷變形指數影響明顯，特別是稀軟底質影響較大，為了避免沉陷過深而不能正常行駛，履帶式微型海底鉆機設計時應盡可能增大接地面積，以適應不同海域底質的作業(yè)情況。

3） 履帶式微型海底鉆機行駛移動過程動力學仿真結果表明，履帶式微型海底鉆機行駛速度低于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。 為了避免陷入底質不能正常行駛，一方面要求履帶式微型海底鉆機行駛速度高于0.5 m／s，另一方面要求鉆機以較高速度通過稀軟底質區(qū)域。