軸向敲擊式鉆取采樣裝置方案研究

張元勛，謝更新，熊 輝

（1.重慶大學航空航天學院，重慶400044；2.重慶大學教育部深空探測聯(lián)合研究中心，重慶400044）

軸向敲擊式鉆取采樣裝置方案研究

張元勛1，2，謝更新2，熊 輝2

（1.重慶大學航空航天學院，重慶400044；2.重慶大學教育部深空探測聯(lián)合研究中心，重慶400044）

針對地外行星淺表層鉆探采樣對采樣裝置低功耗、小尺度的需求，提出一種軸向敲擊式鉆取采樣裝置設計方案：將增力機構(gòu)與棘輪棘條機構(gòu)結(jié)合，通過對鉆取采樣過程的鉆進阻力實時檢測，實現(xiàn)鉆取采樣鉆進速度及鉆進力的控制；將軸向進給電機的輸出扭矩通過增力機構(gòu)傳遞至鉆桿，實現(xiàn)增力效果，降低了鉆取采樣功耗。該方案的可行性通過設計示例得到了驗證，可作為未來地外行星采樣裝置設計的借鑒。

鉆?。徊蓸?；增力機構(gòu)；棘輪機構(gòu)；連桿

1 引言

地外天體采樣是研究地外天體起源、演變的重要手段［1］。20世紀60年代，世界各國開始研制月面采樣及返回探測器，其中美國和蘇聯(lián)在采樣系統(tǒng)方面的研究一直處于世界領(lǐng)先地位，標志性成果是美國的 Apollo系列和蘇聯(lián)的 Luna16、Luna20、Luna24月面采樣返回系統(tǒng)［2］。此外歐空局提出了火星樣品采集器，利用多桿組接技術(shù)進行采樣。該技術(shù)采用內(nèi)置驅(qū)動電機，外環(huán)夾持鉆桿（10根），主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊［3?4］。國內(nèi)方面，楊帥等對人工取樣和無人的鉆取取樣、鏟挖取樣、夾取取樣、研磨取樣、復合取樣等方面的國外地外星體土壤取樣技術(shù)進行了分析比較［5］。在鉆取采樣機構(gòu)設計方面，北京航空航天大學的月球土壤采樣器［6］、哈爾濱工業(yè)大學多桿組接式月壤鉆取采樣裝置［7］、滑軌式月壤鉆取采樣裝置［8］、中國科學院沈陽自動化研究所六自由度機器人化月表采樣器［9］等對月球表取與鉆取方案進行了詳細研究。

目前，鉆取采樣方案基本以旋轉(zhuǎn)鉆取為主，輔助有沖擊運動，鉆頭結(jié)構(gòu)采用內(nèi)空芯外螺旋齒面形式，該結(jié)構(gòu)形式由于與擬鉆取土壤接觸面積大，導致電機功耗增加。對于地外行星采樣而言，降低鉆取采樣機構(gòu)功耗、提高采樣效率顯得尤為重要。為此，本文提出一種采用軸向進給為主、旋轉(zhuǎn)采樣為輔的敲擊式軸向進給鉆取采樣機構(gòu)方案，將增力機構(gòu)與棘輪棘條機構(gòu)有效配合，以實現(xiàn)小功率向大鉆進力轉(zhuǎn)化。

2 結(jié)構(gòu)設計

為解決地外天體采樣時功耗、重量資源緊張的關(guān)鍵問題，滿足采樣深度大于2 m、功耗小于30 W、重量不超過30 kg的工程要求，本文提出的軸向進給式鉆取采樣裝置方案將棘輪棘條機構(gòu)、增力機構(gòu)、齒輪傳動、電氣傳動等傳動形式結(jié)合，以實現(xiàn)増力機構(gòu)、棘輪／棘條機構(gòu)、導軌機構(gòu)的一體化設計。將電機的旋轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)換為鉆頭前進的敲擊力，借助增力機構(gòu)的作用實現(xiàn)小扭矩向大敲擊力轉(zhuǎn)化。同時，鉆桿采用空芯結(jié)構(gòu)，通過放置于內(nèi)部的軟袋完成樣品收集。

軸向進給式鉆取采樣裝置整體三維視圖如圖1所示，由鉆桿、鉆桿保持架、鉆進機構(gòu)、齒輪、軸承等部件構(gòu)成。其中在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎上，為了盡量減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量鉆桿部分采用桁架結(jié)構(gòu)，而保持架后側(cè)采用框式構(gòu)造。

為了實現(xiàn)鉆桿豎直鉆進星壤的功能，驅(qū)動鉆桿的裝置必須包含具備旋轉(zhuǎn)功能和豎直方向上下移動功能。其中，旋轉(zhuǎn)裝置是旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動鉆桿和鉆桿保持架整體轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)鉆頭旋轉(zhuǎn)切削；而豎直上下移動裝置是為了配合旋轉(zhuǎn)切削（即調(diào)整切削深度），稱之為鉆進機構(gòu)，此處采用棘輪機構(gòu)來實現(xiàn)豎直方向的移動。軸向進給式鉆取采樣裝置整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該裝置可分為3個部分：鉆進機構(gòu)、鉆架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和鉆桿機構(gòu)。鉆進機構(gòu)由棘輪（4）、搖塊（5）、連桿L2（6）、軸向進給電機（7）、電機隨動基座（8）、連桿L3（15和16）、棘輪（17）構(gòu)成，主要實現(xiàn)將電機的輸出扭矩轉(zhuǎn)化為鉆桿前進的驅(qū)動力，并實現(xiàn)增力效果；鉆架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由旋轉(zhuǎn)電機（1）、軸承（2）、齒輪副（3）、固定架板（11）、齒輪軸（12）、固定筋（13）構(gòu)成，主要實現(xiàn)鉆架整體旋轉(zhuǎn)功能；鉆桿機構(gòu)由擋片（9）、鉆頭（10）、鉆桿保持架（14）、鉆桿（18）構(gòu)成，主要實現(xiàn)鉆進取樣功能，其中，樣品存放于軟袋內(nèi)，軟袋安置于鉆桿桁架內(nèi)，并與鉆頭（10）連接。

2.1鉆進機構(gòu)

鉆架進給機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由電機基座、軸向進給電機、搖塊、棘輪機構(gòu)、連桿等部件組成。由連桿構(gòu)成的增力機構(gòu)，將軸向進給電機的扭矩轉(zhuǎn)化為驅(qū)動棘輪前進的驅(qū)動力。搖塊用以保持連桿的運動方向，以最大效率地將軸向進給電機的功率輸出至棘輪機構(gòu)。

棘輪機構(gòu)如圖4所示，主要由扭轉(zhuǎn)彈簧、棘齒、鉸鏈軸等零件構(gòu)成。棘輪機構(gòu)與棘條配合，使得鉆進機構(gòu)成為單向進給機構(gòu)。同時，電機基座與鉆桿保持架在電機與連桿的協(xié)同作用下維持相對平移狀態(tài)。

為保證棘齒的剛性與強度，此處在設計棘齒時，取消了棘齒的鉸鏈軸，將棘齒與棘齒架設計為可繞定點相對轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)（圖5），同時，為增加棘齒與棘條的接觸面積，減小棘齒架與棘條間隙，將棘齒外齒形設計為與棘條定點相互共軛的曲線。

2.2鉆架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

鉆架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，鉆桿保持架通過固定筋13與齒輪副3固連。旋轉(zhuǎn)電機帶動齒輪副實現(xiàn)鉆桿保持架旋轉(zhuǎn)，當鉆桿軸向進給阻力過大時，即激發(fā)旋轉(zhuǎn)電機啟動，且隨著阻力的增加電機輸出轉(zhuǎn)速隨之增加，詳見連桿L2結(jié)構(gòu)設計說明。

2.3連桿L2

連桿L2結(jié)構(gòu)由陰連桿、輔助彈簧、保護彈簧、蓋板以及與陰連桿配合的陽連桿構(gòu)成，如圖7所示。保護彈簧內(nèi)置有位移傳感器，用以控制旋轉(zhuǎn)電機啟停及轉(zhuǎn)速。鉆頭在鉆進過程中受到土壤的反作用力，稱為鉆進阻力。鉆進阻力通過鉆桿18、連桿16傳遞至連桿6。

隨著鉆進深度的增加及地質(zhì)層的變化，鉆進機構(gòu)所受阻力逐漸增加。當鉆進阻力大于某一定值f1時，保護彈簧被壓縮，激發(fā)旋轉(zhuǎn)電機啟動，隨著鉆進阻力的進一步增加，旋轉(zhuǎn)電機輸出轉(zhuǎn)速與功率隨著增大，從而實現(xiàn)鉆頭在鉆進過程中軸向運動與周向運動的合成，進一步提高鉆頭的巖土破碎性能。同時，為防止鉆采裝置破壞，特別設置旋轉(zhuǎn)電機停機保護裝置，當鉆進阻力超過鉆桿額定驅(qū)動力時，由安裝于保護彈簧內(nèi)的位移傳感器釋放停機信號，中止采樣。

2.4鉆頭

鉆頭打滑會導致整個鉆孔施工周期延長，勘探成本增加［10］。對于抗壓強度較大的地質(zhì)來說，一般來說，在同等鉆壓下，鉆頭唇面工作面積越小，單位面積唇面承受的鉆壓值就越大，鉆頭越容易碎巖。因此設計采探鉆頭時，將鉆頭齒形設計成連續(xù)齒，并且能夠保證鉆頭唇面可承受相應的鉆壓。在鉆頭坡面上設計了八個鉆頭尖齒便于切碎巖土。鉆頭尖端靠外排齒的外緣切削土壤（見圖8）。

3 軸向進給式鉆取采樣裝置工作方式

軸向進給式鉆取采樣裝置的鉆桿在保持架的約束下，通過鉆進機構(gòu)的驅(qū)動沿鉆架旋轉(zhuǎn)軸軸向平移；旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動齒輪副轉(zhuǎn)動，使整個鉆架沿鉆架旋轉(zhuǎn)軸做旋轉(zhuǎn)運動。從而使鉆頭實現(xiàn)軸向前進和旋轉(zhuǎn)，以增加鉆頭的鉆探能力如圖1、圖2所示。其工作過程主要有軸向進給運動與周向旋轉(zhuǎn)運動合成。

3.1軸向進給運動

軸向進給運動驅(qū)動力由軸向進給電機7輸出，經(jīng)連桿16、鉆桿18傳遞至鉆頭，其中，連桿15、棘輪4與鉆桿保持架共同約束力的傳遞方向。L3、L4與棘輪機構(gòu)的鉸鏈軸連接（圖9），棘輪機構(gòu)在棘齒和棘條的作用下只能朝鉆頭方向前進。當旋轉(zhuǎn)電機1帶動連桿由下往上轉(zhuǎn)動時，連桿6承受拉力，連桿15、16承受壓力，棘輪4固定，與鉆頭連接的棘輪17在連桿推力的作用下沿軸向移動，實現(xiàn)鉆進，與此同時，電機基座在連桿15的推力作用下沿軸向隨動；當旋轉(zhuǎn)電機帶動連桿由上往下轉(zhuǎn)動時，連桿6承受壓力，連桿15、16承受拉力，此時，與鉆頭連接的棘輪17固定，棘輪4在連桿15拉力的作用下沿軸向移動，與此同時，電機基座在連桿16的拉力作用下沿軸向隨動，從而實現(xiàn)鉆進機構(gòu)軸向進給。

為了實現(xiàn)鉆進系統(tǒng)在工作時保持電機基座與鉆桿隨動，在選取好桿件長度、設計電機的輸出轉(zhuǎn)速之后，設定電機在轉(zhuǎn)動一圈的行程中，棘輪17往前挪動s，棘輪4同時往前挪動s，此時，鉆桿保持架內(nèi)部的棘齒槽上下齒面交錯開，相互交錯為s，為滿足電機轉(zhuǎn)動時的行程需求，棘齒條齒間距設置為2s。

而對于輸送裝置如鉆桿，因鉆桿保持架內(nèi)的棘齒槽上下齒面錯開s，則輸送裝置的上下棘齒與保持架內(nèi)的棘齒槽交替接觸，實現(xiàn)鉆頭在工作時單向進給。棘齒齒形曲線主要由圓弧段、直線段、共軛曲線段構(gòu)成。

輸送裝置卡齒的自動回位由圖4所示的彈簧實現(xiàn)，彈簧豎直伸出的末端與卡齒相接觸。另一側(cè)伸出的末端，垂直插入輸送裝置的外殼中?？ú郾巢坑行泵?，在卡齒受到鉆頭框架內(nèi)的齒面接觸的壓縮時會收縮進卡槽斜面中。此時彈簧受拉伸，在過了鉆頭框架內(nèi)的豎直齒面后，卡齒在彈簧的拉動下回位，同時卡住輸送裝置后退的趨勢。

3.2周向旋轉(zhuǎn)運動

周向旋轉(zhuǎn)運動由旋轉(zhuǎn)電機1驅(qū)動，經(jīng)軸承2、齒輪副3、鉆桿保持架14、棘輪17、鉆桿18傳遞至鉆頭10。其中，旋轉(zhuǎn)電機的啟停與轉(zhuǎn)速由連桿6所受的力的大小決定，詳見2.3節(jié)。

3.3樣品收集與封裝

隨著鉆探深度的增加，通過空芯鉆頭的作用將樣品順序頂入樣品收集袋內(nèi)，能夠很好的保持鉆取樣品的地質(zhì)層理結(jié)構(gòu)。待鉆取完畢，樣品收集袋在著陸器總體收集裝置提供的拉力條件下被緩慢拉出采樣裝置，同時，具有自動鎖緊功能的軟袋在脫離鉆頭處軟袋接口的瞬間完成對軟袋內(nèi)樣品的封裝。

4 實例驗證

參考工程經(jīng)驗，定義設計要求為：棘齒與棘齒槽的作用力不超過 700 N，鉆頭每分鐘鉆進100 mm，鉆桿保持架內(nèi)部上下兩側(cè)棘齒槽相差半尺交錯排布，棘齒槽間距為10 mm。軸向進給電機旋轉(zhuǎn)一周鉆進機構(gòu)前進半個棘齒槽間距5 mm，電機設計轉(zhuǎn)速為n＝20 rpm。

其中圓盤L1的長度為10 mm，L2的長度為140 mm，由于設計要求軸向進給電機旋轉(zhuǎn)一圈鉆進機構(gòu)前進 5 mm，所以由幾何方程 L3－計算出 L3桿長為81.25 mm。

根據(jù)幾何約束、力平衡關(guān)系（圖9）以及電機功率扭矩關(guān)系T＝9550 P／n，可求得所需要的軸向進給電機功率為20 W。

通過文獻資料查閱前蘇聯(lián)無人月面采樣裝置技術(shù)參數(shù)［8］可知（表1），本文所設計的軸向敲擊式采樣裝置大幅降低了鉆具功率，并在理論采樣深度、采樣直徑、鉆進速度等方面具有一定的優(yōu)越性。

表1 不同采樣任務采樣技術(shù)指標對比Table 1 Comparison of Technical Parameters in differ?ent sampling tasks

5 結(jié)論

1）提出了一種以軸向進給為主，以旋轉(zhuǎn)采樣為輔的敲擊式鉆取采樣機構(gòu)方案，將增力機構(gòu)及棘輪棘條機構(gòu)有效結(jié)合，實現(xiàn)了電機的小扭矩向采樣鉆頭的高鉆進力轉(zhuǎn)化。

2）通過旋轉(zhuǎn)電機的啟停及轉(zhuǎn)速，對鉆取采樣過程中實現(xiàn)對鉆進阻力的實時監(jiān)測，并設計出了相應的保護裝置，有效增加了軸向敲擊式鉆取采樣裝置的可靠性，降低了鉆取采樣功耗。該方案可為未來地外行星采樣裝置方案設計提供參考。

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（責任編輯：龍晉偉）

Research on Design Scheme of Drilling and Sampling Device with Axial Hammering Pattern

ZHANG Yuanxun1，2，XIE Gengxin2，XIONG Hui2

（1.College of Aerospace Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China；2.Center of Space Exploration，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

To satisfy the low power consumption and small scale demands of the sampling device for the shallow surface of exoplanets，a design scheme of axial hammering drilling and sampling device was proposed.The force amplifying mechanism and ratchet wheel and ratchet bar mechanism were effectively combined and the control of speed and force in drilling and sampling was realized by real?time monitoring of the drag.In addition，the force was amplified and the power consumption was re?duced by imparting the output torque to the drill pipe through force amplifying mechanism.The fea?sibility of the scheme was verified by sample test.This scheme may serve as a reference for the de?sign of sampling device used in exoplanets

drilling；sampling；force amplifier；ratchet mechanism；connecting rod

TD80?9

：A

：1674?5825（2017）02?0212?05

2015?12?08；

2017?01?15

載人航天預先研究項目（030102）；裝備預研教育部支撐技術(shù)項目（62501036037）；重慶市科技計劃項目重大項目（cstc2013yykfc00001）

張元勛，男，博士，講師，研究方向為空間機構(gòu)設計及優(yōu)化。E?mail：yuanxun.zh＠cqu.edu.cn