雙體振貫月壤采樣器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)*

薄明偉，郭 輝，趙海寧，孫 鳳，徐方超，李 強(qiáng)

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870)

0 引言

從古至今，人類對(duì)月球的探索從未停止，最早人們通過眼睛去觀看夜晚的星象進(jìn)行占卜；隨著科技的進(jìn)步，人們通過天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)月球進(jìn)行遠(yuǎn)距離的觀察；隨著航天科技的發(fā)展，環(huán)月衛(wèi)星、探月飛船、深空探測(cè)器等一系列航天設(shè)備的問世，人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)探月、登月的成功，現(xiàn)在，人們想要從月球取回一些土壤進(jìn)行研究。

月壤是一層覆蓋月球表面厚度達(dá)數(shù)米的松軟風(fēng)化物，顆粒細(xì)小且結(jié)構(gòu)松散。Apollo探月計(jì)劃地面接收部門在對(duì)返回的月球樣品進(jìn)行分類時(shí)，把直徑大于等于10 mm的團(tuán)塊定義為月巖來進(jìn)行處理；把直徑小于10 mm的顆粒定義為狹義上的月壤。月壤的三相組成與地球土體不同，不含有液相和氣相僅含有固相，而固相全部由礦物質(zhì)組成，這些礦物質(zhì)與地球土壤中的礦物質(zhì)組成相同[1]。

從20世紀(jì)70年代開始，各國對(duì)月壤取樣做了很多準(zhǔn)備和工作：有作為回轉(zhuǎn)鉆探取樣代表的前蘇聯(lián)的luna探測(cè)器[2]，但其工作方式容易破壞月壤的層理結(jié)構(gòu)；有選用人工取樣的美國Apollo計(jì)劃[3]，但這需要人進(jìn)行工作而且較為繁瑣。2015年中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳化智等[4]提出了一種利用電機(jī)帶動(dòng)凸輪達(dá)到振動(dòng)方式的取樣機(jī)構(gòu)，其整體體積和重量較大。2017年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)徐傳喜[5]再次提出螺桿儲(chǔ)能擒縱式采樣方案，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)鏈過多，能耗損失嚴(yán)重。結(jié)合前人的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)其不足，本文設(shè)計(jì)了一種新型采樣裝置以達(dá)到月球取樣的目的。

1 采樣器設(shè)計(jì)要求以及系統(tǒng)組成

1.1 采樣器設(shè)計(jì)要求

(1)結(jié)構(gòu)簡單，能耗較低。

(2)針對(duì)不同環(huán)境，采樣速度、沖擊力可控。

(3)采用模塊化設(shè)計(jì)，可應(yīng)對(duì)不同的采樣方式。

采樣裝置設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 采集裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 系統(tǒng)組成和工作過程

采樣裝置主要由驅(qū)動(dòng)單元、采樣單元、傳感器單元組成，如圖1所示。驅(qū)動(dòng)單元選用電磁驅(qū)動(dòng)的方式給采樣裝置提供沖擊力。采樣單元包括振動(dòng)組A側(cè)、振動(dòng)組B側(cè)，采樣單元通過轉(zhuǎn)接口與驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行對(duì)接。傳感器用來檢測(cè)驅(qū)動(dòng)位移，刃口用來增加對(duì)月壤的切削力，加快對(duì)月壤的采集。

1-傳感器；2-驅(qū)動(dòng)單元；3-轉(zhuǎn)接口；4-振動(dòng)組A側(cè)；5-振動(dòng)組B側(cè)；6-月壤排屑；7-導(dǎo)向結(jié)構(gòu)；8-刃口；9-月壤

采樣過程中，機(jī)械臂提供向下的月壤鉆探的壓力，沖擊驅(qū)動(dòng)單元同時(shí)產(chǎn)生呈周期變化的鉆探力，驅(qū)動(dòng)力通過轉(zhuǎn)接口傳入采樣管，使振動(dòng)組A和振動(dòng)組B形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而擊碎月壤巖石層將月壤貫入采樣管中，這種貫入式采樣由于振動(dòng)幅度較小不會(huì)產(chǎn)生較大的顆粒位移，從而保證進(jìn)入采樣管的月壤不會(huì)改變其本身的層理信息。采樣管向下不斷采樣，周圍月壤通過相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)在外壁蠕動(dòng)排到月壤表層，這個(gè)過程持續(xù)到采樣結(jié)束。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析

2.1 雙體振貫式驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

采樣器驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)音圈電機(jī)的工作原理，在驅(qū)動(dòng)器外殼內(nèi)側(cè)開通線圈槽，槽內(nèi)纏繞通電線圈，線圈采用“頭接頭、尾接尾”的接線方式，在線圈中通入正弦的激勵(lì)電流。在驅(qū)動(dòng)單元中心內(nèi)部的激振單元采用永磁鐵-軟鐵-永磁鐵的交替組合形式，將每一個(gè)永磁鐵的磁感線集中束縛在其內(nèi)部，將磁感應(yīng)強(qiáng)度最大化。線圈將會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，永磁鐵在磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生與交變磁場(chǎng)同頻率的驅(qū)動(dòng)力。該交變力通過轉(zhuǎn)接頭傳導(dǎo)到振動(dòng)組的A、B兩側(cè)產(chǎn)生振搗貫入的作用，進(jìn)而達(dá)到采樣的目的。驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1-上端蓋；2-軟鐵環(huán)；3-永磁環(huán)；4-線圈骨架；5-線圈；6-外殼；7-中心柱；8-接頭；9-波形彈簧

2.2 貫入式采樣管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采樣管的結(jié)構(gòu)主要分為轉(zhuǎn)接口、導(dǎo)向和采樣刃口三個(gè)主要部分。由于驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)是將外殼和中心激振單元分為兩個(gè)半圓，因此與之對(duì)接的采樣管也設(shè)計(jì)為A、B兩半，并在徑向設(shè)計(jì)兩個(gè)特殊的C型槽孔作為導(dǎo)向和限位，如圖3、圖4所示。

圖3 采樣管外部結(jié)構(gòu) 圖4 采樣管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 采樣器動(dòng)力學(xué)模型與受力過程

采樣器受力過程如圖5所示，采樣器振動(dòng)系統(tǒng)模型如圖6所示。振動(dòng)組A的質(zhì)量為m1，振動(dòng)組B的質(zhì)量為m2，當(dāng)兩個(gè)振動(dòng)組質(zhì)量相同時(shí)，設(shè)m1=m2=m，二者由剛度為k的彈簧連接，系統(tǒng)阻尼系數(shù)為c。對(duì)m2施加正弦激振力F(t)，則m1受到反作用力-F(t)。振動(dòng)組A與振動(dòng)組B的初始位移和速度均為零。

圖5 采樣器受力過程 圖6 采樣器振動(dòng)系統(tǒng)模型

系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

(1)

F=A0sin(ωt+φ).

(2)

其中：m為振動(dòng)組的質(zhì)量；F為產(chǎn)生的電磁力；ω為電流的角頻率；φ為電流的初始相位；A0為振動(dòng)組的振幅。采樣器參數(shù)見表2，表中f0為給予的電流頻率。

表2 采樣器參數(shù)

通過MATLAB仿真軟件對(duì)振動(dòng)組A進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析得到其運(yùn)動(dòng)曲線，如圖7所示。

圖7 振動(dòng)組仿真位移圖

4 實(shí)驗(yàn)分析與論證

利用采樣器樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，采集對(duì)象選用石灰、爐灰、白沙材料進(jìn)行1∶5∶1配比并封裝在固定容器中進(jìn)行壓實(shí)，模擬月壤的物理學(xué)特性。

實(shí)驗(yàn)過程中，每給定一次電流幅值，在該電流幅值不變的情況下，通過改變其頻率，從而得到不同的采樣速度曲線。電流幅值選用1 A～4 A，每次遞增1 A，電流頻率選用20 Hz～70 Hz每次遞增10 Hz，總共進(jìn)行24次采樣試驗(yàn)，采樣速度如圖8所示。

圖8 采樣速度

通過分析在不同電流參數(shù)下的采樣速度，得出貫入采樣的最高速度為162.0 mm/min，可以證明方案是可行的。我們?cè)诒ＷC采樣能力的同時(shí)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)我國探月工程計(jì)劃的采樣任務(wù)設(shè)計(jì)了一種機(jī)械手末端采樣裝置，用以采集原始狀態(tài)下的深層月壤樣品。提出了運(yùn)用電磁驅(qū)動(dòng)式的高頻沖擊貫入式取芯方法，并運(yùn)用電磁驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)出了一種采樣器結(jié)構(gòu)，通過模擬采樣試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該采樣器的采樣速度隨電流頻率和電流幅值的增加而增加。本文研究為中國航天探月取樣器提供了一種新的結(jié)構(gòu)方案。