含冰模擬月壤切削負(fù)載試驗(yàn)研究

趙 宇，季 節(jié)，田 野，段張慶，張偉偉

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150028；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

引 言

目前，地外天體探測(cè)器通過雷達(dá)、中子譜、光譜等遙感手段證實(shí)了月球極區(qū)存在水冰[1-2]，水不僅可以揭示生命的起源和物質(zhì)的演化，還是深空探測(cè)的重要補(bǔ)給物資，也關(guān)系到未來月球科研基站的選址和建設(shè)。中國“探月工程四期”計(jì)劃前往月球極區(qū)進(jìn)行月壤水冰的采探任務(wù)，擬用鉆孔的方法依托鉆具回轉(zhuǎn)切削對(duì)月壤水冰破壞后采集。但迄今為止對(duì)月球極區(qū)的探測(cè)信息都是基于遙感手段獲得，并未直接獲取月壤水冰的相關(guān)物理力學(xué)特性[3-5]。因此，面向“探月工程四期”月球極區(qū)月壤水冰采樣勘測(cè)任務(wù)，需開展地面含冰模擬月壤切削的解耦性試驗(yàn)對(duì)月球極區(qū)鉆進(jìn)采樣工況模擬，獲得含冰月壤在鉆具切削作用下的力學(xué)特性，為鉆進(jìn)采樣裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

月壤水冰是未來研究的新對(duì)象，其切削力載特性和影響因素具有未知的不確定性，前期國內(nèi)外學(xué)者就地外天體星壤物質(zhì)的鉆進(jìn)切削問題開展了諸多研究，Li等[6]通過模擬月巖切削試驗(yàn)總結(jié)出了切削刃與月巖相互作用的模型、破碎行為和力載特性，并設(shè)計(jì)了一種高效能取芯鉆頭，提升了鉆進(jìn)的可靠性；Dagrain等[7]將巖石切削過程分成幾個(gè)階段，得出切削力載隨切削深度增加而增加的結(jié)論并且鉆具會(huì)表現(xiàn)出不同的力載形式；唐均躍等[8]分析了鉆具作用下月壤的失效形式和運(yùn)移狀態(tài)，建立了兩種典型工況下的鉆進(jìn)力載模型；趙德明等[9]通過鉆具與月壤之間的相互作用機(jī)理與排屑模型，給出了不同粒徑級(jí)配顆粒對(duì)鉆具的力學(xué)作用關(guān)系；崔建國等[10]通過臨界尺度顆粒運(yùn)移特性總結(jié)出鉆進(jìn)采樣過程孔壁置入和孔底置出機(jī)理，為鉆進(jìn)工況識(shí)別提出了理論依據(jù)；譚松成等[11]通過鉆進(jìn)過程中臨界速度的概念，對(duì)鉆進(jìn)過程中的可持續(xù)鉆進(jìn)性以及功耗做出合理設(shè)置，以保證持續(xù)的鉆進(jìn)過程，上述研究的對(duì)象是面向月巖和干性月壤展開，研究對(duì)象與月壤水冰存在較大差別，不足以論證月壤水冰的相關(guān)切削力學(xué)特性，Liu等[12]通過對(duì)極區(qū)模擬月壤單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)，給出了含水量、溫度和干密度對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響，為水冰探測(cè)裝備的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。劉德赟等[13]通過凍土類模擬月壤的鉆進(jìn)試驗(yàn)研究，總結(jié)出凍土類月壤黏結(jié)性強(qiáng)，所需鉆進(jìn)力載大的鉆進(jìn)特性，但目前尚未有相關(guān)研究在擬實(shí)低溫的條件下對(duì)月壤水冰模擬物的含水率、溫度和切削參數(shù)等因素對(duì)切削力載特性的影響進(jìn)行分析。

本文開展了含冰模擬月壤切削力載試驗(yàn)，首先根據(jù)調(diào)研制備了含冰模擬月壤樣本，研制了含冰模擬月壤樣本的降溫控溫裝置，而后對(duì)含冰模擬月壤切削，初步給出了不同切削深度、不同樣本溫度和不同樣本含水率對(duì)切削力載的影響情況，為月壤水冰采樣鉆具的設(shè)計(jì)提供參考。

1 含冰模擬月壤制備方法

1.1 極區(qū)月壤物性參數(shù)

極區(qū)月壤與高地月壤成分相近，主要為斜長石礦物，根據(jù)美國國家航空航天局（National Aeronautics Space and Administration，NASA）返回的“阿波羅16號(hào)”（Apollo16）高地樣本數(shù)據(jù)作為極區(qū)模擬月壤的標(biāo)準(zhǔn)配比，由Basu計(jì)算的Apollo16樣本數(shù)據(jù)平均礦物組成（表1）作為依據(jù)，其中斜長石礦物占比約70%[14]，因此按照礦物組分的成分含量和比例關(guān)系，本文選用的模擬月壤原料采用不同粒徑級(jí)配的斜長巖和玄武巖按照7∶3比例混合配置而成，可使斜長石礦物成分近似為70%。對(duì)所配置模擬月壤樣本的顆粒原料采用高倍電子顯微鏡成像，微觀形貌如圖1所示。模擬樣本顆粒呈現(xiàn)出棱角狀和次棱角狀，與已知真實(shí)月壤顆粒形貌相似。

表1 “阿波羅16號(hào)”登月點(diǎn)月壤礦物平均組成Table 1 Mean mineral composition of lunar soil at Apollo 16 lunar landing sitemol%

圖1 模擬月壤顆粒微觀形貌Fig.1 Micromorphology of simulated lunar soil particles

本文模擬月壤粒徑級(jí)配主要參考的是NASA研制的NU-LHT-2M型[15]高地模擬月壤經(jīng)激光粒度分析儀檢測(cè)，獲得的粒度累計(jì)曲線如圖2所示。經(jīng)對(duì)比，制備的模擬月壤粒徑級(jí)配與NU-LHT-2M型模擬月壤接近，并落在月壤均值加減1倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)。

圖2 模擬月壤粒度累計(jì)曲線Fig.2 Particle size accumulative curve of simulated lunar soil

模擬月壤的干密度決定其剪切性質(zhì)，月壤樣本干密度采用相對(duì)密實(shí)度試驗(yàn)儀測(cè)得，其中樣本的最大干密度和最小干密度測(cè)量值如表2所示。

表2 樣本干密度測(cè)試參數(shù)Table 2 Sample dry density test parameters

1.2 模擬樣本制備方法

模擬月壤樣本的制備過程決定其力學(xué)特性，本文采用水-壤混合制備方案完成樣本制備，如圖3所示。該制備方法操作簡單、制作周期短、可循環(huán)次數(shù)多、樣本力學(xué)強(qiáng)度高，是目前作為極區(qū)模擬月壤制備的主要方法之一[16]，其制備流程為如下幾個(gè)步驟。

圖3 模擬月壤樣本原料Fig.3 Simulated lunar soil sample materials

1）烘干去水：為精確控制樣本的含水率，需要對(duì)樣本原料烘干去除原始水分。將樣本原料放入烘箱內(nèi)，在110 ℃環(huán)境溫度下烘干8 h以上直至樣本質(zhì)量達(dá)到恒重，然后等待樣本冷卻至室溫時(shí)取出。

2）物料混合：根據(jù)所需制備樣本的含水率及干燥的樣本量計(jì)算出所需水的質(zhì)量，將干燥模擬月壤與計(jì)算質(zhì)量后的水均勻混合，然后放入密封袋中靜置均化8 h，利用毛細(xì)作用使樣本中的水分遷移均勻。

3）樣本含水率檢測(cè)：對(duì)均化后的樣本進(jìn)行含水率檢測(cè)，為防止因水分配比不均勻而導(dǎo)致的力學(xué)性質(zhì)差異，對(duì)均化后的樣品多點(diǎn)取樣，然后采用熱重法烘干檢測(cè)，通過烘干前后兩次樣本質(zhì)量差計(jì)算含水率值，如果測(cè)量含水率與目標(biāo)含水率的相對(duì)誤差小于 ± 5%，則樣本制備完畢，否則重新配置。

4）密度計(jì)算：根據(jù)樣本模具體積和樣本的目標(biāo)密實(shí)度計(jì)算出所需含水模擬月壤的質(zhì)量，其中樣本相對(duì)密實(shí)度計(jì)算式為

其中：Dr為相對(duì)密實(shí)度；emax為最大孔隙比；emin為最小孔隙比；emax為最大干密度； ρmin為最小干密度。

月壤密度是指月壤在月球表面處于自然堆積狀態(tài)下的密度，根據(jù)Heiken[17]給出的月壤剖面深度與密度的關(guān)系，月壤的原位相對(duì)密度在頂部150 mm處約為65%，在300 mm以下增加到90%以上，此后隨深度增加其宏觀體密度幾乎不發(fā)生較大變化，如圖4所示。鑒于鉆取采樣屬于機(jī)械方式獲取月壤樣本，而高密實(shí)度月壤力學(xué)特性與其本構(gòu)特性息息相關(guān)，因此本文采用干密度1.79 g/cm3的高密實(shí)度模擬月壤樣本做為試驗(yàn)對(duì)象，該相對(duì)密實(shí)度條件下樣本具備較高的力學(xué)強(qiáng)度，對(duì)含冰月壤切削力載測(cè)試具有較好的覆蓋性。

圖4 月球剖面深度-體積密度Fig.4 Depth-volume density of lunar profile

5）常溫制樣：將所需配置的模擬月壤樣本稱量后均勻分成兩份，分批將樣本放入模具中壓實(shí)，保證分層壓制時(shí)各層樣本的密度相近，并在首次壓實(shí)后對(duì)樣本表面做刮毛處理，以增強(qiáng)樣本之間的黏結(jié)力，保證樣本整體的均一性，如圖5所示。壓制完畢后用保鮮膜包裹樣本，防止與外界水分發(fā)生交換。

圖5 樣本分層壓實(shí)方法Fig.5 Compaction of sample in two layers

6）冷凍封存：為避免快速凍結(jié)導(dǎo)致樣本發(fā)生的凍脹破壞，將常溫制備后的樣本放入恒溫冰箱（-80 ℃）緩慢冷凍保存，待試驗(yàn)時(shí)取出。

2 低溫切削試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

月球極區(qū)月壤受低溫真空環(huán)境影響具有機(jī)械強(qiáng)度高、受力、熱擾動(dòng)易揮發(fā)、水冰分布具有隨機(jī)性等特點(diǎn)，并且永久陰影區(qū)無能量輸入等多方面因素的制約，對(duì)實(shí)際采樣作業(yè)要求極為嚴(yán)苛。因此，為模擬月球極區(qū)極端的采樣工況，需搭建一套容易調(diào)整的切削規(guī)程，可改變切削參數(shù)的試驗(yàn)系統(tǒng)，保證樣本在切削試驗(yàn)過程中保持相對(duì)穩(wěn)定的形態(tài)。

2.1 切削測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)組成

1）平臺(tái)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)使用的單刃直線切削力載測(cè)試平臺(tái)[18]功能為：切削驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)切削刃沿水平向做直線切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；進(jìn)尺驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過磁柵尺調(diào)整切削刃沿豎直向的切削深度；沖擊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)施加一定頻率和能量的沖擊功作用在切削刃具上，增加其切削能力；6維力傳感器連接模具，監(jiān)測(cè)切削力載；低溫環(huán)境箱填充液氮使模擬月壤樣本保持冷卻，單刃切削試驗(yàn)臺(tái)模型如圖6所示。試驗(yàn)所用切削刃為直切刃[19]，尺寸構(gòu)型如圖7所示。

圖6 單刃直線切削力載測(cè)試平臺(tái)Fig.6 Single-edge straight-line cutting load test platform

圖7 切削刀具尺寸構(gòu)型Fig.7 Dimensional configuration of cutting tool

2）伺服控制系統(tǒng)組成

伺服控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)起驅(qū)動(dòng)輸出調(diào)控作用，其中切削規(guī)程基于仿真軟件模塊編譯調(diào)控，切削速度由驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)譯反饋，切削深度由磁柵尺測(cè)量定位，切削力載由6維力傳感器采集讀取。試驗(yàn)過程中將試驗(yàn)測(cè)試規(guī)程數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真模塊中作為輸入，通過上下位機(jī)執(zhí)行反饋完成試驗(yàn)臺(tái)各組成部分的運(yùn)動(dòng)控制輸出和數(shù)據(jù)采集。其原理簡圖如圖8所示。

圖8 單刃直線切削力載測(cè)試平臺(tái)控制系統(tǒng)Fig.8 Single-edge straight-line cutting load test platform control system

3）力載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

力載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)直接反饋切削負(fù)載測(cè)試結(jié)果，采用將6維力傳感器與樣本模具相連的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過刀具與樣本之間的相互作用關(guān)系獲取力載。根據(jù)含冰模擬月壤的高機(jī)械強(qiáng)度屬性，樣本自身的阻尼也可降低濾波的擾動(dòng)，將6維力傳感器安裝在樣本模具底部可直觀的檢測(cè)出切削力載的變化情況，力載監(jiān)測(cè)模型如圖9所示，6維力傳感器測(cè)量參數(shù)如表3所示。

表3 6維力傳感器測(cè)量參數(shù)Table 3 Six-dimensional force sensor measurement parameters

圖9 單刃直線切削力載測(cè)試平臺(tái)力載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.9 Force load monitoring system of single-edge straight-line cutting load testing platform

試驗(yàn)過程中首先將切削參數(shù)輸入上位機(jī)的仿真模塊中執(zhí)行編譯，然后通過進(jìn)尺驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)切削深度調(diào)整，調(diào)整過程中由磁柵尺觸發(fā)行程開關(guān)精確定位，切削深度確定后由切削驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水平切削。切削過程中切削速度由驅(qū)動(dòng)器反饋，實(shí)時(shí)力載由連接樣本模具下的6維力傳感器監(jiān)測(cè)，并通過下位機(jī)讀取力載波動(dòng)實(shí)況同時(shí)將數(shù)據(jù)記錄保存。單刃直線切削力載測(cè)試平臺(tái)整體系統(tǒng)通過程序調(diào)控各部分之間的動(dòng)作來執(zhí)行試驗(yàn)的測(cè)試規(guī)程，完成數(shù)據(jù)記錄，表4為單刃直線切削力載測(cè)試平臺(tái)總體功能參數(shù)。

表4 單刃直線切削力載測(cè)試平臺(tái)試驗(yàn)參數(shù)Table 4 Single-edge straight-line cutting load test platform test parameters

2.2 低溫冷卻方法

本試驗(yàn)采用液氮浴的方式制冷以保證試驗(yàn)所需的溫度環(huán)境，液氮具有低沸點(diǎn)（-196 ℃）、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是作為降溫傳熱的首選介質(zhì)。在試驗(yàn)開始前，將樣本從冰箱取出并載入樣本模具中，隨后填充液氮浸泡使樣本降溫，在切削過程中，低溫環(huán)境裝置將樣本包裹，防止外界水分侵入，同時(shí)有效地降低樣本與外界的熱量交換，為內(nèi)部樣本創(chuàng)建低溫干燥環(huán)境，減緩樣本的溫升。

樣本低溫環(huán)境裝置如圖10所示，低溫環(huán)境箱采用亞克力透明板材質(zhì)，起環(huán)境隔熱、隔絕外界水分的同時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部切削狀態(tài)的作用；進(jìn)氮口連接液氮罐，通過液相閥實(shí)現(xiàn)液氮的連續(xù)供給或間斷供給控制樣本溫度；揮發(fā)的液氮由切削槽口排出，同時(shí)排出環(huán)境箱中可能存在的空氣與水分，保證樣本不受環(huán)境水汽侵?jǐn)_；液氮槽保溫層采用泡沫棉材質(zhì)，降低樣本與外界環(huán)境的換熱效率。

圖10 樣本控溫裝置Fig.10 Sample temperature control device

為實(shí)時(shí)監(jiān)控樣本溫度，避免上升過高，模擬月壤在整備過程中，其樣本內(nèi)部插入多只Pt 100溫度傳感器對(duì)溫度變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)樣本表層貼置環(huán)境溫度傳感器，對(duì)樣本低溫裝置環(huán)境內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)以保證樣本和周圍環(huán)境溫差穩(wěn)定，實(shí)時(shí)溫度變化由無紙記錄儀讀取，樣本溫控系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 樣本溫控系統(tǒng)Fig.11 Sample temperature control system

2.3 傳熱仿真分析

低溫裝置內(nèi)樣本降溫及溫度保持情況，采用多物理場(chǎng)仿真模擬的方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為樣本真實(shí)情況下的降溫過程和溫度保持過程提供參考依據(jù)。

仿真邊界條件設(shè)置：樣本從冰箱取出后，將其放入低溫環(huán)境箱中，然后填充液氮制冷。液氮在填充過程中會(huì)升溫?fù)]發(fā)，不能完全填滿樣本模具，因此根據(jù)液氮填充所達(dá)到的實(shí)際高度設(shè)定樣本模具的液氮浴邊界（恒溫邊界-196 ℃），而未被液氮浸泡的部分則通過已冷卻部分進(jìn)行樣本內(nèi)部之間的固體傳熱。液氮浴邊界以外部分為樣本模具與環(huán)境箱空氣直接接觸部分，將其設(shè)定為對(duì)流換熱邊界，通過空氣傳熱。樣本從冰箱中拿出之后應(yīng)迅速浸泡在液氮中，可以保證很好的冷凍狀態(tài)，因此樣本初始溫度也設(shè)定為冰箱溫度（- 75～- 80 ℃），樣本邊界條件設(shè)定如圖12所示。

圖12 傳熱仿真邊界條件設(shè)置Fig.12 Setting of boundary conditions for heat transfer simulation

樣本參數(shù)設(shè)置：仿真分析過程中使用的樣本和環(huán)境參數(shù)值如表5所示，其中含冰模擬月壤樣本的密度與上文設(shè)定值相同?？紤]含水率對(duì)傳熱的影響，含水率低傳熱效果差，因此本文采用較低值（5 wt%）進(jìn)行覆蓋性驗(yàn)證，樣本的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)通過瞬態(tài)熱線法測(cè)量獲得。

表5 仿真參數(shù)表Table 5 Simulation parameters

樣本仿真降溫曲線如圖13所示，可知在經(jīng)過1 600 s液氮傳熱后，樣本逐漸達(dá)到熱平衡，此時(shí)樣本表面溫度穩(wěn)定約為-170 ℃，可以說明樣本在液氮浸泡的環(huán)境下，整體溫度可以保持在低溫水平，同時(shí)能夠保證樣本溫度不至于上升過快。樣本在進(jìn)行切削試驗(yàn)時(shí)，樣本上表面最高溫度可在-165 ℃以下，說明低溫裝置具有降溫、控溫的可行性。

圖13 樣本仿真降溫曲線Fig.13 Sample simulation cooling curve

3 切削試驗(yàn)和結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)置

在探究低溫環(huán)境下含冰模擬月壤的切削力載特性時(shí)，制備了不同含水率的模擬月壤樣本，測(cè)試了不同的切削深度，并分別在不同溫度環(huán)境下完成切削試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)見表6，在部分試驗(yàn)參數(shù)處進(jìn)行了多次重復(fù)試驗(yàn)，其中試驗(yàn)測(cè)試過程如圖14所示。將分別討論各個(gè)因素對(duì)含冰模擬月壤樣本切削力載特性的影響，并且對(duì)不同工況下含冰模擬月壤樣本的力載特性進(jìn)行分析。

圖14 樣本制備及切削力載試驗(yàn)流程Fig.14 Sample preparation and cutting force load test procedure

表6 切削試驗(yàn)參數(shù)Table 6 Cutting test parameters

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和處理方法

切削機(jī)具在切削過程中，切削力載會(huì)因切削情況時(shí)刻發(fā)生波動(dòng)，并逐漸出現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的切削力載峰值波動(dòng)區(qū)間。樣本在切削過程中力載的波動(dòng)是由于大塊切屑不是連續(xù)生成，切削力載峰值是在大塊切屑形成前達(dá)到，大塊切屑崩碎后，力載則會(huì)下降并產(chǎn)生周期性波動(dòng)[20-21]，切屑破碎生成過程如圖15所示。因此當(dāng)切削力載與切壓力載同時(shí)出現(xiàn)并達(dá)到峰值，說明此時(shí)的力載數(shù)值可以作為當(dāng)前樣本和切削規(guī)程下具有代表性的力載反饋結(jié)果。將波動(dòng)區(qū)間所有力載峰值取出作為初選集合，并取出最接近實(shí)際工況的峰值作為力載選擇點(diǎn)。篩選方法如圖16所示。

圖15 樣本切屑破碎和產(chǎn)生過程Fig.15 Sample chip crushing and production process

圖16 切削合力峰值力載篩選分布圖Fig.16 Peak load screening distribution map

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）切削深度對(duì)切削力載的影響分析

為研究不同切深對(duì)切削力載的影響，對(duì)5 wt%的樣本進(jìn)行切削測(cè)試，試驗(yàn)過程中采用的切削速度300 mm/min，切削深度0.5～3.0 mm，共6組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)多次取平均值，不同切削深度對(duì)應(yīng)的切削力載如圖17所示，可知試驗(yàn)過程中，隨著切削深度的增加，其切削力載近似呈線性規(guī)律增加，在1 mm切深的切削工況下，1 mm2平均受到切削力載15 N，平均切壓力載9 N。

圖17 不同切深切削力載曲線Fig.17 Load curve of cutting with different cutting depths

2）溫度對(duì)切削力載影響

為探究不同溫度對(duì)切削力載的影響，本試驗(yàn)分別采用5 wt%的樣本在-40 ℃和-80 ℃溫度下進(jìn)行切削試驗(yàn)，以及10 wt%的樣本在-80 ℃和-120 ℃溫度下進(jìn)行切削試驗(yàn)。如圖18可知，樣本初始溫度處于24 ℃左右的環(huán)境溫度，將其放在冰箱進(jìn)行一級(jí)制冷約5 h達(dá)到熱平衡（-80 ℃），試驗(yàn)開始前，將樣本回溫（針對(duì)-40 ℃切削試驗(yàn)）或?qū)颖窘菰谝旱卸?jí)制冷（針對(duì)-80 ℃、-120 ℃切削試驗(yàn)），其中樣本升溫段為樣本與低溫環(huán)境箱裝配操作過程中產(chǎn)生的溫升，后續(xù)降溫及溫升的波動(dòng)分別為切削試驗(yàn)過程中分次補(bǔ)加液氮制冷和液氮揮發(fā)完后回溫的過程，溫度曲線如圖19所示。

圖18 不同切深的樣本表面形態(tài)Fig.18 Surface morphology of samples with different cutting depths

圖19 試驗(yàn)過程樣本溫度曲線Fig.19 Sample cooling process curve

為更精準(zhǔn)獲得切削力載數(shù)據(jù)，試驗(yàn)溫度的選取是基于樣本含水率對(duì)導(dǎo)熱的影響，在所選的溫度區(qū)間，樣本可維持相對(duì)穩(wěn)定的凍結(jié)狀態(tài)，并且溫度曲線上下波動(dòng)范圍不存在交集，避免了溫度區(qū)間重合產(chǎn)生的干擾。試驗(yàn)過程中采用的切削速度300 mm/min，每組試驗(yàn)重復(fù)多次取平均值，不同溫度對(duì)應(yīng)的切削力載如圖20所示，可知隨著溫度的降低，切削力和切壓力同步呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)在其他因素保持不變的情況下，隨著溫度的降低，樣本的冰壤膠結(jié)強(qiáng)度增加，抵抗切削破壞的能力增強(qiáng)，也促使切削負(fù)載增加。

圖20 不同溫度切削力載曲線Fig.20 Cutting load curves at different temperatures

3）不同含水率對(duì)切削力載的影響分析

為探究不同含水率對(duì)切削力載的影響，對(duì)5 wt%、10 wt%模擬月壤樣本分別進(jìn)行切削試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中采用的切削速度300 mm/min，控制其余變量一致，多次重復(fù)切削取平均值，其切削力載曲線如圖21所示。由最終的試驗(yàn)結(jié)果曲線可知，切削力載隨含水率的增加而顯著上升。含水率的增加使樣本的凍結(jié)強(qiáng)度增加，并表現(xiàn)出既抗剪又抗壓的能力[22]，因此在相同切削規(guī)程下，切削力載呈現(xiàn)出顯著增加的結(jié)果。

圖21 不同含水率切削力載曲線Fig.21 Cutting load curves with different water content

4 結(jié) 論

本文依據(jù)極區(qū)月壤的物理參數(shù)，從礦物成分、顆粒形貌、粒徑級(jí)配和樣本密度等多方面因素綜合考慮進(jìn)行擬實(shí)配制，根據(jù)月壤特性給出了含冰模擬月壤的制備工藝流程和方法并進(jìn)行了樣本制備；考慮極區(qū)深低溫度環(huán)境，首創(chuàng)了能獲得深低溫的樣本切削力載測(cè)試裝置，并初步開展了切削試驗(yàn)研究，獲得如下結(jié)論：

1）制備了與極區(qū)月壤具有相似性和等效性的模擬月壤，其原料由70%斜長質(zhì)與30%玄武質(zhì)的模擬月壤混配而成，與月球高地型月壤的礦物組分相近，并經(jīng)激光粒度檢測(cè)其粒度曲線與NU-LHT-2M型模擬月壤粒度曲線相近；

2）所研制的低溫裝置經(jīng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)和數(shù)值仿真分析，可以使模擬月壤樣本保持深低溫冷卻狀態(tài)，表層溫度最高可達(dá)-165 ℃以下，具有對(duì)比月球極區(qū)低溫的可行性；

3）通過低溫切削測(cè)試平臺(tái)開展了不同設(shè)置下的切削試驗(yàn)，對(duì)于樣本的溫度和含水率兩種參量切削結(jié)果顯示，相同工況下，隨著溫度的降低和含水率的增加，切削負(fù)載表現(xiàn)出現(xiàn)增大的趨勢(shì)；對(duì)于樣本不同切深的切削結(jié)果顯示，相同工況下，隨著切深的增加，同樣會(huì)出現(xiàn)切削力載增大的趨勢(shì)，其中單位切深對(duì)應(yīng)的切削力載約15 N，平均切壓力載約9 N。