雙體振貫采樣磁力驅(qū)動式月壤采樣器設計

孫 鳳，霍曉文，茅 冒，趙海寧，徐方超，張偉偉，陳化智，唐鈞躍，張曉友，楊 旭，劉雅芳，姜生元

（1. 沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，沈陽 110870；2. 哈爾濱工業(yè)大學 機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150001；3. 日本工業(yè)大學 機械工學科，埼玉 345-8501；4. 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

引 言

月球上豐富的礦物資源具有很大的開發(fā)利用價值，已成為人類深空探測的首要目標[1-2]。以美國和前蘇聯(lián)為首，至今已發(fā)射了超過100個月球探測器[3]。中國的探月工程三期分為“繞”“落”“回”3個發(fā)展階段[4]，目的是實現(xiàn)采樣探測及月壤采樣返回任務。

針對月壤采樣，已進行了大量的相關研究。美國國家航空航天局（National Aeronautics Space and Administration，NASA）[5-6]和前蘇聯(lián)[7]分別通過有人、無人鉆取的方式采集到了月壤樣品。美國在“阿波羅”（Apollo）任務中，獲得了月球樣品，Apollo11、Apollo12、Apollo14中，宇航員利用采樣管進行沖擊貫入采樣。Apollo15、Apollo16、Apollo17任務中，則采用了手持式回轉(zhuǎn)沖擊鉆機采樣，該采樣鉆機的轉(zhuǎn)速可達280 r/min，沖擊頻率37.8 Hz，鉆進深度達到了3 m[8-10]。前蘇聯(lián)的Luna16和Luna20任務是采集淺層月壤樣品，均配備了擺桿式回轉(zhuǎn)鉆取采樣器，因鉆壓力有限，鉆進深度也受到了極大的限制，都不超過350 mm[11-12]。Luna24鑒于之前任務存在的不足，采用滑軌式回轉(zhuǎn)沖擊采樣裝置，實現(xiàn)了2 m的連續(xù)鉆進。鉆進過程中通過控制進尺速率實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速鉆進，沖擊功能在鉆壓力過大時啟動，起降低負載的作用，輔助鉆進工作[13-14]。中國對月壤采樣研究起步較晚，殷參等[15]研制了一款回轉(zhuǎn)沖擊式采樣器，并在地面環(huán)境下采用模擬月壤進行了鉆進實驗，實現(xiàn)了鉆進取芯、樣品整形和轉(zhuǎn)移的功能。張偉偉等[16]提出一種蠕動掘進式探測方式，這種采樣方式不同于常規(guī)連續(xù)鉆取，將掘進分為主掘進和副掘進兩部分，兩部分相互配合完成采樣，在質(zhì)量和功耗上都有很大的改進。陳化智等[17]提出一種高頻沖擊式采樣裝置，基于顆粒單向流動效應，能夠在振動條件下實現(xiàn)顆粒的單向輸送效果，較好地保持高層理品質(zhì)。

為降低采樣器功耗，減小工作反力，并保持月壤樣品原始的層理信息，本文設計了一種雙體振貫采樣器。對雙體振貫采樣原理進行了分析，利用離散元仿真軟件模擬了顆粒單向運移過程。針對低反力、低功耗等性能要求，分別設計了洛倫茲力式和磁力式兩種驅(qū)動式雙體振貫采樣器。利用采樣器樣機分別開展對模擬松散月壤與月壤硬巖的貫入采樣試驗，分析了電流幅值和頻率對采樣性能的影響。

1 雙體振貫采樣原理

月壤的采樣方式主要有鉆進式和貫入式采樣兩種，與鉆進式相比，貫入式采樣能良好地保持月壤層理信息。本文基于沖擊貫入式原理，提出了雙體振貫采樣方法。雙體振貫式采樣原理圖如圖1所示，雙體振貫式采樣中的“雙體”即振動組A與振動組B，在受到大小相等方向相反的驅(qū)動力下可相互交替運動。為保證振動組A與振動組B產(chǎn)生相同的振幅，兩振動組的質(zhì)量基本相等。通過一對彈簧對兩振動組定位，為其中一振動組做柔性支撐，并發(fā)揮儲能作用。雙體振貫式采樣僅需依靠自重和驅(qū)動力就可完成采樣工作，無需提供額外的正壓力。雙體振貫式采樣工作時振動組A上移產(chǎn)生的向下阻力與振動組B下移產(chǎn)生的向上阻力相抵消，使得雙體振貫式采樣反力很小。

圖1 雙體振貫式采樣原理圖Fig. 1 Schematic diagram of double body vibration penetration sampler

雙體振貫式采樣基于月壤顆粒單向運移機理完成，即月壤顆粒向月表方向做定向運移。采樣管的內(nèi)外表面有楔形的“倒刺”，當機具高頻振動沖擊破碎月壤水冰表面進行貫入采樣時，依靠楔形“倒刺”的各向異性摩擦表面形貌[18]，顆粒做單向運移運動時受到較小的摩擦力，月壤水冰顆粒向上運移流動，最終排出孔外堆積到采樣管兩側(cè)，使孔內(nèi)留有一定的體積允許采樣管進入，避免了擠密現(xiàn)象的發(fā)生，減小了采樣管的側(cè)摩阻力。管壁附近的月壤處于流動狀態(tài)，與管壁的接觸應力也相應地降低，避免了管內(nèi)土塞的形成，在采樣阻力減小的同時，取芯率也得到了提高[19]。

2 磁力驅(qū)動式采樣器設計

為滿足采樣器結(jié)構簡單、驅(qū)動力盡可能大，設計了洛倫茲力式和磁力式兩種磁力驅(qū)動雙體振貫采樣器。

2.1 洛倫茲力式驅(qū)動采樣器設計

針對松散月壤貫入阻力小，需保持剖面月壤的層理信息，設計了一種洛倫茲力式雙體振貫采樣器。采樣器的整體結(jié)構如圖2所示，線圈、外鐵環(huán)、線圈骨架和采樣管A組成振動組A；永磁鐵、聚磁環(huán)、中心柱和采樣管B等組成振動組B。采樣器的驅(qū)動單元基于音圈電機的原理設計，通電線圈在磁場中產(chǎn)生電磁力，帶動負載作直線運動；改變電流的大小和方向調(diào)節(jié)電磁力的大小和方向。使振動組A與振動組B之間產(chǎn)生相對位移，從而實現(xiàn)雙體振貫式工作模式。

圖2 采樣器整體圖Fig. 2 Overall drawing of sampler

當采樣管A接觸到月壤表面時，結(jié)合振動組A的驅(qū)動力及采樣器的重力，對月壤表面產(chǎn)生一個較大的沖擊力，月壤表面形成破碎，并掘進一定的距離；改變電流方向，采樣管B產(chǎn)生同樣的效果。工作過程中結(jié)合采樣管表面的單向運移結(jié)構，使月壤不斷地沿內(nèi)外壁向月壤表面排出，實現(xiàn)采樣。

通過Maxwell電磁仿真軟件對采樣器驅(qū)動單元的驅(qū)動力進行仿真，得到了電流–1.6 ～ 1.6 A時驅(qū)動力的大小，如圖3所示，通過仿真得到驅(qū)動力最大達到125 N。

圖3 驅(qū)動力仿真Fig. 3 Driving force simulation

2.2 磁力式驅(qū)動采樣器設計

針對含水冰月壤硬度大、強度高、脆性高等特性，利用其沖擊破碎原理，設計了一種磁力驅(qū)動式雙體振貫采樣器。在沖擊作用下，脆硬月壤表面形成沖擊裂紋，裂紋進而拓展、破碎。結(jié)構組成如圖4所示。磁力式采樣器整體分為振動組A、振動組B兩部分，在驅(qū)動單元內(nèi)部，振動組A和B之間連接有儲能復位彈簧。兩振動組通過軸向的電磁力相互吸引，同時壓縮彈簧，電磁力消失后兩振動組在彈簧復位作用下相互分離，如此往復，同時帶著連接在兩振動組下端的機具交錯沖擊月面，實現(xiàn)了雙體振貫的采樣功能。

圖4 磁力式采樣器系統(tǒng)組成Fig. 4 Composition of magnetic sampler system

磁力驅(qū)動是通過線圈纏繞軟鐵，線圈通電使得軟鐵產(chǎn)生磁力吸引銜鐵從而產(chǎn)生沖擊的原理，其中軟鐵采用導磁性能較好的電工純鐵（DT4）。通過控制電磁鐵通、斷電的頻率來控制周期性電磁力的頻率，從而達到控制兩振動組相對運動的目的。如圖5所示為該采樣器的整體結(jié)構，驅(qū)動單元幾乎包含了振動組A和振動組B的全部零件。彈簧選用薄板彈簧，其體積小，可節(jié)省空間，徑向剛度大，能進行徑向定位。Incoloy A-286合金材料具有一定的抗拉強度、耐低溫能力強。采樣器工作過程中要做到對月壤硬巖的破碎以完成貫入作業(yè)，以貫入掘進的機具要具備一定的破碎及排屑能力，實現(xiàn)對一定強度硬巖的破碎并將月壤顆粒單向運移至孔外。機具掘進的部分為鋸齒形結(jié)構，有利于顆粒的單向運移，提高掘進過程中的排屑效果，同時機具端部縱向切槽形成的刃形便于破碎硬巖。

圖5 基于磁阻力采樣器整體結(jié)構Fig. 5 Overall structure of sampler based on magnetic resistance

振動組A線圈骨架與振動組B銜鐵之間的軸向間隙1.5 mm，代表著振動組B被電磁力驅(qū)動的最大位移量及彈簧的最大壓縮量。線圈骨架與銜鐵上面的梯形臺與梯形槽能夠完全配合，做成梯形結(jié)構的目的是增大兩個零件的接觸面積，從而獲得更大的電磁力。使用Maxwell電磁仿真軟件對電磁力進行仿真，模型建立依靠繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)建立而成，驅(qū)動力仿真模型如圖6所示。

圖6 仿真模型Fig. 6 Simulation model

本裝置采用線徑0.38 mm的線圈，線圈槽截面理論線圈匝數(shù)529 匝。給定線圈的電流分別為1、1.2、1.4、1.6 A，在不同的電流下仿真出電磁力隨氣隙的變化關系，結(jié)果如圖7所示。由仿真結(jié)果可得：采樣器的驅(qū)動力與驅(qū)動單元電磁鐵與銜鐵之間的氣隙有關，驅(qū)動力與氣隙的大小近似呈反比關系。增大電流也能增大驅(qū)動力，電流對驅(qū)動力的影響主要體現(xiàn)在大氣隙的狀態(tài)下。氣隙越小，振動組A、B的相對位移越大，兩機具錯開的距離越大，即越往掘進方向驅(qū)動力越大，這樣能夠更好地利用驅(qū)動力的特性，提升掘進效果。

3 月壤顆粒運移特性研究

采用軟件對機具的掘進特性進行仿真，可有效地模擬出月壤顆粒的運動路線、機具的排屑效果。本次仿真創(chuàng)建的月壤顆粒模型是直徑1 mm的球體，如圖8所示。將顆粒裝入一個長寬都為30 mm、高100 mm的方體容器內(nèi)，待月壤靜置一段時間，用一實體板對顆粒進行壓實，壓實到一定程度時為顆粒創(chuàng)建接觸類型，顆粒與顆粒粘結(jié)到一起，形成一定的切向和法向剛度。

圖8 顆粒創(chuàng)建Fig. 8 Particle creation

按照模擬月壤物理特性設置基本參數(shù)[20]，顆粒的泊松比0.263，密度1.63 g/cm3。機具材料為45鋼，參數(shù)并按照45鋼的屬性進行設置，45鋼的泊松比0.28，密度7 800 kg/m3。將機具的三維模型導入顆粒模型中，設置機具的速度、振幅和頻率。如圖9所示，為機具工作過程中的排屑效果圖，仿真結(jié)果表明，模擬顆粒的排屑效果良好。

圖9 排屑仿真Fig. 9 Chip removal simulation

排屑總顆粒數(shù)隨時間的變化情況如圖10所示，1 mm顆粒的排屑效果穩(wěn)定，仿真初始階段由于機具錐尖的影響，排屑總數(shù)增加緩慢，當機具錐尖貫入內(nèi)部后，排屑量趨近于線性化。線性化代表排屑效果穩(wěn)定，驗證了顆粒的單向運移效果。

圖10 排屑顆粒數(shù)隨時間變化圖Fig. 10 Variation diagram of chip removal particle number with time

4 采樣器實驗驗證

4.1 洛倫茲力式驅(qū)動采樣器試驗

如圖11所示為針對松散月壤的采樣器原理樣機，樣機總質(zhì)量2.28 kg。樣機由振動組A和振動組B組成，質(zhì)量均為1.14 kg。

圖11 采樣器原理樣機Fig. 11 Principle prototype of sampler

4.1.1 驅(qū)動力驗證實驗

通過實驗驗證洛倫茲力式驅(qū)動采樣器驅(qū)動力與電流之間的關系，給予采樣器不同大小的直流激勵，得到相應的驅(qū)動力。在采樣器的振動組A和振動組B外接一個轉(zhuǎn)換裝置，在轉(zhuǎn)換裝置之間放置拉壓傳感器，如圖12所示。驅(qū)動力特性曲線如圖13所示，采樣器的驅(qū)動力與電流成正相關，并與仿真對比基本一致，輸入電流在-0.4 ～ 0.4 A之間時產(chǎn)生的驅(qū)動力存在滯后現(xiàn)象，經(jīng)分析認為纏繞線圈的骨架選用的是聚四氟乙烯材料，其表面摩擦系數(shù)非常低，在這個電流范圍中產(chǎn)生的驅(qū)動力較小。在有效電流1.6 A時，驅(qū)動力達到峰值，最大119 N。

圖12 測力試驗Fig. 12 Force test

圖13 驅(qū)動力特性曲線Fig. 13 Vibration force characteristic curve

4.1.2 針對模擬松散月壤采樣試驗

圖14為測試洛倫茲力式采樣器針對松散月壤的掘進效果，試驗臺由采樣器原理樣機、模擬月壤、模擬機械臂和標尺組成。模擬月壤采用燒制好的爐灰、細沙子、石灰按照比例1∶1∶5配比。在容器中進行攪拌、壓實，得到模擬松散月壤密度1.35 g/cm3。

圖14 模擬月壤采樣試驗臺Fig. 14 Simulated lunar soil sampling test bench

采樣器線圈輸入不同參數(shù)的電流，電流幅值范圍1～4 A，電流頻率范圍20～70 Hz，采用控制變量法試驗。試驗時由采樣器自身的重力提供初始預壓力，得到如圖15所示的采樣速度與電流的關系，針對松散狀態(tài)下的月壤，最高貫入速度可達162 mm/min。采集樣品的狀態(tài)如圖16所示。

圖15 不同電流下貫入速度Fig. 15 Penetration velocity under different current

圖16 采樣管樣品狀態(tài)Fig. 16 Sample status of sampling tube

4.2 磁力式驅(qū)動采樣器試驗

為驗證磁力驅(qū)動雙體振貫采樣器的掘進效果，開展采樣器掘進試驗。如圖17所示，根據(jù)前述的采樣器整體結(jié)構設計，制造原理樣機，樣機總質(zhì)量為830 g，振動組A、B質(zhì)量幾乎相等。驅(qū)動功率在28 W以內(nèi)。驅(qū)動采樣器正常工作需要一整套電氣控制系統(tǒng)，PC主機上輸入的電流、頻率、占空比等激勵參數(shù)通過DSpace傳遞到驅(qū)動器，再由驅(qū)動器控制采樣器方波信號的輸入，實現(xiàn)采樣器的驅(qū)動。采用具有一定抗壓強度的耐火磚作為模擬月壤硬巖，耐火磚密度1.8 g/cm3，抗壓強度4 MPa。掘進時不提供采樣器正壓力，僅靠手扶方式維持采樣器的平衡，采樣器依靠自身重力和驅(qū)動力實現(xiàn)掘進采樣。

圖17 試驗設備及采樣器工作狀態(tài)Fig. 17 Working state of test equipment and sampler

分別給定采樣器1、1.5 A的激勵電流，調(diào)整電流的頻率（10 ～ 40 Hz）和占空比（40% ～ 70%），依次進行采樣器掘進試驗，掘進過程中能夠明顯觀察到機具外側(cè)不斷堆積模擬顆粒，如圖18所示。這是由于耐火磚在機具的沖擊作用下破碎，碎屑顆粒在高頻振動沖擊下通過機具表面形貌單向運移至掘進孔外。每次掘進2 min，掘進結(jié)束后用游標卡尺測量掘進孔的深度，得出掘進速率，數(shù)據(jù)如圖19所示。

圖18 掘進效果Fig. 18 Excavating effect

圖19 掘進速率Fig. 19 Excavating rate

由實驗結(jié)果可知，在1 A和1.5 A的激勵電流下掘進速率并無明顯變化，驅(qū)動力仿真結(jié)果表明電流大小對電磁力并不會產(chǎn)生明顯影響，故掘進速率無明顯變化。占空比和頻率對掘進速率影響很大。當頻率為30 Hz，占空比為40%的條件下掘進速率最高，達到3.7 mm/min。

5 結(jié) 論

本文提出了一種新型的雙體振貫采樣方式，雙體振貫式采樣器依靠月壤顆粒的單向運移原理實現(xiàn)掘進和采樣。設計了洛倫茲力式和磁力式雙體振貫采樣器，并對樣機進行了試驗驗證。利用離散單元法數(shù)值模擬軟件針對顆粒單向運移特性開展了仿真研究。仿真結(jié)果表明，排屑總數(shù)線性增長。此外，通過測力實驗得到洛倫茲力式采樣器驅(qū)動力大小，與仿真結(jié)果相一致。針對模擬松散月壤，洛倫茲力式驅(qū)動采樣器最大掘進速率可達162 mm/min，針對模擬月壤硬巖，磁力式驅(qū)動采樣器最大3.7 mm/min。

雙體振貫式采樣器具有結(jié)構簡單、低功耗、低反力等優(yōu)點，被廣泛應用，在低溫真空等復雜環(huán)境下能穩(wěn)定工作，雙體振貫采樣器可以做到一體化設計，裝置的可靠性高。低反力是該采樣器的最大特點，在一些無法提供反力場合，該采樣器也能正常工作。