張?jiān)獎(jiǎng)祝x更新，熊 輝

（1.重慶大學(xué)航空航天學(xué)院，重慶400044；2.重慶大學(xué)教育部深空探測(cè)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?jiān)獎(jiǎng)?，2，謝更新2，熊 輝2

（1.重慶大學(xué)航空航天學(xué)院，重慶400044；2.重慶大學(xué)教育部深空探測(cè)聯(lián)合研究中心，重慶400044）

針對(duì)地外行星淺表層鉆探采樣對(duì)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(shè)計(jì)方案：將增力機(jī)構(gòu)與棘輪棘條機(jī)構(gòu)結(jié)合，通過(guò)對(duì)鉆取采樣過(guò)程的鉆進(jìn)阻力實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)鉆取采樣鉆進(jìn)速度及鉆進(jìn)力的控制；將軸向進(jìn)給電機(jī)的輸出扭矩通過(guò)增力機(jī)構(gòu)傳遞至鉆桿，實(shí)現(xiàn)增力效果，降低了鉆取采樣功耗。該方案的可行性通過(guò)設(shè)計(jì)示例得到了驗(yàn)證，可作為未來(lái)地外行星采樣裝置設(shè)計(jì)的借鑒。

鉆?。徊蓸?；增力機(jī)構(gòu)；棘輪機(jī)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(jì)60年代，世界各國(guó)開始研制月面采樣及返回探測(cè)器，其中美國(guó)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(biāo)志性成果是美國(guó)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(jìn)行采樣。該技術(shù)采用內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)，外環(huán)夾持鉆桿（10根），主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊［3?4］。國(guó)內(nèi)方面，楊帥等對(duì)人工取樣和無(wú)人的鉆取取樣、鏟挖取樣、夾取取樣、研磨取樣、復(fù)合取樣等方面的國(guó)外地外星體土壤取樣技術(shù)進(jìn)行了分析比較［5］。在鉆取采樣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，北京航空航天大學(xué)的月球土壤采樣器［6］、哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所六自由度機(jī)器人化月表采樣器［9］等對(duì)月球表取與鉆取方案進(jìn)行了詳細(xì)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(yùn)動(dòng)，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(dǎo)致電機(jī)功耗增加。對(duì)于地外行星采樣而言，降低鉆取采樣機(jī)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(jìn)給為主、旋轉(zhuǎn)采樣為輔的敲擊式軸向進(jìn)給鉆取采樣機(jī)構(gòu)方案，將增力機(jī)構(gòu)與棘輪棘條機(jī)構(gòu)有效配合，以實(shí)現(xiàn)小功率向大鉆進(jìn)力轉(zhuǎn)化。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

軸向進(jìn)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(jìn)機(jī)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)鉆桿豎直鉆進(jìn)星壤的功能，驅(qū)動(dòng)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(dòng)功能。其中，旋轉(zhuǎn)裝置是旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆桿和鉆桿保持架整體轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆頭旋轉(zhuǎn)切削；而豎直上下移動(dòng)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(jìn)機(jī)構(gòu)，此處采用棘輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)豎直方向的移動(dòng)。軸向進(jìn)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(gè)部分：鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)、鉆架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和鉆桿機(jī)構(gòu)。鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)由棘輪（4）、搖塊（5）、連桿L2（6）、軸向進(jìn)給電機(jī)（7）、電機(jī)隨動(dòng)基座（8）、連桿L3（15和16）、棘輪（17）構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)將電機(jī)的輸出扭矩轉(zhuǎn)化為鉆桿前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，并實(shí)現(xiàn)增力效果；鉆架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)（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(shí)現(xiàn)鉆架整體旋轉(zhuǎn)功能；鉆桿機(jī)構(gòu)由擋片（9）、鉆頭（10）、鉆桿保持架（14）、鉆桿（18）構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)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(jìn)機(jī)構(gòu)

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

棘輪機(jī)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(jī)構(gòu)與棘條配合，使得鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)成為單向進(jìn)給機(jī)構(gòu)。同時(shí)，電機(jī)基座與鉆桿保持架在電機(jī)與連桿的協(xié)同作用下維持相對(duì)平移狀態(tài)。

為保證棘齒的剛性與強(qiáng)度，此處在設(shè)計(jì)棘齒時(shí)，取消了棘齒的鉸鏈軸，將棘齒與棘齒架設(shè)計(jì)為可繞定點(diǎn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)（圖5），同時(shí)，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(shè)計(jì)為與棘條定點(diǎn)相互共軛的曲線。

2.2鉆架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

鉆架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，鉆桿保持架通過(guò)固定筋13與齒輪副3固連。旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪副實(shí)現(xiàn)鉆桿保持架旋轉(zhuǎn)，當(dāng)鉆桿軸向進(jìn)給阻力過(guò)大時(shí)，即激發(fā)旋轉(zhuǎn)電機(jī)啟動(dòng)，且隨著阻力的增加電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速隨之增加，詳見連桿L2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明。

2.3連桿L2

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

隨著鉆進(jìn)深度的增加及地質(zhì)層的變化，鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)所受阻力逐漸增加。當(dāng)鉆進(jìn)阻力大于某一定值f1時(shí)，保護(hù)彈簧被壓縮，激發(fā)旋轉(zhuǎn)電機(jī)啟動(dòng)，隨著鉆進(jìn)阻力的進(jìn)一步增加，旋轉(zhuǎn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與功率隨著增大，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中軸向運(yùn)動(dòng)與周向運(yùn)動(dòng)的合成，進(jìn)一步提高鉆頭的巖土破碎性能。同時(shí)，為防止鉆采裝置破壞，特別設(shè)置旋轉(zhuǎn)電機(jī)停機(jī)保護(hù)裝置，當(dāng)鉆進(jìn)阻力超過(guò)鉆桿額定驅(qū)動(dòng)力時(shí)，由安裝于保護(hù)彈簧內(nèi)的位移傳感器釋放停機(jī)信號(hào)，中止采樣。

2.4鉆頭

鉆頭打滑會(huì)導(dǎo)致整個(gè)鉆孔施工周期延長(zhǎng)，勘探成本增加［10］。對(duì)于抗壓強(qiáng)度較大的地質(zhì)來(lái)說(shuō)，一般來(lái)說(shuō)，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(shè)計(jì)采探鉆頭時(shí)，將鉆頭齒形設(shè)計(jì)成連續(xù)齒，并且能夠保證鉆頭唇面可承受相應(yīng)的鉆壓。在鉆頭坡面上設(shè)計(jì)了八個(gè)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(jìn)給式鉆取采樣裝置工作方式

軸向進(jìn)給式鉆取采樣裝置的鉆桿在保持架的約束下，通過(guò)鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)沿鉆架旋轉(zhuǎn)軸軸向平移；旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪副轉(zhuǎn)動(dòng)，使整個(gè)鉆架沿鉆架旋轉(zhuǎn)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從而使鉆頭實(shí)現(xiàn)軸向前進(jìn)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(guò)程主要有軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成。

3.1軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力由軸向進(jìn)給電機(jī)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(jī)構(gòu)的鉸鏈軸連接（圖9），棘輪機(jī)構(gòu)在棘齒和棘條的作用下只能朝鉆頭方向前進(jìn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)1帶動(dòng)連桿由下往上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)，與此同時(shí)，電機(jī)基座在連桿15的推力作用下沿軸向隨動(dòng)；當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)連桿由上往下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，連桿6承受壓力，連桿15、16承受拉力，此時(shí)，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(dòng)，與此同時(shí)，電機(jī)基座在連桿16的拉力作用下沿軸向隨動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)軸向進(jìn)給。

為了實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)系統(tǒng)在工作時(shí)保持電機(jī)基座與鉆桿隨動(dòng)，在選取好桿件長(zhǎng)度、設(shè)計(jì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速之后，設(shè)定電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的行程中，棘輪17往前挪動(dòng)s，棘輪4同時(shí)往前挪動(dòng)s，此時(shí)，鉆桿保持架內(nèi)部的棘齒槽上下齒面交錯(cuò)開，相互交錯(cuò)為s，為滿足電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的行程需求，棘齒條齒間距設(shè)置為2s。

而對(duì)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(cuò)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(shí)現(xiàn)鉆頭在工作時(shí)單向進(jìn)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(dòng)回位由圖4所示的彈簧實(shí)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。卡槽背部有斜面，在卡齒受到鉆頭框架內(nèi)的齒面接觸的壓縮時(shí)會(huì)收縮進(jìn)卡槽斜面中。此時(shí)彈簧受拉伸，在過(guò)了鉆頭框架內(nèi)的豎直齒面后，卡齒在彈簧的拉動(dòng)下回位，同時(shí)卡住輸送裝置后退的趨勢(shì)。

3.2周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)1驅(qū)動(dòng)，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(jī)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(guò)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(shí)，具有自動(dòng)鎖緊功能的軟袋在脫離鉆頭處軟袋接口的瞬間完成對(duì)軟袋內(nèi)樣品的封裝。

4 實(shí)例驗(yàn)證

參考工程經(jīng)驗(yàn)，定義設(shè)計(jì)要求為：棘齒與棘齒槽的作用力不超過(guò) 700 N，鉆頭每分鐘鉆進(jìn)100 mm，鉆桿保持架內(nèi)部上下兩側(cè)棘齒槽相差半尺交錯(cuò)排布，棘齒槽間距為10 mm。軸向進(jìn)給電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)前進(jìn)半個(gè)棘齒槽間距5 mm，電機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為n＝20 rpm。

其中圓盤L1的長(zhǎng)度為10 mm，L2的長(zhǎng)度為140 mm，由于設(shè)計(jì)要求軸向進(jìn)給電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)前進(jìn) 5 mm，所以由幾何方程 L3－計(jì)算出 L3桿長(zhǎng)為81.25 mm。

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

通過(guò)文獻(xiàn)資料查閱前蘇聯(lián)無(wú)人月面采樣裝置技術(shù)參數(shù)［8］可知（表1），本文所設(shè)計(jì)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(jìn)速度等方面具有一定的優(yōu)越性。

表1 不同采樣任務(wù)采樣技術(shù)指標(biāo)對(duì)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(jìn)給為主，以旋轉(zhuǎn)采樣為輔的敲擊式鉆取采樣機(jī)構(gòu)方案，將增力機(jī)構(gòu)及棘輪棘條機(jī)構(gòu)有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的小扭矩向采樣鉆頭的高鉆進(jìn)力轉(zhuǎn)化。

2）通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的啟停及轉(zhuǎn)速，對(duì)鉆取采樣過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆進(jìn)阻力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的保護(hù)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(lái)地外行星采樣裝置方案設(shè)計(jì)提供參考。

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（責(zé)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(yù)先研究項(xiàng)目（030102）；裝備預(yù)研教育部支撐技術(shù)項(xiàng)目（62501036037）；重慶市科技計(jì)劃項(xiàng)目重大項(xiàng)目（cstc2013yykfc00001）

張?jiān)獎(jiǎng)?，男，博士，講師，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。E?mail：yuanxun.zh＠cqu.edu.cn