馬超，劉飛，曾婷，趙曾，龐勇，樊明旭，姜生元

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080；2.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

引 言

原計(jì)劃于2017年11月發(fā)射的“嫦娥5號(hào)”探測(cè)衛(wèi)星攜帶月面鉆采作業(yè)機(jī)具，將通過(guò)鉆取采樣的方式獲取月球表面深2 m、重500 g的月壤樣品。這將是我國(guó)首次從地外天體實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)采集星表樣品，實(shí)現(xiàn)返回的任務(wù)[1]。由于著陸位置的不確定性和月壤物理力學(xué)特性的隨機(jī)性，對(duì)鉆采作業(yè)機(jī)具的可靠性提出了非常高的要求，需要在地面開(kāi)展大量模擬月壤鉆進(jìn)試驗(yàn)。如何高效開(kāi)展地面模擬鉆進(jìn)試驗(yàn)，摸清鉆采作業(yè)機(jī)具的能力包絡(luò)和性能指標(biāo)，將成為任務(wù)成敗的關(guān)鍵[2]。

1 主動(dòng)送土試驗(yàn)臺(tái)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)功能分析

為了演練月面鉆采作業(yè)流程，模擬目標(biāo)鉆取月壤的等效性和覆蓋性，我國(guó)研制了月面綜合鉆進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示。該試驗(yàn)臺(tái)由探測(cè)器模擬系統(tǒng)、鉆采子系統(tǒng)和月壤模擬系統(tǒng)組成，可以開(kāi)展鉆采全流程模擬，適用于綜合性鉆采試驗(yàn)驗(yàn)證[3～4]。但是，模擬月壤利用率和試驗(yàn)效率較低，不適用于裝置級(jí)別的專項(xiàng)驗(yàn)證。

為了高效開(kāi)展取芯性能試驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出了模擬月面采樣主動(dòng)送土試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，擬研究利用無(wú)軸螺旋傳送原理，將無(wú)軸螺旋輸送裝置作為該試驗(yàn)臺(tái)主動(dòng)送土機(jī)構(gòu)的核心單元，并通過(guò)離散元分析和有限元分析等方法，以及模擬月壤輸送試驗(yàn)等手段驗(yàn)證無(wú)軸螺旋的可靠性和可實(shí)施性。從圖1～2兩試驗(yàn)臺(tái)的外形尺寸和功能組成對(duì)比可以看出，同樣開(kāi)展取芯特性專項(xiàng)驗(yàn)證，利用月面采樣主動(dòng)送土試驗(yàn)臺(tái)操作方便，并且可預(yù)見(jiàn)試驗(yàn)效率高、驗(yàn)證的取樣工況更豐富、試驗(yàn)參數(shù)更易調(diào)整。

圖1 綜合鉆進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Comprehensive drilling test platform

圖2 月面采樣主動(dòng)送土試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Test platform of active transporting lunar soil simulants

1.2 主動(dòng)送土機(jī)構(gòu)多方案設(shè)計(jì)

針對(duì)主動(dòng)送土機(jī)構(gòu)的功能需求，提出了直推式、有軸螺旋式和集成無(wú)軸螺旋式3種設(shè)計(jì)方案，詳見(jiàn)圖3～5，并對(duì)這3種方案的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，詳見(jiàn)表1。方案三集成無(wú)軸螺旋主動(dòng)送土機(jī)構(gòu)由于采用了無(wú)軸螺旋作為傳送部件，對(duì)于物料的適應(yīng)性強(qiáng)，解決了另兩個(gè)方案輸送卡滯的風(fēng)險(xiǎn)，并且料斗集成設(shè)計(jì)也避免了物料補(bǔ)給不及時(shí)產(chǎn)生空穴的問(wèn)題，所以優(yōu)先采用該方案。

圖3 直推式方案原理圖Fig.3 Direct pushing transporting concept

圖4 有軸螺旋方案原理圖Fig.4 Shaft screw transporting concept

圖5 集成無(wú)軸螺旋式方案原理圖Fig.5 Integrated shaft less screw transporting concept

表1 主動(dòng)送土機(jī)構(gòu)多方案對(duì)照表Table 1 Comparison of active transporting mechanisms

1.3 系統(tǒng)組成及工作原理

無(wú)軸螺旋式主動(dòng)送土試驗(yàn)臺(tái)由全參數(shù)鉆進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)、取芯機(jī)構(gòu)和月壤輸送機(jī)組成，如圖6所示。月壤輸送機(jī)是該試驗(yàn)臺(tái)的核心，由送料電機(jī)、軸密封環(huán)、無(wú)軸螺旋、機(jī)架、落料振動(dòng)電機(jī)、送料管、原料桶、模擬月壤等組成。

在送料管區(qū)域的模擬月壤，受無(wú)軸螺旋旋轉(zhuǎn)和送料管內(nèi)壁摩擦的作用，將產(chǎn)生螺旋上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到取芯機(jī)構(gòu)的軟袋中。全參數(shù)鉆進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)中的提芯裝置，會(huì)根據(jù)給定運(yùn)動(dòng)參數(shù)控制軟袋向上運(yùn)動(dòng)，使得模擬月壤逐漸充滿軟袋，實(shí)現(xiàn)取芯過(guò)程?？紤]到在該試驗(yàn)中用到的模擬月壤為玄武巖顆粒[5]，為了提高模擬月壤的流動(dòng)性避免空穴導(dǎo)致供料不暢，需要在原料桶的桶壁上安裝兩個(gè)振動(dòng)電機(jī)，能夠輔助物料及時(shí)填充至輸送通道。

2 無(wú)軸螺旋輸土特性分析

2.1 無(wú)軸螺旋輸送原理

無(wú)軸螺旋輸送裝置工作時(shí)，螺旋高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使物料顆粒受到較大的離心力，物料顆粒與管壁之間產(chǎn)生摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)物料的向上運(yùn)輸，無(wú)軸螺旋輸送裝置工作原理如圖7所示[6]。但只有摩擦力足夠大時(shí)物料才能向上運(yùn)動(dòng)，所以螺旋就需要有足夠大速度以產(chǎn)生足夠大的離心力（見(jiàn)圖8）。

圖8 物料單元受力分析圖Fig.8 Force analysis of soil unit

2.2 無(wú)軸螺旋關(guān)鍵參數(shù)確定

作為月壤輸送機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，無(wú)軸螺旋的參數(shù)影響著物料的運(yùn)動(dòng)情況和受力情況，對(duì)模擬月壤的輸送效率有著很大的影響，因此需要對(duì)無(wú)軸螺旋詳細(xì)設(shè)計(jì)，確定無(wú)軸螺旋的關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)軸螺旋輸送效率的最大化。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，無(wú)軸螺旋的直徑應(yīng)滿足式（1）[7]

其中：Q為輸送能力，根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，月壤流量為（0～25）g/min，即0.15 t/h；K為物料特性參數(shù)，選取K=0.5；φ為填充系數(shù)，選取φ=0.3；C為傾角系數(shù)，選取C=1.0；ρ為月壤容重，選取模擬月壤容重ρ=1.0 g/cm3。

經(jīng)計(jì)算可知，無(wú)軸螺旋外徑只需大于4 mm就能夠滿足設(shè)計(jì)要求。由鉆取采樣結(jié)構(gòu)正樣件尺寸可知，外護(hù)套下部?jī)?nèi)徑為16 mm，無(wú)軸螺旋外徑應(yīng)小于外護(hù)套內(nèi)徑，為了較好的送土效果，應(yīng)該盡可能使無(wú)軸螺旋外徑接近外護(hù)套內(nèi)徑，故取無(wú)軸螺旋外徑D=15 mm，并取螺旋內(nèi)徑d=10 mm。

無(wú)軸螺旋的另一個(gè)重要的尺寸便是螺距S。螺旋直徑一定時(shí)，螺距的大小決定著螺旋升角，影響物料的速度和受力分布情況，對(duì)物料輸送過(guò)程有較大的影響。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)公式，無(wú)軸螺旋的螺距如式（2）[8]

其中：D為無(wú)軸螺旋外徑，D=15 mm；A為物料綜合特性系數(shù)，取A=30；K為物料特性系數(shù)，取K=0.05；

計(jì)算得出S=11.42 mm，對(duì)螺距取整，螺距較大時(shí)輸送量較快，所以取螺距S=12 mm。

最終得到無(wú)軸螺旋的尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 螺旋輸送機(jī)構(gòu)參數(shù)Table 2 Screw mechanism parameters mm

2.3 無(wú)軸螺旋離散元仿真分析

利用EDEM離散元軟件對(duì)螺旋輸送機(jī)構(gòu)物料輸送過(guò)程進(jìn)行仿真分析，為了仿真計(jì)算效率需要對(duì)螺旋輸送機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的裝配圖如圖9所示[9]。其中，無(wú)軸螺旋的材料為65 Mn合金鋼，取芯管和原料桶的材料均為鋁合金，無(wú)軸螺旋的下部固定在一根短軸上，短軸通過(guò)軸孔配合的方式與原料桶連接。

圖10為模擬月壤輸送過(guò)程的仿真過(guò)程，可以看到模擬月壤在垂直輸送過(guò)程中出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，即較大的顆粒分布在最上層。并且根據(jù)軟件的設(shè)置，模擬月壤顆粒的顏色隨著速度的增大而逐漸加深，由圖可以清晰地看到無(wú)軸螺旋附近的模擬月壤顆粒在做高速運(yùn)動(dòng)，而其他位置的模擬月壤顆粒速度很小，近乎為零，該現(xiàn)象也符合客觀規(guī)律。

圖9 螺旋輸送機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型Fig.9 Model of screw transporting mechanism

圖10 模擬月壤輸送的仿真過(guò)程Fig.10 Simulation of transporting lunar soil simulants

為了獲得較高的輸送效率，在EDEM軟件中0～2 000 r/mm范圍內(nèi)，每100 r/min為間隔設(shè)置了一個(gè)速度參數(shù)進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速為1 700 r/min時(shí)輸送土位移最快，無(wú)軸螺旋受力變化情況如圖11所示。

圖11 無(wú)軸螺旋的受力變化情況Fig.11 Force changes of shaft less screw component

3 模擬月壤輸送性能驗(yàn)證

試驗(yàn)中電機(jī)采用速度控制模式中的定速模式，轉(zhuǎn)速設(shè)置9個(gè)值，經(jīng)分析計(jì)算得到電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速為218.5 r/min，所以最小轉(zhuǎn)速設(shè)220 r/min，其余8組數(shù)據(jù)的電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min開(kāi)始，依次增加500 r/min，最高轉(zhuǎn)速為1 900 r/min。在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量送土高度、送土?xí)r間和送土質(zhì)量等數(shù)據(jù)。

如圖12所示，在向上送土過(guò)程中，模擬月壤出現(xiàn)了分層的現(xiàn)象，粒徑較大的顆粒分布在上層，而粒徑小的顆粒則分布在下層，這與前文中EDEM離散元分析的現(xiàn)象相吻合。

圖12 模擬月壤輸送過(guò)程的分層現(xiàn)象Fig.12 Stratification during transporting

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析，得到試驗(yàn)臺(tái)的送土高度隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況，如圖13所示。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為220 r/min時(shí)，送土高度很小，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，此時(shí)的送土高度只有5 mm，驗(yàn)證了前文所述臨界轉(zhuǎn)速理論計(jì)算值的正確性。在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，送土高度呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 700 r/min以后，送土高度趨于穩(wěn)定，這表明電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 700 r/min時(shí)，送土效率已經(jīng)達(dá)到最好狀態(tài)，這也與仿真結(jié)果相吻合。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算可得送土速度和月壤流量隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況如圖14～15所示。

由圖可知，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，送土速度和月壤流量均逐漸增加，并最終趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)臺(tái)取芯機(jī)構(gòu)纏繞速度的范圍要求為0～150 mm/min，即送土速度需要達(dá)到150 mm/min，由圖14可知電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時(shí)，送土速度可達(dá)200 r/min，故試驗(yàn)臺(tái)能滿足該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。試驗(yàn)臺(tái)月壤流量要求在0～25 g/min內(nèi)，由圖15可知當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，月壤流量可達(dá)40 g/min，故試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)主要的性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，表明試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)能夠滿足要求。

圖13 送土高度隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況Fig.13 Lunar soil simulants height with motor rotation

圖14 送土速度隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況Fig.14 Transporting speed with motor rotation

圖15 月壤流量隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況Fig.15 Lunar soil simulants flow with motor rotation

4 結(jié)束語(yǔ)

利用無(wú)軸螺旋傳動(dòng)原理研制了主動(dòng)送土試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)只需少量模擬月壤，通過(guò)無(wú)軸螺旋輸送裝置可將模擬月壤主動(dòng)送入取芯管；能夠模擬多種取芯工況從而幫助改進(jìn)正樣產(chǎn)品取芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高月面采樣可靠性。通過(guò)詳細(xì)設(shè)計(jì)、參數(shù)選定、仿真分析，以及進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬月壤送土實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了無(wú)軸螺旋的可靠性，大大提高了地面進(jìn)行模擬月壤采樣的試驗(yàn)效率。