月壤钻探取芯进尺驱动装置设计与研究.pdf

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工学硕士学位论文


月壤钻探取芯进尺驱动装置设计与研究




硕士研究生: 王鑫
导师: 李笑副教授
申请学位: 工学硕士
学科: 机械设计及理论
所在单位: 机电工程学院
答辩日期: 2012 年 7 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:
: 621


Dissertation for the Master Degree in Engineering


RESEARCH ON RATING MECHANISM OF
DRILLING & CORING DEVICE FOR
LUNAR SOIL SAMPLING




Candidate: Xin Wang
Supervisor: Associate Prof. Xiao Li
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Mechanical Design and Theory
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defence: July, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
本文来源于我国探月工程三期的攻关项目,以月面深层钻探采样任务为背
景,为解决由于月面低重力的特殊工作环境造成钻取采样装置无法依靠自身重
力顺利完成钻探任务这一技术难题,结合月壤钻探取芯装置的总体设计要求,
提出了功耗小、质量轻、可靠度高的进尺驱动装置技术方案。
在充分了解国内外天体探测采样技术的基础上,对比可在月面特殊工作环
境下,为钻机提供进尺压力多种方案的可行性及优缺点,确定了本课题研究的
绳驱式月壤钻探取芯进尺方案。
为分析依靠钢丝绳与卷筒摩擦力传动方案的力学关系,完成相关参数的分
析计算,基于柔韧体摩擦传动欧拉公式,建立了钢丝绳多圈缠绕数学模型。结
合着陆器的整体构型完成了绳驱式进尺驱动装置的布局,对绳驱机构的设计关
键点,即进尺驱动卷筒提出三套设计方案。根据钻取采样负载预估试验结果,
对三套进尺驱动方案进行详细结构设计,完成数据采集及控制系统的设计及搭
建。
为完成对本课题所设计的进尺驱动装置特性研究,设计并搭建了进尺驱动
试验测试台,针对三套进尺驱动装置进行了大量的试验及分析。
结合试验结果,依据柔韧体摩擦欧拉公式,辨识出钢丝绳与驱动卷筒的当
量摩擦系数。分析进尺速率、进尺预紧力及钢丝绳缠绕圈数等进尺相关参数与
进尺驱动力之间的关系。将实际测量变形量与理想假设条件对比,结合数据拟
合结果,提出钢丝绳多圈缠绕时,进尺驱动力的修正计算公式,及满足实际情
况的参考变形量系数,并验证了数学模型的正确性。对三套装置极限工作能力、
工作力载稳定性及可重复性进行试验验证,分析方案优缺点。测试了进尺传动
部件钢丝绳的机械性能,及高低温环境下机械性能的变化情况。为探月工程三
期月面自动深层的工程实施,完成钻取采样装置的详细设计提供理论参考及设
计指导。

关键词:钻取采样;进尺装置;绳驱机构;摩擦传动;修正公式
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
This es from China’s 3rd Lunar Exploration of
the low gravity of the lunar surface, the drill sampling device can not afford enough
drilling pressure,which is essencial for the drilling process. In order to solve the
problem,based on the overall design requirements of the drilling & coring device of
lunar soil, this paper puts forward a rating driving device, which is light,
low-power,