超声波钻谐振控制算法设计及试验验证

为解决小天体表面引力小及温差变化大难以实现锚固的问题,提出以超声波钻作为锚固工具并采用模糊控制和恒流控制相结合的策略,实现了低钻压力和高低温环境条件下的超声波钻钻进锚固。压电驱动的超声波钻将高频电能转化为高频机械振动,驱动钻具高频破碎岩石,具有极低钻压力的显著优势,尤其适用于弱引力小天体的钻进锚固作业。针对超声波钻的驱动,对超声波钻的谐振控制算法进行研究。首先,建立超声波钻换能器的等效电路模型,在等效模型基础上研究换能器的阻抗特性、负载特性、温度特性和滞后特性。其次,根据超声波钻的工作特性研究谐振频率识别算法、谐振频率跟踪算法和恒电流控制算法,针对谐振频率跟踪算法研究了基于递归最小二乘估计的频率跟踪算法和基于模糊控制的频率跟踪算法,并对实际控制效果进行对比分析。最后,进行常温常压和高低温环境下钻进试验,试验结果表明,在不同温度环境和不同的钻进对象条件下,所设计的谐振控制算法能够实现对超声波钻的稳定驱动。研究结果表明,所提出的模糊控制和恒流控制能够有效的在低钻压力以及不同温度下实现有效钻进。

一种压电换能器的结构设计与拉伸式装配方法

压电换能器装配预应力直接影响产品性能。大直径压电换能器对装配预应力控制和压电陶瓷应力分布均匀性提出了更高的要求。为实现大直径压电换能器的高预紧力装配,开展了大直径压电换能器结构设计、装配方法设计和径向应力均匀化研究。首先,基于传输线方法和模态分析开展压电换能器设计,采用Morris方法进行了尺寸参数对压电换能器纵振频率、振幅比和节面位置偏差的灵敏度分析,并设计了预期性能的压电换能器;然后,根据压电换能器对预应力控制的需求,提出了一种液压拉伸式装配方法;针对拉伸装配过程中压电陶瓷组的径向应力分布不均匀问题,对拉伸装配过程中的2个关键状态进行了静应力分析,以指导压电换能器的结构改进设计;最后,设计了拉伸装配装置,并基于该装置完成了压电换能器装配试验。试验结果验证了所提拉伸式装配方法可实现预期性能的压电换能器装配。压电换能器装配后的串联谐振频率和并联谐振频率分别稳定在18.05 kHz和19.57 kHz附近,串联谐振阻抗在10Ω以内,机电耦合系数在0.34~0.36之间。研究结果为控制压电换能器装配预应力提出了新的解决思路,并为大直径压电换能器设计时如何均化陶瓷应力状况提供了解决方法。

月面钻取采样回转齿轮副啮合生热试验研究

针对月面钻取采样装置的回转齿轮副啮合热进行理论分析,依据辐射换热定律建立了理论温升模型;模拟实际月面真空、带载工况并开展试验研究。分析了啮合热在月面高真空环境的制约条件下,向机体外传播的方式、传热途径以及散发不畅时的积聚作用对附近运动副工作特性的影响。研究结果表明:回转齿轮副作为钻具驱动单元动力传递的中间环节,在20 Nm负载转矩工况下持续运行40分钟,理论预测最大温升28.66℃,与试验测量的最大温升结果 28℃相吻合,充分验证了钻进驱动单元热设计的正确性,准确地识别出回转齿轮副啮合热积聚的潜在风险。

用于星球表面岩石采样的超声波钻进取心器

基于超声波纵振原理提出一种可搭载在漫游车或机械臂末端的岩石钻进取心器。该装置利用高频纵向振动达到破碎岩石的目的,无需驱动钻具作回转运动。研究结果表明:所研制超声波钻进取心器具有较高的岩石钻进效率且断心取心可靠。

模拟月壤钻进取样量影响因素分析及试验研究

在月球钻取采样器的设计中,软袋取心方式可获得细长的连续钻取样心,具有较高的取心率,并能够保证次表层月壤样品的层理信息.由于取心过程中月壤颗粒运动复杂,尚无系统的方法对软袋取心的取样量影响因素进行分析.剖析了软袋取心中月壤颗粒的流动情况,基于极限平衡理论构建了软袋取心力学模型.该模型以月壤和取心钻具之间以及各部分月壤之间的相互作用为力学边界条件,描述了月壤从取心钻具外进入取心软袋内的动力学过程.基于该模型提出了预测取心率数值计算方法,分析了钻进规程、月壤特性和钻具构型等因素对取心率的影响.利用HIT-LS1#模拟月壤和HIT-2型试验钻具开展了钻进取样试验,取心率的理论预测值与试验结果的平均误差小于5%.

用于地外星体探测的一种新结构取心钻头研究

根据地外星体探测取心钻具的功能要求,研制出一种具有阻隔环的新型结构钻头,以解决取心钻头取心率低的问题。对主、副切削具在取心过程中使星壤产生的失效形式进行分析,并建立切削模型和星壤侧向失效模型。根据郎肯被动土压力原理,建立阻隔环对星壤样心的阻隔模型。以月球土壤为例,分析副切削具的结构参数对取心率的影响。试验结果表明有阻隔环结构的钻头能有效地提高星壤取心率。研究结论可为我国探月工程月面采样钻头的设计提供理论依据。

月球车刚性车轮与土壤相互作用的力学模型与测试

基于车辆地面力学中土壤的承压、剪切特性以及土力学中被动土压力理论,建立了月球车刚性车轮在松软土壤上前进和转向的轮地作用力学模型;通过数值计算,分析了土壤参数变化及车轮运动滑转率变化对挂钩牵引力、驱动力矩和转向力矩的影响;设计了一套车轮性能参数测试系统,对所设计的一种刚性车轮在松软土壤上运动的力学特性进行了初步的实验测试,并与所建立的力学模型进行了验证分析.

月球次表层取心钻具功耗特性及地面模拟实验

建立了月球次表层取心钻具功耗模型,制备了与真实月壤物理机械参数相近的模拟月壤作为被钻对象,通过钻进取心实验对理论模型进行验证,得到取心钻具的功耗特性曲线并确定低能耗钻进规程。实验结果表明,取心钻具钻进功耗理论模型能够正确反映实验曲线的变化趋势,可依据模型对钻具的钻进功耗进行预估。以保证高取心率为前提,在阻力矩允许范围内,适当降低钻具回转转速,可使取心钻具的钻进功耗降低。

模拟月壤钻进负载分析与试验研究

月壤与采样机具间的相互作用在月球自主采样器的设计、性能评价、控制和仿真等方面具有重要作用,目前对于月壤与采样机具间相互作用中的钻进负载研究尚不充分。本文基于被动土压力理论,根据不同的土体切削状态,将切削刃前土体分为堆积区和破坏区,重点分析堆积区土体和破坏区土体对总钻头负载的贡献,建立了月壤取心钻头钻进松散土体的钻进负载模型。HIT-2型取心钻头和HIT-LS1#模拟月壤的钻进试验结果表明,钻进负载理论模型与实际情况具有较高的吻合度。

月球车不等径车轮在土壤上滚动的力学分析与实验

月球车车轮的结构特征及其与土壤相互作用的力学特性对月球车的运动性能有着重要的影响.文中研制了一种具有抗侧滑特性的月球车不等径刚性车轮.基于车辆地面力学中车轮与土壤间的承压、剪切特性理论,提出了该不等径刚性车轮与松软土壤上滚动作用的修正模型,并采用迭代算法对车轮外形参数与力学特性参量的相互关系进行了计算和对比分析.利用Reece强制滑转原理设计了一套实验装置,进行了不等径刚性车轮在松软土壤上滚动的力学特性参量测试,验证了所建立模型的正确性.

基于离散元的模拟月岩切削负载特性数值模拟及试验验证

钻取采样是人类获取月球岩石类样品的重要手段,钻进负载的稳定性是确保月岩采样任务成功的关键因素。由于岩石属性直接决定其可钻性等级,并影响钻进负载,有必要在地面环境中,分析岩石本构模型与钻进负载之间的关系,构建不同可钻性等级的岩石样本模型,开展模拟钻进试验,获知不同钻进参数下岩石采样的钻进载荷变化情况。据此,将地面条件下大理岩样本选作模拟月岩切削特性的研究对象,基于二维颗粒流程序(Particle flow code 2 dimensions,PFC2D),建立小切削深度下仿真分析模型。利用Plackett-Burman试验(PB试验)和中心组合设计(Central composite design,CCD)方法,确定影响岩石切削特性的微观参数,开展不同切削深度下的模拟月岩切削负载试验验证。经仿真分析与试验验证能得到与岩石切削特性相对应的离散元模型,试验结果表明该仿真模型在较小切削深度条件下的切削负载变化规律与实际情况一致。通过研究获得了一种建立模拟月岩离散元切削模型的建模方法,为后续分析钻头/切削刃构型参数对钻进/切削负载的影响提供了研究条件。

空心外螺旋钻杆与月壤相互作用力学模型研究

空心外螺旋钻杆在月面钻取深层月壤样品任务中有非常广泛的应用,研究它与月壤间的相互作用特性,并建立力学模型,对月面钻取采样机构的研制和操作具有重要意义。基于"光杆模型",建立了空心外螺旋钻杆与月壤相互作用的等效力学模型,该模型能够将空心外螺旋钻杆与月壤间的相互作用统一等效至空心外螺旋钻杆外包络面上进行分析。通过对"光杆模型"微元进行运动学和准静力学分析,建立了空心外螺旋钻杆阻力矩和辅助钻压力关于月壤参数、钻杆参数和钻进规程参数的解析模型,并对其进行参数影响分析,获得了空心外螺旋钻杆阻力矩、辅助钻压力、功率和进尺速度的主要影响参数,为月面钻取采样机构的研制和操作奠定了理论基础。

一种单压电叠堆驱动的回转冲击超声波钻

为提高冲击式超声波钻的排屑效率,基于压电驱动原理提出了一种单压电叠堆驱动的回转冲击超声波钻(RPUD)。RPUD仅利用单一压电叠堆两侧的振动实现了钻具的回转冲击运动,将一侧振动转变为回转运动,另一侧振动转变为冲击运动,且回转运动和冲击运动可单独调节。为实现超声波钻回转运动和冲击运动的同步谐振,借助有限元方法,对超声波钻换能器进行模态分析和瞬态分析。基于优选的结构设计参数,研制了RPUD样机并开展了钻进实验研究。实验结果验证了RPUD的钻进功能,并利用响应面方法分析了钻压力等各钻进参数对钻进效率的影响。

一种基于压电驱动的火星岩石钻探器的研制

钻取采样是未来火星探测采样任务中获取星表岩石样本的一种有效方式。压电驱动的超声波钻取采样技术以压电陶瓷作为作动元件,对火星表面复杂环境具有一定的适应性。基于高频冲击钻进的工作原理,超声波钻探装置容易刺入火星表面坚硬的岩石。作为一种轻质小巧、低功耗的钻探器,超声波钻探器非常适合火星表面岩石的原位探测采样任务。本文借助仿真和试验手段验证了超声波钻探器的岩石钻进能力和钻探效率。超声波钻探器的研制可为未来火星表面岩石的钻探采样任务提供技术参考。

地外天体潜入式探测典型案例分析及展望

针对地外天体星壤剖面的潜入式探测任务,对星球表面热场、星壤剖面原位力学特性等科学目标探测的基本原理、实现方案和典型案例进行了资料调研与分析,并阐明了国际上开展地外天体星壤剖面潜入式探测活动的目的和科学意义。在此基础上,提出了我国月面采样科学目标拓展方案以及我国开展潜入式探测的预先研究规划,对蠕动掘进和冲击贯入式探测方案的基本原理和应用前景进行了分析。

一种可承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承

基于压电驱动原理和超声波近场悬浮技术,提出了一种可同时承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承方案。此方案只依靠单一激励源即可实现双向支承,结构紧凑,控制简单。为准确预测超声轴承的工作频率和声阻抗,建立了超声轴承的声阻抗网络模型;利用有限元分析(FEA)方法,对超声轴承径向和轴向辐射面的振幅进行了仿真计算;研制了超声悬浮轴承原理样机并开展了轴承悬浮承载能力测试实验。实验结果表明:超声悬浮轴承具有良好的悬浮效果,可承受较大的径向载荷和一定的轴向载荷。此类超声轴承的研究可为未来新型轴承结构的研发开拓新的思路。

面向深空探测的星球钻取采样技术综述

回顾国内外星球钻取采样技术发展现状的基础上,详细论述了星壤的物理力学特性及模拟星壤制备工艺,着重分析了钻进取心特性实验及理论研究成果,深入剖析了包含钻进状态参数辨识及自主钻进控制在内的星球自适应钻进规程关键技术问题。在此基础上,以我国探月三期工程无人钻取采样任务为研究背景,提出了对星球钻取采样技术的展望与建议。

轴孔协调接触建模与试验研究

传统的轴孔接触解析模型通常研究轴与带孔无限大平面的接触问题,未考虑孔壁厚度对轴孔接触特性的影响。本文考虑孔壁厚度对轴孔接触特性的影响,基于Winkler弹性基础模型和几何约束条件,沿接触点的法线方向建立了轴孔协调接触解析模型。分析轴孔协调接触模型发现,接触力和接触刚度受间隙和孔壁厚度影响较大。基于图像法开展的轴孔接触试验结果表明,轴孔的接触刚度随接触深度的增大呈现非线性增大的特征,而且与以往的轴孔静态接触模型相比,本文所建立的模型与试验数据的吻合程度较高,因而本文提出的接触模型能够准确描述轴孔的协调接触特性。

模拟月壤钻进力载建模及试验验证

我国探月三期工程无人自主采样任务将利用钻取采样的方式获取深层月壤样品。由于不同月壤组分的机械特性存在显著差异,且采样点处沿深度方向月壤组分分布具有随机性,钻进过程中采样装置所受钻进负载极有可能发生剧烈波动,严重影响钻进稳定性。为保证采样任务的顺利实施,采样装置需要在有限的钻进功耗和钻压力条件下,及时调整合适的钻进工艺参数,控制钻进负载在合理范围内,降低采样风险。分析钻具作用下月壤的失效形式及运移状态,提出填充率概念用以定量描述螺旋钻杆的排屑状况,基于螺旋输送理论建立两种典型工况下的钻进力载模型。多维钻进工艺参数下的模拟月壤钻进试验表明:填充率指标能够准确描述螺旋钻杆的排屑状况;钻进力载模型能够有效预测钻进负载。

伺服加载的谐波减速器启动力矩测试系统

为了实现航天用谐波减速器启动力矩的自动化测量,利用高精度光电式扭矩传感器,基于伺服加载方式开发了一套量程为0~0.07N·m、精度优于±1.0×10^(-3)N·m的谐波减速器启动力矩测试系统。伺服电机工作在力矩模式下,用于缓慢增大施加于对被测件上的驱动力矩;高精度扭矩传感器串联在伺服电机与被测件之间,用于实时测量作用于被测件的驱动力矩;将被测件开始连续转动时的驱动力矩作为被测件的启动力矩。最后,完成了测试系统的详细设计、精度分析及试验验证。研究结果表明:本文开发的测试系统可以实现谐波减速器启动力矩的自动化测量,并具有较高的测试精度。