实验研究的扭矩使用小勺在月球表面

文摘

中国探月行动计划样本风化层和返回地球。微尺度挖掘机可能适合使用这些任务,因为他们将大大降低发射质量。因此,有必要研究独家报道之间的交互和风化层被取样。我们提出一个简单的装置的发展来衡量开挖扭矩。所有测试使用TYII-2风化层进行模拟的碎石。测试结果表明,在宽松的风化层条件下,渗透角和容重对挖掘力有很大的影响,而转速影响很小。然而,紧凑的体积密度时,转速是影响开挖扭矩。遇到的挖掘独家新闻时转矩急剧上升的砾石;实际上,一些参数会影响扭矩的值如直径、数量和位置和内置的碎石的深度。当开挖转矩急剧增加,操作应立即停止检查。

1。介绍

抽样是一种有效的挖掘技术获得表面风化层和砾石;因此,已被广泛用于月球和火星探索。中国的月球探索计划计划样本月球表面使用微尺度挖掘机取样器,然后返回地球(1]。挖掘需要一个高水平的勺取样器和介质之间的相互作用被采样(2]。的力量和扭矩之间的交互勺和风化层依赖于几何,风化层材料特性和操作条件。

随着开挖材料并不总是同质,可能有相当大的变化在土壤属性有助于soil-tool互动力量。高度可变载荷可能导致损害的结构组件和元素输电当负载超过一定水平(3]。soil-tool交互的一个准确的估计是设计一个高效的关键系统,它可以降低发射成本,减少运营成本,同时提高系统的可靠性(4]。

为了提高表面取样装置的适应性和挖掘工具,许多国家已经开始开发测试设备和方法在研究工具和风化层之间的交互。Bernold在月球开挖力学的一项研究表明,传统的开挖下面20厘米是极其困难由于月球土壤的密度高,和碎石的存在进一步复杂化的操作(5]。约翰逊和王测量了水平和垂直的力量与微型斗轮挖掘和评估是否寄居大小(20公斤)重的外星挖掘机器实际(6]。

王等人。7)测量所需的力是推动一个窄(2.5厘米宽)正方形和圆棒通过控制材料在不同的切割深度。他们建议月球任务应该使用一系列的浅削减减少设备尺寸和功率要求。美国宇航局格伦研究中心的工作扩大Bucek et al。8];他们提出了多个轴承和挖掘测试结果进行使用土地测量员短信的复制品。周围的土壤表面轮廓变形勺在轴承测试证明了松散土壤床的高度可压缩性质(9]。绿色和Zacny冲击开挖进行测试在101 kPa和600 Pa压力JSC-1A土壤模拟的。结果表明,减少开挖部队在火星上压力会降低挖掘地球上能量直接转换(2]。

一些实验研究了重力对土壤性质的影响。Bui et al。10)进行了土壤切削实验在低重力环境下探讨挖掘力。无论et al。11]调查土壤挖掘机制部分重力条件下通过实验模型和数值研究使用Toyoura沙子和日本月球土壤模拟的。

许多soil-tool交互理论和方法已经发展找到一个简单的叶片的挖掘力(12]。然而,像这样的挖掘力机制尚不清楚。大多数研究者研究了火星或月球挖掘实验,使用的材料包括干燥、压实玩沙子,月球模拟的,沙和砾石的混合物。很少有研究砾石和紧凑的土壤开挖的影响,尽管在实际挖掘独家新闻经常遇到这些问题。

本研究的目的是通过实验测试microsize勺挖掘系统使用不同的风化层参数和操作条件,以确定这些变化是否会影响样品开挖过程中扭矩。我们描述一个简单的设计开挖设备的交互模拟microsize勺(大约好奇心机器人)的大小与风化层和评估不同的风化层模拟的参数测量阻力扭矩。所有的测试都是在TYII-2风化层进行模拟的砂砾中指定。

2。实验装置和方法

2.1。月球表面模拟的

我们使用风化层模拟的TYII-2 [13)测试开挖扭矩。吉林省black-grey火山灰从金川的城市被选为原料转化成风化层模拟的通过控制粒度参数。TYII-2很小的粒子大小和接近月球风化层的下限,而其力学性能接近真正的风化层(13]。风化层的基本参数和模拟的14,15)如表所示1。

基于图片的玉兔月球车,我们知道登月表面不同直径的碎石。大小、形状和位置是随机的砾石,这可能影响开挖抽样。事实上,碎石可以导致挖掘阻力急剧增加,和开挖的阻力可能损坏设备,甚至导致抽样计划的失败。因此,它是必要的测试和分析电阻的变化与砾石和风化层。

砾石在月球表面的位置是随机的。然而,对于最大的效率和有效性,我们把碎石在不同位置根据独家报道在测试轨道。开挖区域分为三个部分,P1, P2, P3,从头到尾(图1(一))。金川的火山玄武岩砾石是城市,吉林省,直径3至50毫米(图1 (b))。

土壤透度计被用来确定风化层模拟的条件每次开挖前测试。渗透的梯度力与深度,结合圆锥投影面积的价值,是用来计算圆锥指数,确保一致性的风化层模拟的在不同的测试。

2.2。挖掘测量装置

测试设备如图2。它的目的是使各种开挖参数的调整;同时,测试设备可以获得挖掘数据,如开挖扭矩、角度,和时间。设备包括以下子系统:严格的土壤,一个框架,一个电源提供力量,挖掘和传感数据采集系统获取和处理的数据挖掘。

扭矩传感器和编码器安装在减速器和独家报道,测量开挖扭矩。数据是使用6通道数据采集板与16位分辨率。在差模信号输入连接到数据采集设备。数据采集软件由Visual Basic,用来获取来自内部应变的原始电压segue扭矩传感器。

根据实验需求,挖掘扭矩变化从0.5 (N·m) 50 (N·m)小型挖掘独家新闻。电源,它提供最多90 W,被认为是满足低速土壤挖掘抽样。所有的风化层模拟的是干,放置在一个刚性土本长800毫米,宽500毫米,400毫米深,本就附着在板。独家报道指好奇心(图的风格3(一个)),50毫米的长度,宽度为50毫米,50毫米(图的深度3 (b))。

2.3。测试程序

所有的参数如容重、砾石分布、渗透角和转速是包含在测试。测试的第一步是制备的风化层模拟的。月球表面风化层的体积密度模拟的是1.09 - -1.66克/厘米³,可分为三种状态,宽松,自然,和紧凑,是由圆锥指数。圆锥指数和体积密度之间的关系如图4。我们准备了风化层模拟的每一个测试,以确保一致的圆锥指数(图4 (b))。

第二步是调整转速,由驱动电动机控制。第三步是调整渗透角通过控制轴之间的空间和风化层模拟的表面(图5)。

3所示。数据分析和结果

3.1。失效模式的风化层模拟的

挖掘抽样可以分为三个阶段,即挖掘,挖掘和提升。的三个阶段,风化层剪切和压缩的独家新闻,导致风化层失败。土壤条件、转速和渗透的角度对失败产生影响的飞机。图6土壤提供了一个比较失败的六个不同的点之间的几何时间表。从图6我们可以看到,失效模式发生了变化。首先,生成一个土拱的独家报道;其次,土壤破碎,土壤空间增加随着时间的推移,最后打破堆叠。

渗透的角度对风化层的失败有一个很大的影响模拟的。图7显示的故障模型模拟的开挖后勺使用三维扫描在不同渗透角。从图7,我们可以看到,风化层的体积模拟的独家报道增加当渗透角降低。

渗透角时30、45、60度,破坏区域的宽度是229.89毫米,233.18毫米,187.25毫米,分别虽然长度为501.14毫米,476.48毫米,399.8毫米,分别和深度是64.82毫米,65.8毫米,48.86毫米,分别。

开挖扭矩和角位移如图8。在挖掘阶段,开挖转矩急剧上升,主要是由于增加土壤的切削内涵和增加摩擦力增加区域独家报道和风化层模拟的。在挖掘阶段,开挖扭矩减少由于接触面积,和切割线下降。在上升阶段,慢慢挖掘扭矩增加由于增加重力垂直于勺柄的组件。

3.2。挖掘扭矩

开挖的转速转矩的影响是绘制在图9在30度,显示一个明显的影响渗透角,但不是在45 - 60度角,当风化层松了。

渗透角有强烈影响开挖扭矩(图9),它被发现增加与减少角。的最大挖掘扭矩为渗透的角度记录30日45岁和60度19.43 N·m, 8.06 N·m,分别和2.69 N·m。勺的风化层的质量,切削力和独家报道和风化层之间的摩擦导致开挖扭矩的变化。渗透的角度决定的质量和体积风化层模拟的独家新闻,和小穿透角度挖掘失败了很长时间飞机,所以力增加而减少渗透角。

旋转速度有很大的影响开挖体积密度时扭矩紧凑(图10)。的最大挖掘力在0.56 r / min在0.17 r / min相比增加了67%。总的来说,开挖扭矩随着转速的增加而增加,尤其是在紧凑的风化层条件下。

体积密度也影响开挖扭矩(图11),以及圆锥指数,增强抗剪强度和承受能力,导致切削力和摩擦的增加,进而挖掘,增加扭矩。的最大挖掘力自然和紧凑的风化层增加了217.7%和363.2%,分别比45度的松散的风化层渗透角。的最大挖掘力自然和紧凑的风化层松散的风化层相比增加43.5%和409.7%在60度渗透角。月球表面的体积密度随深度变化导致转矩剧烈波动。

挖掘explorer抽样时,周围环境复杂,形状,大小,位置,和数量的砾石之间的交互影响勺和风化层。很难重建一个类似月球表面环境。我们测试的影响性格的砾石开挖扭矩。开挖区域被划分为三个部分(图1),砾石的长度大约是50毫米,三分之一的砾石是内置的地下。角位移与开挖扭矩图所示12。开挖转矩急剧上升时,勺了,压在砾石。独家报道挖掘砾石和扭矩开始的水平。最大转矩更大砾石时放置在挖掘阶段(P1)比在挖掘阶段(P2)和最大扭矩P12 P0价值增加了1463.6%,而在P0 P23增加了581.4%。

图12表明,砾石的位置很大程度上影响了开挖扭矩。初步分析表明,砾石时放置在P1区(图13),独家报道旋转,它将产生一个向下的运动按砾石,然后导致风化层的压实,也增加了阻力。然而,砾石时放置在P2,独家报道的水平运动分量会增加状态,大于垂直运动组件。的主要阻力是摩擦小于土壤阻力。砾石受力分析如图13。

开挖扭矩与角位移如图14碎石。的最大挖掘力发生在P1区和最小平均转矩发生当没有砾石。的最大扭矩P1, P2, P3为7.4,10.34,和23.97 N·m。数据的结果12和14表明的影响小于大砾石的小砾石因为独家报道并不总是与所有六个小碎石。砾石有影响的分布开挖扭矩(图14 (b)),扭矩增加数量的碎石。的最大扭矩P1 N6和P1 N12 P0增长了436%和334.9%,分别。

网站是重要的探测器的影响,但砾石和火山口的存在是不可避免的。风化层的体积密度的火山口大于平地,各种直径和月球表面有砾石,大小、形状和位置。此外,砾石表面的底部的垂直分布是不均匀的。月球表面下的砂砾中无法看到的相机。测试结果表明,容重影响开挖砾石和扭矩。然而,独家报道的行为,在何时何地它满足砾石,是不可预测的。因此,它是必要的测试和分析阻力的变化当砾石存在不同的体积密度,如果开挖转矩急剧增加时,应立即停止操作。

4所示。结论

挖掘抽样有三个阶段,挖掘,挖掘和提升。在所有三个阶段风化层剪切和压缩的独家新闻。风化层条件、转速和渗透的角度会影响飞机在大程度上失败。

研究结果表明,渗透角和容重影响开挖大扭矩,由于风化层的质量的变化在独家报道,切削力,独家报道和风化层之间的摩擦。减少渗透角减少阻力;与此同时,效率也下降了。旋转速度几乎没有影响开挖宽松的风化层条件下扭矩;然而,它极大地影响了开挖体积密度时扭矩紧凑。

的大小、位置和数量的砾石勺和风化层之间的交互影响。开挖时转矩急剧上升勺碰到了石头。特别是,在挖掘阶段转矩更大。当发生急剧增加,开挖扭矩时,应立即停止操作。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

目前的工作是由中国国家自然科学基金(批准号上海51375199),科学基金重点实验室飞船机制(批准号1412005),吉林大学国防研究基金(批准号419140100008)。

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