螺旋辅助下潜的振动贯入式月壤取心装置的制作方法

本发明涉及螺旋辅助下潜的振动贯入式月壤取心装置，属于载人航天月面人工采样技术领域。

背景技术：

在未来航天载人登月计划中，宇航员需要手动采集月面下的月壤样本，采集月壤的手动装置要求体积小，易于操作，采样效率高，并对原生月壤的层理信息保持好。

传统的月壤钻采方式潜入能力强，但钻杆钻进的轨迹为螺旋线且样本月壤与钻杆内部产生剧烈摩擦，降低了月壤采样率并破坏了月壤的层理信息；而利用取心管直接锤击贯入的方式采集月壤能够有效保持土层信息，但直接贯入会挤压月壤样本，产生较大贯入阻力，使得贯入深度有限并降低了内部样本长度与贯入深度的比值(取心率)。如果在取心管表面加工各向异性摩擦微结构，并在微小幅度振动的情况下贯入月壤，则能够有效减小取心管与月壤接触的作用力。但取心管单纯贯入的方式难以突破较硬的土层，在振动取心管外管壁加套排壤螺旋则可以有效提升采样装置的潜入能力。

要提高月壤样本的采样效率，还需要减小月壤样本对采样装置取心管壁的侧压力，但是侧压力小又会导致装置拔取时样本滑落；而航天火箭搭载能力有限，这就需要设计结构简单，可靠性高的采样装置。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有月壤采样装置依靠取心管同时实现外部螺旋辅助下潜与内部振动取心，取样能力差的问题，提供了一种螺旋辅助下潜的振动贯入式月壤取心装置。

本发明所述螺旋辅助下潜的振动贯入式月壤取心装置，它包括支撑机构、振动取心机构、螺旋排壤机构和封口机构，

支撑机构用于为振动取心机构和螺旋排壤机构提供支撑框架；

振动取心机构包括电磁式激振器、振动输出法兰、加速度计、加速度计支架、直线轴承、振动顶杆、取心管、振动连接法兰、锁合螺母、钢珠保持架和螺母，

电磁式激振器安装在支撑机构上，

电磁式激振器的输出轴通过振动输出法兰连接加速度计支架，加速度计安装在加速度计支架内；加速度计支架通过法兰盘与振动顶杆连接，振动顶杆依次穿过安装在支撑机构上的直线轴承和空心的低速轴后，通过振动连接法兰连接取心管，振动连接法兰由螺母轴向固定；取心管沿轴向分为两半管，两半管通过锁合螺母锁合在一起；取心管的末端外表面套接钢珠保持架；

螺旋排壤机构包括回转驱动电机、小齿轮、高速轴、钻杆、钻头、低速轴、大齿轮、转动连接法兰和圆螺母，

回转驱动电机安装在支撑机构上，回转驱动电机驱动高速轴旋转，安装于高速轴上的小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮安装于低速轴上；低速轴通过转动连接法兰连接钻杆，钻杆连接钻头；转动连接法兰的轴向位置通过圆螺母固定；

圆螺母、振动连接法兰、锁合螺母、取心管和钢珠保持架处于钻杆内；

封口机构安装在取心管末端，用于随着钻杆的转动封闭或打开取心管的末端口。

本发明的优点：本发明装置由支撑机构、振动取心机构、螺旋排壤机构和封口机构四个部分组成。其中，电磁式激振器输出直线振动，并经由振动顶杆直接传递到取心管；偏置的回转驱动电机经由一对齿轮将旋转运动传递至钻杆，其旋转运动路径处于振动路径外围；振动顶杆和取心管等振动取心部分从低速轴、钻杆等螺旋排壤机构中心轴线穿过，旋转运动路径与振动路径不发生干涉。

位于取心管末端的封口机构通过封口和展开动作实现对取心管的开合。取心管由于只进行振动运动，可以减小月壤样本与内壁的作用力，从而在有效的保持样本层理特性的同时提升取心率；钻杆的外部螺旋钻进下潜方式可以突破较硬土层，螺旋结构能够有效地排出月壤，提升下潜效率；本发明装置将月壤采样动作分解为外圈的螺旋辅助下潜与内部取心管的振动贯入取心，使下潜动作与取心动作完全解耦，可以分别改变钻进转速与振动参数来实现采样效果最优化，从而有效提升采样效率。

附图说明

图1是本发明所述螺旋辅助下潜的振动贯入式月壤取心装置的整体结构示意图；

图2是封口机构的轴向剖面示意图；

图3是封口机构的三维结构示意图；

图4是将图3变换角度后的三维结构示意图；

图5是分合块的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述螺旋辅助下潜的振动贯入式月壤取心装置，它包括支撑机构、振动取心机构、螺旋排壤机构和封口机构，

支撑机构用于为振动取心机构和螺旋排壤机构提供支撑框架；

振动取心机构包括电磁式激振器13、振动输出法兰16、加速度计17、加速度计支架18、直线轴承19、振动顶杆20、取心管26、振动连接法兰4、锁合螺母3、钢珠保持架2和螺母25，

电磁式激振器13安装在支撑机构上，

电磁式激振器13的输出轴通过振动输出法兰16连接加速度计支架18，加速度计17安装在加速度计支架18内；加速度计支架18通过法兰盘与振动顶杆20连接，振动顶杆20依次穿过安装在支撑机构上的直线轴承19和空心的低速轴21后，通过振动连接法兰4连接取心管26，振动连接法兰4由螺母25轴向固定；取心管26沿轴向分为两半管，两半管通过锁合螺母3锁合在一起；取心管26的末端外表面套接钢珠保持架2；

螺旋排壤机构包括回转驱动电机12、小齿轮8、高速轴6、钻杆5、钻头1、低速轴21、大齿轮22、转动连接法兰23和圆螺母24，

回转驱动电机12安装在支撑机构上，回转驱动电机12驱动高速轴6旋转，安装于高速轴6上的小齿轮8与大齿轮22啮合，大齿轮22安装于低速轴21上；低速轴21通过转动连接法兰23连接钻杆5，钻杆5连接钻头1；转动连接法兰23的轴向位置通过圆螺母24固定；

圆螺母24、振动连接法兰4、锁合螺母3、取心管26和钢珠保持架2处于钻杆5内；

封口机构安装在取心管26末端，用于随着钻杆5的转动封闭或打开取心管26的末端口。

所述封口机构包括拨动齿轮27、凸轮保持架28、12个分合块29、滑道基体30、平面凹槽凸轮31、孔用弹性挡圈32和密封毛毡33，

滑道基体30呈空心圆柱形，安装在取心管26末端，滑道基体30的下圆环表面均匀分布12道直线滑槽，每道滑槽的一端切于圆环内圆，另一端向圆环外圆方向延伸；

滑道基体30的外表面上固定凸轮保持架28，凸轮保持架28上具有内凸台；

平面凹槽凸轮31由内空的圆盘段和圆柱段组成，圆盘段和圆柱段的内腔直径相等，圆盘段的上端面上具有12道通槽；所述圆盘段悬挂于凸轮保持架28的内凸台上；12个分合块29夹接在滑道基体30与平面凹槽凸轮31的圆盘段之间，每个分合块29上表面连接上滑块，下表面连接下滑块，每个分合块29的上滑块嵌入一个直线滑槽中，下滑块相应的穿过一个通槽；12个分合块29能够随着钻杆5的转动，分别在配对的直线滑槽和通槽内进行直线运动，从而闭合在一起封闭取心管26的末端口，和展开成圆环状打开取心管26的末端口；

圆柱段的部分外表面具有圆弧形齿，所述圆弧形齿与拨动齿轮27啮合，拨动齿轮27通过扭簧铰链与钻头1连接；拨动齿轮27的轴向位置通过孔用弹性挡圈32固定；

平面凹槽凸轮31末端与钻头1之间通过密封毛毡33密封。

所述支撑机构包括下齿轮箱7、上齿轮箱9、下护套10、上护套11、把手14和激振器支架15，

电磁式激振器13安装于激振器支架15内，激振器支架15两侧分别连接一个把手14；

上护套11连接所述激振器支架15，下护套10连接在上护套11和上齿轮箱9之间，下护套10内安装直线轴承19；

下齿轮箱7和上齿轮箱9通过紧固件连接在一起，小齿轮8和大齿轮22设置于连接在一起的下齿轮箱7和上齿轮箱9内，回转驱动电机12的一端安装在上齿轮箱9上。

在螺旋排壤机构中，回转驱动电机12驱动高速轴6转动，通过小齿轮8和大齿轮22的啮合，将运动传递到低速轴21。低速轴21下端铣有平面，该平面与中心带孔的转动连接法兰23配合，转动连接法兰23与钻杆5上端的法兰连接，钻杆5下端通过两个键和两个螺钉与钻头1连接。低速轴21到钻头1都为刚性连接，可以同步转动。

在振动取心机构中，电磁式激振器13可以安装于激振器支架15上；加速度计支架18下侧通过螺栓组与振动顶杆20上端的法兰盘固定，振动顶杆20穿过直线轴承19与空心的低速轴21，一直延伸至钻杆5内孔，振动顶杆20穿过直线轴承19可以保证其径向刚度，振动顶杆20末端通过振动连接法兰4与取心管26上端的螺纹孔连接，并由螺母25轴向定位；取心管26可沿轴剖面分开且上端外侧加工有螺纹，锁合螺母3旋合到该螺纹上将两部分取心管26合并至一处，取心管26下端穿过安装在钻杆5下端的钢珠保持架2。钢珠保持架2可以将内部轴向振动与外部周向旋转运动解耦，同时能够保证分成两半的取心管26合并在一处。由此振动取心部分能够直接将电磁式激振器的轴向振动传递至取心管26，并保证其整体的刚度。

所述支撑机构为整体装置的支架，从上到下依次为激振器支架15、上护套11、下护套10、上齿轮箱9和下齿轮箱7，上齿轮箱9内的小齿轮8侧安装有轴承座。

封口机构位于取心管26末端钻头1内部，滑道基体30套在取心管26末端外侧，由螺钉连接；分合块29的下滑块为圆柱形；凸轮保持架28由螺钉安装至滑道基体30上，平面凹槽凸轮31的圆柱段部分外表面设置圆弧形齿；平面凹槽凸轮31末端以密封毛毡33密封，密封毛毡33安装至钻头1内。封口机构是将外部螺旋钻杆5的旋转运动传递至内部平面凹槽凸轮31，平面凹槽凸轮31将其转化为分合块29的直线运动，从而完成分合块29的封口和展开运动。

当回转驱动电机12转动时，带动钻头1转动，进而拨动齿轮27拨动平面凹槽凸轮31转动，平面凹槽凸轮31推动分合块29在直线滑槽上运动。

支撑机构的把手14用于操作整个装置，为下潜采样过程手动提供轴向压力，以及在取出过程提供拔取力，上护套11主要起连接作用。支撑机构主要起机架作用，传递轴向力。

工作原理：下潜采样时，使回转驱动电机12正转，经小齿轮8和大齿轮22带动低速轴21旋转，钻杆5与钻头1与低速轴21同步旋转，螺旋钻杆5正向旋转，向上排土进行下潜采样，同时通过把手14向下加压，钻头1带动内部拨动齿轮27正向旋转，拨动齿轮27通过弧形齿带动平面凹槽凸轮31旋转，平面凹槽凸轮31推动分合块29在滑道基体30的滑槽上直线运动，实现12个分合块29的展开，当分合块29到达极限位置时，扭簧变形超过弧形齿极限，拨动齿轮27与平面凹槽凸轮31的弧形齿发生滑动；同时，电磁式激振器13通电，其输出轴经过振动顶杆20带动取心管26上下振动，通过改变电磁式激振器13输入电流的频率和幅值，可以改变取心管振动的频率和振幅，由加速度计17采集反馈。采样器潜入一定深度后，电磁式激振器13停止振动，回转驱动电机12反转，螺旋向下排土帮助装置上升，同时通过把手13向上拔取，钻头1带动拨动齿轮27反向旋转，通过弧形齿带动平面凹槽凸轮31反向旋转，平面凹槽凸轮31推动分合块29在滑道基体30的滑槽上向中心运动，不断反向旋转的钻头1推动分合块29对该处样本加压，从而钳制该处样本，避免发生掉落，完成对样本的封口。拔出钻杆后，取下转动连接法兰23与钻杆5处的螺栓，取下钻杆5与钻头1，拆除振动连接法兰4处的螺栓，取出取心管26，旋出锁合螺母4，拆除封口机构，将取心管26沿轴剖面分开，即可取出样本。