一种室内月球车-月壤相互作用试验设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于土木工程技术领域，尤其是涉及一种室内月球车-月壤相互作用试验设备。
【背景技术】
[0002]月球车作为深空探测的“先兵”，有其独特的优势和必要性。月球车在月面行走本质上讲涉及到人工装置与月壤相互作用的问题，直接决定着着月球巡视器的设计。因而，在探测月球前必须进行探测器与模拟月壤相互作用的系统模型试验，故有必要对月壤与探测器相互作用机理进行系统深入的研宄。而认识月壤与探测器的相互作用规律是其中亟待解决的关键科学问题之一。它涉及到月壤地基的制备与复杂力学特性、物理模型试验与数值仿真技术三个方面。现有的月球车与月壤相互作用研宄主要是研宄探测器上部结构的优化，未能深入地分析轮下月壤的复杂力学响应。探测车辆的驱动轮行驶状况与土的基本力学性能息息相关，并且其驶过月壤时所形成的车辙变形将能很直接的反映其驱动轮与月壤作用时的牵引性能情况。车辙的形状、深浅度以及影响域等也将反映驱动轮与模拟月壤的相互作用关系等。轮下月壤的土压力变化能够直接反映车轮对土的影响方式及影响范围。因此，在进行轮壤试验时，除了考察车轮的行驶特性，对轮下月壤的变形及土压力变化研宄同样具有非常重要的意义。
[0003]真实月壤极其珍贵，目前国内真实月壤仅有1978年美国总统访问中国时赠送的I克。由于获得大量高质量“未扰动”真实月壤的困难，因此在地球表面采用真实月壤作为试验材料是不现实的。然而，用于月壤工程力学性质研宄的轮壤试验所需要的月壤数量较大，为此，采用模拟月壤用于试验研宄成为必然的选择。模拟月壤作为真实月壤的一种替代物，能够很好的反映月壤的工程力学特性和物理力学特性，借助轮壤试验研宄模拟月壤的力学特性，从而推断真实月壤的力学特性是一种有效的研宄方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种室内月球车-月壤相互作用试验设备，在原位测试困难的情况下，在室内进行模型试验，有效地获得车轮牵引力、打滑率等行驶性能和土体中应力变化的相关信息。
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]一种室内月球车-月壤相互作用试验设备，包括模型箱、车轮单元、动力单元及测控单元，所述的模型箱内装填模拟地基土，上端设有导轨，所述的车轮单元包括车轮、上层板、下层板及导柱，所述的上层板与下层板平行设置，且通过导柱连接，所述的车轮通过连接板连接在下层板下方，使下层板与车轮固定在一起，所述的上层板滑动连接在导轨上，所述的车轮压在模拟地基土上，所述的动力单元与车轮连接，带动车轮转动，所述的车轮上施加有水平向牵引力与垂直向载荷，所述的测控单元监测车轮各向位移与扭矩，以及车轮行驶过程中地基土压力变化情况。
[0007]所述的上层板上设有导向轮，通过导向轮卡设在导轨上，导向轮与导轨共同限制上层板侧向和竖直向不产生位移变化。
[0008]所述的导向轮分别是卡设在导轨上端的上部导向轮、卡设在导轨下端的下部导向轮，以及卡设在导轨侧面的侧向导向轮。
[0009]所述的上层板与导柱滑动连接，所述的下层板及车轮可通过导柱产生上下移动，通过导致约束下层板及车轮的上下移动，导柱上端穿过上层板的高度大于预测的车轮最大沉降量。
[0010]所述的导柱上端设有套筒，所述的导柱与套筒之间采用滚珠接触，以降低期间摩阻力。
[0011]所述的动力单元包括驱动电机与变频调速器，所述的车轮中间为轴承，车轮的轴承一端与驱动电机连接，另一端与平衡配重连接，所述的变频调速器与驱动电机连接，通过变频调速器调节驱动电机的转速，以实现车轮速度的调节。
[0012]所述的下层板上设有为车轮施加垂直向载荷的载重物，所述的模型箱外侧设有支架，在支架上设有滑轮，钢绞线一端垂挂挂重物，另一端绕过滑落滑轮后与车轮连接，设置滑落的位置与个数，保证挂重物通过钢绞线对车轮施加有水平向牵引力，改变水平向牵引力与垂直向载荷，以研宄车轮的牵引性能；。
[0013]所述的测控单元包括的竖向位移传感器、水平向位移传感器、扭矩传感器、土压力盒以及应变采集仪，所述的竖向位移传感器固定在上层板上，在下层板上设置挂钩与竖向位移传感器连接，测量车轮竖向位移，所述的水平向位移传感器固定在模型箱上，在上层板上设置挂钩连接水平向位移传感器，测量车轮水平向位移，所述的扭矩传感器设置车轮的中间轴承上，测量车轮的扭矩，所述的土压力盒埋设在模拟地基土内，测量车轮行驶过程中地基土压力变化，所述的应变采集仪同时与竖向位移传感器、水平向位移传感器、扭矩传感器及土压力盒连接，采集各传感器与土压力盒的数据。通过竖向位移传感器测量上层板与下层板的间距离变化以推算车轮沉陷量，通过水平向位移传感器计算水平位移变化计算车轮打滑率，研宄其形式性能；通过在土层中埋设多个土压力盒，以研宄车轮行驶过程中土体应力变化。
[0014]所述的车轮外侧可拆卸式连接有轮刺，可以选择轮刺的形式和数量，以改变车轮的形式，可以通过轮刺数量及形式研宄轮刺的作用机理。可以设置两种可拆卸的轮刺，轮刺的高度优选为1mm和20mm，在光滑车轮上打钻螺丝孔，轮刺通过螺丝可以固定在光滑轮上。
[0015]与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果:
[0016](I)通过本发明的试验设备，车轮试验可以实现合理范围内施加任意大小水平牵引力；
[0017](2)轮刺设计成可拆卸模式，可以实现不同数量、不同高度的车轮轮次模式进行试验；
[0018](3)车轮试验设置荷载施加承台钢板，即下层板，可以施加合理范围内任意大小竖向荷载；
[0019](4)车轮试验可以实现一定范围内任意速度的行驶；
[0020](5)车轮试验行驶过程中，可以全程记录车轮行驶的性能，包括沉陷量、滑转率等。
【附图说明】
[0021 ] 图1为车轮整体结构示意图；
[0022]图2为本发明的室内月球车-月壤相互作用试验装置主视结构示意图；
[0023]图3为本发明的室内月球车-月壤相互作用试验装置侧视结构示意图。
[0024]图中标号:1为模型箱，2为钢化玻璃，3为角钢，4为槽钢，5为车轮，6为轮刺，7为上层板，8为下层板，9为导柱，10为导向轮，11为载重物，12为平衡配重，13为滑轮，14为挂重物，15为导轨，16为竖向位移传感器，17为水平向位移传感器，18为扭矩传感器，19为驱动电机，20为螺栓，21为应变采集仪，22为变频调速器，23为土压力盒，24为套筒，25为连接板，26为支架。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0026]实施例
[0027]如图1?图3所示，一种室内月球车-月壤相互作用试验设备，包括模型箱1、车轮单元、动力单元及测控单元，模型箱I内装填模拟地基土，上端设有导轨15，车轮单元包括车轮5、上层板7、下层板8及导柱9，上层板7与下层板8平行设置，且通过导柱9连接，车轮5通过连接板25连接在下层板8下方，使下层板8与车轮5固定在一起，上层板7滑动连接在导轨15上，车轮5压在模拟地基土上，动力单元与车轮5连接，带动车轮5转动，车轮5上施加有水平向牵引力与垂直向载荷，测控单元监测车轮5各向位移与扭矩，以及车轮行驶过程中地基土压力变化情况。
[0028]模型箱I的设计主要考虑不造成边界效应和尽可能减少用土量两个因素，模型箱I底板为钢板，四周采用钢化玻璃2，底板与四周通过槽钢4密封连接；同时，为了保证模型箱的稳固性，周边骨架采用角钢3焊接，模型箱I上端拆卸式连接导轨15。
[0029]上层板7上设有导向轮10，通过导向轮10卡设在导轨15上，导向轮10与导轨15共同限制上层板7侧向和竖直向不产生位移变化。导向轮10分别是卡设在导轨15上端的上部导向轮、卡设在导轨15下端的下部导向轮，以及卡设在导轨15侧面的侧向导向轮。上层板7与导柱