一种月壤性能综合试验台及试验方法与流程

文档序号：23347208发布日期：2020-12-18 16:48阅读：138来源：国知局

本发明涉及月壤性能综合测试领域，具体涉及一种月壤性能综合试验台及试验方法。

背景技术：

近年，世界各国均积极发展深空探测技术，尤其以月球探测为代表的深空探测能力能够体现一个国家的航天技术成熟度与军事实力，并能够带动大量相关高新技术产业发展，间接产生巨大的经济效益。月面采样是月球探测及样品收集返回的重要任务，需要于发射前在地面利用模拟月壤进行大量试验，包括模拟月壤性质的探索，钻取、冲击等采样设备的性能测试，月壤采样原理及采样规程参数的摸索等。

上述试验包括了多种土工试验项目，包括有无侧限条件下的承压、插入、平推试验，回转钻进试验，冲击破岩试验等，而传统的土工试验每一项都需要一套专用设备，并分布在不同的场所，一旦试验用月壤发生移动，很难保持原有状态，造成试验失准。此外，回转钻进与冲击破岩试验并非标准土工试验，需额外搭建设备，造成试验不便与物资浪费。因此，发明一套集以上试验项目于一体的综合性试验台，在同一模拟月壤环境下进行多种试验是十分必要的。

综上所述，现有模拟月壤试验的每一项土工试验都需要一套专用设备，并分布在不同的场所，存在一旦试验用月壤发生移动，难以保持原有状态，进而造成试验失准，且回转钻进与冲击破岩试验需额外搭建设备，造成试验不便与物资浪费的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有模拟月壤试验的每一项土工试验都需要一套专用设备，并分布在不同的场所，存在一旦试验用月壤发生移动，难以保持原有状态，进而造成试验失准，且回转钻进与冲击破岩试验需额外搭建设备，造成试验不便与物资浪费的问题，进而提供一种月壤性能综合试验台及试验方法。

本发明的技术方案是：

一种月壤性能综合试验台，所述月壤性能综合试验台包括电机箱组件1、支撑结构2、x方向水平运动大推力驱动组件3、电机箱电源拖链5、直线电机电源拖链6、试验用具接口7、试验土槽9和两个y方向水平运动小推力驱动组件4；支撑结构2包括矩形钢结构框架2-1和四个立柱2-2，矩形钢结构框架2-1水平设置在水平设置于地面上方，四个立柱2-2沿竖直方向以矩形阵列方式固定于矩形钢结构框架2-1底端；两个y方向水平运动小推力驱动组件4在水平方向平行固定在矩形钢结构框架2-1的两个平行设置的横梁顶端；x方向水平运动大推力驱动组件3在水平方向垂直架设于两个y方向水平运动小推力驱动组件4之间，x方向水平运动大推力驱动组件3的两端分别与两个y方向水平运动小推力驱动组件4的滑块连接；直线电机电源拖链6安装在x方向水平运动大推力驱动组件3一侧，直线电机电源拖链6通过导线分别与x方向水平运动大推力驱动组件3和两个y方向水平运动小推力驱动组件4连接；电机箱组件1包括支撑架1-1、z方向驱动组件1-2和回转电机箱1-3，支撑架1-1一侧安装在x方向水平运动大推力驱动组件3的滑块上，z方向驱动组件1-2在竖直方向垂直安装在支撑架1-1另一侧，z方向驱动组件1-2的滑块与支撑架1-1固接，回转电机箱1-3竖直固定在z方向驱动组件1-2上，回转电机箱1-3内回转电机的转轴下端与试验用具接口7连接；试验土槽9位于试验用具接口7下方。

一种采用月壤性能综合试验台测试月壤性能的试验方法，所述试验方法是通过以下步骤实现的，

步骤一、月壤承压试验：

步骤一一：将承压试验专用压板a安装在月壤性能综合试验台的试验用具接口7上；

步骤一二：再将承压试验专用压板a末端连接的力传感器g插入到力传感器接口1-4；

步骤一三：试验土槽9内装有模拟月壤；

步骤一四：承压试验专用压板a在z方向驱动组件1-2的电机驱动下竖直向下运动，压迫模拟月壤，

步骤一五：设备根据设定的承压试验专用压板a下压速度和距离进行下压试验，记录并输出下压速度、下压距离及x、y和z三向力载；当试验采用试验土槽9的后箱体9-4时，宽度为50mm，后箱体9-4的长度不小于400mm，模拟月壤的高度不小于160mm，承压试验专用压板a的尺寸为20×50mm，在所述后箱体9-4的尺寸限制下所做的试验为有侧限承压试验，所测得的数据为有侧限承压试验数据；

当试验采用试验土槽9的主箱体9-1时，试验土槽9的宽度增加到500mm，试验土槽9的长度不小于400mm，模拟月壤的高度不小于160mm，承压试验专用压板a的尺寸为20×50mm，在所述主箱体9-1的尺寸限制下所做的试验为无侧限承压试验，所测得的数据为无侧限承压试验数据；

至此，完成了模拟月壤的月壤承压试验；

步骤二、月壤钻取试验：

步骤二一：将0.5m长的钻进试验专用空心外螺旋钻头b安装在月壤性能综合试验台的试验用具接口7上；

步骤二二：该试验通过回转电机箱1-3的内置力传感器自动获取纵向力，无需外接力传感器接口1-4；

步骤二三：试验土槽9内装有模拟月壤；

步骤二四：对月壤进行钻取；

第一步：钻进试验专用空心外螺旋钻头b在z方向驱动组件1-2的电机驱动下竖直向下运动；

第二步：钻进试验专用空心外螺旋钻头b在回转电机箱1-3内回转电机的驱动下向下回转钻进；

步骤二五：设备根据设定的回转速度和进尺速度进行钻进试验，记录并输出回转速度、进尺速度、钻深、扭矩及纵向力载；

至此，完成了模拟月壤的月壤钻取试验；

步骤三、月壤平推试验：

步骤三一：将平推试验专用推板c安装在月壤性能综合试验台的试验用具接口7上；

步骤三二：将平推试验专用推板c末端连接的力传感器g插入到力传感器接口1-4；

步骤三三：试验土槽9内装有模拟月壤；

步骤三四：对月壤进行平推：

第一步：平推试验专用推板c在两个y方向水平运动小推力驱动组件4的电机驱动下移动至试验土槽9一侧；

第二步：平推试验专用推板c然后在z方向驱动组件1-2的电机驱动下竖直向下插入模拟月壤；

第三步：在x方向水平运动大推力驱动组件3的电机驱动下沿水平x方向平推模拟月壤；

步骤三五：设备根据设定的插入深度、平推速度和平推位移进行平推试验，记录并输出插入速度、插入深度、平推速度、平推距离及x、y和z三向力载；

当插入特殊位插板9-7时，试验土槽9形成宽度为80mm的特殊尺寸箱体，实现有侧限平推试验，并记录相应平推试验数据；

当使用无侧限承压试验尺寸下的试验土槽9时，实现无侧限平推试验，并记录相应平推试验数据；

至此，完成了模拟月壤的月壤平推试验；

步骤四、月岩冲击试验：

步骤四一：在月壤性能综合试验台的压电陶瓷1-7末端安装与之匹配的专用高频冲击头d；

步骤四二：采用专用的模拟月岩卡爪e将模拟月岩f卡在中心，置于专用高频冲击头d正下方，模拟月岩卡爪的两条支撑轨分别安装在特殊位插板9-7和中央插板9-8的上端，进行模拟月岩冲击试验；

步骤四三：该试验高频冲击由压电陶瓷1-7实现，空载时压电陶瓷1-7行程60微米，在30微米行程时振动300hz左右，在6微米时振1200hz左右，在1-2微米行程时振动3-4khz，满足各种频段与振动幅值情况下的高频冲击试验；

试验同时，纵方向上由z方向驱动组件1-2的电机施加持续下压力；

步骤四四：设备根据设定的冲击频率和下压力进行冲击试验，记录并输出冲击频率、冲击幅值及纵向力载荷；

至此，完成了模拟月壤的月岩冲击试验。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明的月壤性能综合试验台具有水平方向两个平移自由度，绕竖直轴一个回转自由度，竖直方向一个平移自由度并在该方向附带一个变频式高频冲击自由度。各方向运动可由控制柜进行点动控制和连续运动控制，竖直和水平方向受力、冲击作用力以及回转力矩可实时采集记录，可在控制柜屏幕上实时输出曲线，也可输出至外部存储设备。

2、本发明的月壤性能综合试验台的末端操作工具可根据试验内容进行更换，包括承压块、平推插板、空心螺旋钻具、压电陶瓷冲击头等。具有功能综合度与耦合度高、系统灵活性强、操作工具可更换、运动参数可调、试验操作方便、数据易采集与保存、安全系数高等优点。

3、本发明的一种采用月壤性能综合试验台测试月壤性能的试验方法，集月壤性能测试相关试验功能于一体，可对模拟月壤进行承压、插入、平推、钻进等操作，对模拟月岩进行高频冲击试验并能与钻进功能相耦合。

附图说明

图1是本发明的月壤性能综合试验台的结构示意图；

图2是本发明的电机箱组件的结构示意图；

图3是本发明的试验土槽的侧方结构示意图；

图4是本发明的试验土槽的下后方结构示意图；

图5是本发明的试验土槽的上方结构示意图；

图6是本发明的承压试验侧视图；

图7是本发明的承压试验主视图；

图8是本发明的承压试验专用压板a结构示意图；

图9是本发明的力传感器接入状态图；

图10是本发明的钻取试验示意图；

图11是本发明的钻进试验专用空心外螺旋钻头b结构示意图；

图12是本发明的平推试验示意图；

图13是本发明的平推试验专用推板c结构示意图；

图14是本发明的月岩冲击试验示意图；

图15是本发明的冲击试验专用的模拟月岩f及卡爪结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的一种月壤性能综合试验台，所述月壤性能综合试验台包括电机箱组件1、支撑结构2、x方向水平运动大推力驱动组件3、电机箱电源拖链5、直线电机电源拖链6、试验用具接口7、试验土槽9和两个y方向水平运动小推力驱动组件4；支撑结构2包括矩形钢结构框架2-1和四个立柱2-2，矩形钢结构框架2-1水平设置在水平设置于地面上方，四个立柱2-2沿竖直方向以矩形阵列方式固定于矩形钢结构框架2-1底端；两个y方向水平运动小推力驱动组件4在水平方向平行固定在矩形钢结构框架2-1的两个平行设置的横梁顶端；x方向水平运动大推力驱动组件3在水平方向垂直架设于两个y方向水平运动小推力驱动组件4之间，x方向水平运动大推力驱动组件3的两端分别与两个y方向水平运动小推力驱动组件4的滑块连接；直线电机电源拖链6安装在x方向水平运动大推力驱动组件3一侧，直线电机电源拖链6通过导线分别与x方向水平运动大推力驱动组件3和两个y方向水平运动小推力驱动组件4连接；电机箱组件1包括支撑架1-1、z方向驱动组件1-2和回转电机箱1-3，支撑架1-1一侧安装在x方向水平运动大推力驱动组件3的滑块上，z方向驱动组件1-2在竖直方向垂直安装在支撑架1-1另一侧，z方向驱动组件1-2的滑块与支撑架1-1固接，回转电机箱1-3竖直固定在z方向驱动组件1-2上，回转电机箱1-3内回转电机的转轴下端与试验用具接口7连接；试验土槽9位于试验用具接口7下方。

本实施方式的矩形钢结构框架2-1为正方形框架钢结构支撑其上方设备；

本实施方式的y方向水平运动小推力驱动组件4由直线电机及滑轨组成，两个y方向水平运动小推力驱动组件4驱动架设于其上方的组件在y方向上进行水平运动，该方向上的水平运动用于在空载情况下调节试验用具位置，因此驱动力不做要求；

本实施方式的x方向水平运动大推力驱动组件3由直线电机及滑轨组成，由直线电机电源拖链6提供随动电力，x方向水平运动大推力驱动组件3驱动架设于其上的电机箱组件1在x方向进行水平运动，该方向上的水平运动用于配合月壤平推试验，需要大推力，水平推力要求大于等于1200n；

本实施方式的支撑架1-1将整个电机箱部分架设在x方向水平运动大推力驱动组件3上；

本实施方式的z方向驱动组件1-2由直线电机及滑轨组成，z方向驱动组件1-2由直线电机电源拖链6供电，通过直线电机驱动回转电机箱1-3在滑轨上做竖直方向的上下运动，该方向的运动用于配合月壤承压、插入、钻进等试验，因此竖直向下最大压力要求大于等于600n。

具体实施方式二：结合图3至图5说明本实施方式，本实施方式的所述试验土槽9包括主箱体9-1、后箱体9-4、特殊位插板9-7、中央插板9-8、两个车轮固定板9-14、四个带刹车的运动轮9-2和多个插板固定扣9-15，两个车轮固定板9-14在水平方向平行固定在主箱体9-1底侧两端，每个车轮固定板9-14的底部两端分别设有两个带刹车的运动轮9-2，主箱体9-1内部呈正方体空间，主箱体9-1后方设有后箱体9-4，中央插板9-8竖直设置在主箱体9-1内部，中央插板9-8平行设置在主箱体9-1的前端板与主箱体9-1的后端板之间，中央插板9-8的两端分别与主箱体9-1的左右两侧端面中部竖直开设的两个插板滑道9-16可滑动连接，中央插板9-8通过插板固定扣9-15卡接在主箱体9-1上，特殊位插板9-7竖直设置在主箱体9-1内部，特殊位插板9-7平行设置在主箱体9-1的前端板与中央插板9-8之间，特殊位插板9-7两端分别与主箱体9-1的左右两侧端面竖直开设的两个插板滑道9-16可滑动连接，特殊位插板9-7过插板固定扣9-15卡接在主箱体9-1上。

如此设置，试验土槽9可配合月壤性能综合试验台对模拟月壤进行承压、插入、平推、钻进等操作，对模拟月岩f进行高频冲击试验。该土槽支持多项试验，可根据试验需求调整尺寸，满足特定尺寸的承压和平推对照试验条件下的模拟月壤填装，进行与对照试验组完全相同工况下有侧限的承压和平推试验，同时也能满足自由尺寸下无侧限条件的模拟月壤的填装，进行承压、插入、平推、钻进等试验。土槽内部尺寸可通过插板进行调整，土槽具有月壤卸载专用口，钢结构框架保障试验环境不变性，钢化玻璃观察面及标尺边界方便对模拟月壤状态、月壤运动过程进行观测，土槽高度与宽度经特殊设计可作为模拟月岩冲击试验的底部支撑结构，土槽整体可根据需求人工推动和锁定。因此该多功能土槽具有试验灵活性高、功能多样性与集中度高、满足特定工况下模拟月壤填装、便于观测、便于操作、安全性高等优点。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式的月壤性能综合试验多功能土槽整体呈现车式结构，主箱体9-1是由不锈钢材料围成的钢结构支撑框架，用于大部分土工试验的模拟月壤填装，主箱体9-1内部呈正方体空间，可最大程度填装模拟月壤，满足各种条件下的各种土工试验需求。中央插板9-8可通过插板滑道9-16插在主箱体9-1中间，并由插板固定扣9-15卡住，将主箱体9-1均分为两部分，可在不需要太多模拟月壤的试验中节省试验空间，进而节省月壤用料和装填时间；当进行模拟月岩冲击试验时，岩石卡爪需被架设在一定高度上，而多功能土槽的高度正合适，且特殊位插板9-7和中央插板9-8由于距离合适，正好可以作为岩石卡爪的两条支撑轨以配合试验。

结合3至图5，本实施方式的试验土槽9还包括前表面钢化玻璃9-6，主箱体9-1前端面开设第一矩形通孔，前表面钢化玻璃9-6密封安装在箱体9-1的第一矩形通孔上。如此设置，主箱体前表面钢化玻璃9-6使主箱体9-1在满足模拟月壤填装强度的同时保障了试验的可观察性。

结合3至图5，本实施方式的试验土槽9还包括后表面钢化玻璃9-11，后箱体9-4后端面开设第二矩形通孔，后表面钢化玻璃9-11密封安装在后箱体9-4的第二矩形通孔上。如此设置，后箱体后表面钢化玻璃9-11使后箱体9-4在满足模拟月壤填装强度的同时保障了试验的可观察性。

结合3至图5，本实施方式的后表面钢化玻璃9-11与主箱体9-1后端面之间的距离为50mm。如此设置，主箱体9-1后方设置的后箱体9-4为承压对照试验专用箱，后箱体9-4是由不锈钢材料焊接出的小尺寸箱体，专门为了与日本学者bui的变重力承压试验数据进行对照，后箱体9-4宽度严格按照其试验尺寸设计为50mm，这样既满足了对照试验的需求，又能借助主箱体保障稳定性。

结合3至图5，本实施方式的特殊位插板9-7与前表面钢化玻璃9-6之间的距离为80mm。如此设置，特殊位插板9-7起到分隔主箱体9-1的作用，但特殊位插板9-7的位置是专门设计的，为了与美国学者boles的低重力平推试验数据进行对照，特殊位插板9-7到前表面钢化玻璃9-6的距离严格设计为80mm，既满足对照试验的需求又便于观测。

结合3至图5，本实施方式还包括主箱体前表面标尺9-5，主箱体9-1前端面一侧竖直设有主箱体前表面标尺9-5。如此设置，主箱体前表面标尺9-5为主箱体9-1提供参考刻度，便于获取月壤填装高度进而计算当前土样密度。

结合3至图5，本实施方式还包括后箱体表面标尺9-10，后箱体9-4后端面一侧竖直设有后箱体表面标尺9-10。如此设置，后箱体表面标尺9-10为后箱体9-4提供参考刻度，便于获取月壤填装高度进而计算当前土样密度。

结合3至图5，本实施方式还包括两个土槽车把手9-3，两个土槽车把手9-3相对设置在位于前表面钢化玻璃9-6和后表面钢化玻璃9-11之间主箱体9-1的两侧箱体外壁上。如此设置，多功能土槽整体呈现车式结构，其底部装有4个带刹车的运动轮9-2，通过土槽车把手9-3便于将土槽整体根据需求进行人工推动和锁定。

结合3至图5，本实施方式的中央插板9-8和特殊位插板9-7分别设有插板拉拽孔9-9。如此设置，两个插板的两端分别有两个插板拉拽孔9-9，在已经填满土样插板被挤住时如需将插板拔出，可在两端的孔位里插入钢柱，挂上钢链，利用外力将插板拽出。

结合3至图5，本实施方式的位于后箱体9-4下方主箱体9-1的后端板上设有主箱体卸土口9-13，所述主箱体卸土口9-13上设有第一挡门，后箱体9-4底板上设有后箱体卸土口9-12，所述后箱体卸土口9-12上设有第二挡门。如此设置，后箱体卸土口9-12和主箱体卸土口9-13分别由常闭的第一挡门和第二挡门封住以阻挡月壤流出，当试验完毕后需要将月壤排出时，打开第一挡门和第二挡门即可。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的所述月壤性能综合试验台还包括四个固定底座10，支撑结构2的每个立柱2-2底端通过螺栓连接有固定底座10，所述固定底座10通过地脚螺栓固定于地面。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的x方向水平运动大推力驱动组件3、z方向驱动组件1-2和y方向水平运动小推力驱动组件4均为直线电机，x方向水平运动大推力驱动组件3的水平推力不小于1200n，z方向驱动组件1-2的最大压力不小于600n。如此设置，x方向水平运动大推力驱动组件3由直线电机电源拖链6提供随动电力，x方向水平运动大推力驱动组件3驱动架设于其上的电机箱组件1在x方向进行水平运动，该方向上的水平运动用于配合月壤平推试验，需要大推力，水平推力要求大于等于1200n；z方向驱动组件1-2由直线电机电源拖链6供电，通过直线电机驱动回转电机箱1-3在滑轨上做竖直方向的上下运动，该方向的运动用于配合月壤承压、插入、钻进等试验，因此竖直向下最大压力要求大于等于600n。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的电机箱组件1还包括力传感器接口1-4，回转电机箱1-3的侧壁设有力传感器接口1-4。如此设置，需要测量水平力的试验用具会有额外的传感器线缆插入力传感器接口1-4上用于测量水平力。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的电机箱组件1还包括扭矩传感器1-5，扭矩传感器1-5设置在回转电机箱1-3与试验用具接口7之间，扭矩传感器1-5的上端与回转电机箱1-3内回转电机的转轴连接，扭矩传感器1-5的下端与试验用具接口7连接。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的电机箱组件1还包括卡盘1-6，卡盘1-6安装在试验用具接口7下部。如此设置，进行不同试验时，更换不同的试验用具插入试验用具接口7，并由卡盘1-6卡紧。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的电机箱组件1还包括压电陶瓷1-7，压电陶瓷1-7固定安装在回转电机箱1-3的下部侧壁上。如此设置，进行冲击试验时，将高频冲击头连接于压电陶瓷1-7上。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的所述月壤性能综合试验台还包括土槽限位器8，土槽限位器8水平设置在试验土槽9与矩形钢结构框架2-1的一侧立柱2-2之间，土槽限位器8一端与试验土槽9外壁固接，土槽限位器8另一端与立柱2-2固接。如此设置，试验时，模拟月壤装入试验土槽9，将土槽推入试验范围，由土槽限位器8固定水平位置。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图1至图15说明本实施方式，本实施方式的一种采用月壤性能综合试验台测试月壤性能的试验方法，所述试验方法是通过以下步骤实现的，