表层月壤钻采一体化装置

1.本实用新型涉及深空探测采样装置，特别涉及一种表层月壤钻采一体化装置。


背景技术：

2.月球探测是当今世界高新技术领域中极具挑战性、创新性的重大活动之一，月壤采样装置是月面采样过程中不可缺少的重要环节。广义月壤一般指月表风化层的构成物，即分布在月球表面的一层厚达几米到几十米的松散的颗粒状、粉末状风化物，其流动性较差；也包括少许直径较大的岩石，它主要由角砾岩、玄武岩、斜长岩、玻璃体、熔融体、岩石矿物碎屑等组成。在与月表钻进取样钻具设计直接相关的科研领域，受限于月球环境的特殊性以及月壤性质的不确定性，钻具构型设计远未成熟。当前在诸多问题上沿用了地面钻具的设计理念，采用经验方法进行设计，大部分钻具设计只针对小粒径月壤或岩石中的一种进行设计，在使用中存在局限性，面对复杂钻进对象时容易发生故障。此外，由于技术难度和工程限制因素，此前钻取采样装置无法在钻具附近携带相应的温度传感器以进行实时温度测量；而且，也无法得到钻进过程中钻具及钻头的受力状态等信息


技术实现要素：

3.针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种表层月壤钻采一体化装置，以解决现有月壤钻采设备设计应用单一，拆装以及传感测量困难等问题。
4.为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
5.本实用新型提供一种表层月壤钻采一体化装置，包括钻头、固形套管、钻杆、取芯衬管、力传感机构及动力传输机构，其中钻头和钻杆均为中空结构，钻头可拆卸地安装在钻杆的下端，用于钻取月壤；钻杆的上端与动力传输机构连接，取芯衬管可拆卸地安装在钻杆的内部，用于采集月壤样品；力传感机构可转动地安装在动力传输机构的输出端，固形套管套设于钻杆的外侧，且上端与力传感机构可拆卸地连接，固形套管上设有测温装置，力传感机构用于测量钻杆在钻采过程中的力及扭矩信息。
6.所述钻头包括钻刃、钻齿及钻体，其中钻体为中空结构，且外圆周上沿轴向设有螺旋刃口，钻体的一端端部外沿上沿周向间隔交替设有多个钻刃和多个钻齿，钻体的另一端与所述钻杆螺纹连接。
7.所述固形套管包括通过可拆卸连接结构依次连接的下部套管、中部套管及上部套管。
8.所述可拆卸连接结构包括弹簧式卡口及与弹簧式卡口插接配合的阶梯式插接部；
9.所述下部套管和所述中部套管的上端均设置弹簧式卡口，所述上部套管和所述中部套管的下端均设置阶梯式插接部。
10.所述测温装置包括传感器i、传感器扩展线路及两个测温件，其中传感器i嵌设于所述上部套管上端开设的凹槽内，传感器i通过传感器扩展线路与两个测温件连接，两个测温件分别嵌设于所述中部套管和所述上部套管上端设有的凹槽内。
11.所述钻杆包括依次螺纹连接的下部钻杆、中部钻杆及上部钻杆，其中上部钻杆的上端与所述动力传输机构连接，下部钻杆的下端与所述钻头连接。
12.所述取芯衬管包括依次螺纹连接的下部衬管、中部衬管及上部衬管；下部衬管、中部衬管及上部衬管均包括沿轴向剖分的两个半管体，两个半管体通过多个卡扣固定在一起。
13.所述动力传输机构包括伺服电机、减速器、联轴器、轴、钻杆连接头及固形套管连接头，其中减速器的输入轴与伺服电机的输出轴连接，减速器的输出轴通过联轴器与轴的上端连接，轴的下端通过钻杆连接头与所述钻杆连接；固形套管连接头套设于钻杆连接头的外侧且与所述力传感机构连接。
14.所述力传感机构包括传感器法兰ⅰ、传感器ⅱ、支撑件、固定套筒、传感器法兰ⅱ、传感器ⅲ及扭矩传感机构，其中支撑件安装于固定套筒的内部，支撑件套设于所述轴上，支撑件通过轴承与所述轴连接；
15.传感器法兰i套设于所述轴上，且底部与所述钻杆连接头连接，传感器法兰i的顶部与所述支撑件抵接；
16.传感器ⅱ的一端与传感器法兰i连接，另一端与固定套筒连接；
17.传感器法兰ⅱ放置在支撑件的上部设有的凹槽内，且与轴承的外圈抵接，传感器ⅲ的下端与传感器法兰ⅱ连接，上端与支撑件连接；
18.扭矩传感机构设置于所述减速器的输出端，用于检测所述减速器的传动扭矩信息。
19.所述扭矩传感机构包括固定件和传感器ⅳ，其中传感器ⅳ的一端与所述减速器前端设有的端垫连接，固定件套设于所述轴上且与传感器ⅳ的另一端连接；固定件与所述轴为间隙配合。
20.本实用新型的优点及有益效果是：本实用新型提供的一种表层月壤钻采一体化装置，结构紧凑，拆卸及安装方便，适应性强，能实现对表层月壤进行取样并保持其分层信息；在固形套管内嵌入温度传感器可实时检测钻采过程中钻杆温度变化，钻杆具有快速安装、快速拆卸的特点；取芯衬管可对半剖分实现对表层月壤进行取样并保持其分层信息，若对该钻采一体化装置加以改造可将其应用于火星、小天体采样任务中。
附图说明
21.图1为本实用新型一种表层月壤钻采一体化装置的轴测图；
22.图2为本实用新型一种表层月壤钻采一体化装置的剖视图；
23.图3为本实用新型中钻头的结构示意图；
24.图4为本实用新型中固形套管的结构示意图；
25.图5为图4中ⅰ处局部放大图；
26.图6为图4中ⅱ处局部放大图；
27.图7为本实用新型中钻杆的结构示意图；
28.图8为本实用新型中取芯衬管的结构示意图；
29.图9为图8中ⅲ处局部放大图；
30.图10为本实用新型中力传感机构及动力传输机构的结构示意图；
31.图中：1为钻头，101为钻刃，102为钻齿，103为钻体，2为固形套管，201为下部套管，202为中部套管，203为上部套管，204为传感器ⅰ，205为传感器扩展线路，206为测温件，207为弹簧式卡口，208为阶梯式插接部，3为钻杆，301为下部钻杆，302为中部钻杆，303为上部钻杆，4为取芯衬管，401为下部衬管，402为中部衬管，403为上部衬管，404为卡扣，5为力传感机构，501为传感器法兰ⅰ，502为传感器ⅱ，503为支撑件，504为固定套筒，505为传感器法兰ⅱ，506为传感器ⅲ，507为固定件，508为传感器ⅳ，6为动力传输机构，601为伺服电机，602为减速器，603为端垫，604为联轴器，605为轴，606为轴承，607为钻杆连接头，608为固形套管连接头。
具体实施方式
32.为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。
33.如图1、图2所示，本实用新型提供的一种表层月壤钻采一体化装置，包括钻头1、固形套管2、钻杆3、取芯衬管4、力传感机构5及动力传输机构6，其中钻头1和钻杆3均为中空结构，钻头1可拆卸地安装在钻杆3的下端，用于钻取月壤；钻杆3的上端与动力传输机构6连接，取芯衬管4可拆卸地安装在钻杆3的内部，用于采集月壤样品；力传感机构5可转动地安装在动力传输机构6的输出端，固形套管2套设于钻杆3的外侧，且上端与力传感机构5可拆卸地连接，固形套管2上设有测温装置，固形套管2用于保持月壤形状并监测钻采过程中钻杆温度变化，力传感机构5用于测量钻杆3在钻采过程中的力及扭矩信息，动力传输机构6用于提供整个采样装置的动力。
34.如图3所示，本实用新型的实施例中，钻头1包括钻刃101、钻齿102及钻体103，其中钻体103为中空结构，且外圆周上沿轴向设有螺旋刃口，钻体103的一端端部外沿上沿周向间隔交替设有多个钻刃101和多个钻齿102，钻体103的另一端与钻杆3螺纹连接。
35.如图4所示，本实用新型的实施例中，固形套管2包括通过可拆卸连接结构依次连接的下部套管201、中部套管202及上部套管203。如图6所示，可拆卸连接结构包括弹簧式卡口207及与弹簧式卡口207插接配合的阶梯式插接部208；下部套管201和中部套管202的上端均设置弹簧式卡口207，上部套管203和中部套管202的下端均设置阶梯式插接部208，相邻两个套管之间通过阶梯式插接部208与弹簧式卡口207插接配合，实现连接。
36.如图4-5所示，本实用新型的实施例中，测温装置包括传感器i204、传感器扩展线路205及两个测温件206，其中传感器i204嵌设于上部套管203上端开设的凹槽内，传感器i204通过传感器扩展线路205与两个测温件206连接，两个测温件206分别嵌设于中部套管202和上部套管203上端设有的凹槽内。
37.如图7所示，本实用新型的实施例中，钻杆3包括依次螺纹连接的下部钻杆301、中部钻杆302及上部钻杆303，其中上部钻杆303的上端与动力传输机构6连接，下部钻杆301的下端与钻头1连接。
38.如图8-9所示，本实用新型的实施例中，取芯衬管4包括依次螺纹连接的下部衬管401、中部衬管402及上部衬管403；下部衬管401、中部衬管402及上部衬管403均包括沿轴向剖分的两个半管体，两个半管体通过多个卡扣404固定在一起。取芯衬管4的剖分结构，方便样品的原样取出。
39.如图10所示，本实用新型的实施例中，动力传输机构6包括伺服电机601、减速器602、联轴器604、轴605、钻杆连接头607及固形套管连接头608，其中减速器602的输入轴与伺服电机601的输出轴连接，减速器602的输出轴通过联轴器604与轴605的上端连接，轴605的下端与钻杆连接头607键连接，钻杆连接头607与钻杆3连接；固形套管连接头608套设于钻杆连接头607的外侧且上端与力传感机构5连接，固形套管连接头608的下端与固形套管2中的上部套管203连接。
40.本实用新型的实施例中，力传感机构5包括传感器法兰ⅰ501、传感器ⅱ502、支撑件503、固定套筒504、传感器法兰ⅱ505、传感器ⅲ506及扭矩传感机构，其中支撑件503安装于固定套筒504的内部，支撑件503套设于轴605上，支撑件503通过轴承606与轴605连接；传感器法兰i501套设于轴605上，且底部通过螺钉与钻杆连接头607连接，传感器法兰i501的顶部与支撑件503抵接；传感器ⅱ502的一端与传感器法兰i501连接，另一端通过螺钉与固定套筒504固定连接；传感器法兰ⅱ505放置在支撑件503的上部设有的凹槽内，且与轴承606的外圈抵接，传感器ⅲ506设置于传感器法兰ⅱ505上，且下端与传感器法兰ⅱ505连接，传感器ⅲ506的上端与支撑件503连接；扭矩传感机构设置于减速器602的输出端，用于检测减速器602的传动扭矩信息。
41.具体地，扭矩传感机构包括固定件507和传感器ⅳ508，其中传感器ⅳ508的一端通过螺钉与减速器602前端设有的端垫603连接，固定件507套设于轴605上且通过螺钉与传感器ⅳ508的另一端连接；固定件507与轴605为间隙配合。
42.本实用新型提供的一种表层月壤钻采一体化装置，其工作原理为：
43.(1)钻采过程：首先，将下部钻杆301安装在轴605末端的钻杆连接头607上，下部钻杆301内含有下部衬管401，将下部套管201与固形套管连接头608连接。伺服电机601经减速器602减速，通过联轴器604将动力传递给轴605，继而安装在轴605末端的钻杆连接头607带动中空的下部钻杆301旋转，下部钻杆301利用其外部螺旋将月壤排至月面，在下部钻杆301向下旋转钻取月壤过程中，其外部的下部套管201同步向下运动，内部的下部衬管401也同时下探且将月壤采集至下部衬管401中。当下部钻杆301旋转钻至一定深度时，拆卸固形套管连接头608与下部套管201及钻杆连接头607与下部钻杆301之间的连接，此时下部钻杆301、下部衬管401及下部套管201仍留在月壤中，再螺纹连接方式衔接中部钻杆302和中部衬管402，弹簧卡扣方式连接中部套管202，继续旋转钻进；当钻杆3钻至一定深度时，采用上述方式继续衔接上部衬管403、上部钻杆303及上部套管203。当钻杆3钻至所需深度时，可整体抽出钻杆3，封装内部取芯衬管4，取样材质为月岩和月壤风化层颗粒的混合物，再将取芯衬管4拆卸带回，完成钻采任务。
44.(2)传感器监测过程：在钻杆3旋转向下钻取月壤过程中，安装于其外部的固形套管2同步向下运动，此时安装在固形套管2上的传感器ⅰ204可实时监测钻杆3散热温度信息，当传感器ⅰ204监测温度过高超过所设定阈值时，将暂停钻杆3旋转，在其得到充分散热后，温度降至合理范围时，钻杆3继续旋转。此外，传感器ⅱ502和传感器ⅲ506均为压力传感器，可实时测量动力传输机构6在工作时整体装置所受到的压力信息，若所监测压力过载，将停止伺服电机601工作；动力传输机构6工作时，传感器ⅳ508可实时测量其传动过程中的扭矩信息，若扭矩超过合理范围将停止伺服电机601工作。
45.本实用新型提供的一种表层月壤钻采一体化装置，在固形套管嵌入温度传感器可
实时检测钻采过程中钻杆温度变化，钻杆具有快速安装快速拆卸的特点，取芯衬管可对半剖分实现对表层月壤进行取样并保持其分层信息，若对该钻采一体化装置加以改造可将其应用于火星、小天体采样任务中。
46.以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本实用新型的保护范围内。