轴向敲击式钻取采样装置方案研究

张元勋，谢更新，熊 辉

（1.重庆大学航空航天学院，重庆400044；2.重庆大学教育部深空探测联合研究中心，重庆400044）

轴向敲击式钻取采样装置方案研究

张元勋1，2，谢更新2，熊 辉2

（1.重庆大学航空航天学院，重庆400044；2.重庆大学教育部深空探测联合研究中心，重庆400044）

针对地外行星浅表层钻探采样对采样装置低功耗、小尺度的需求，提出一种轴向敲击式钻取采样装置设计方案：将增力机构与棘轮棘条机构结合，通过对钻取采样过程的钻进阻力实时检测，实现钻取采样钻进速度及钻进力的控制；将轴向进给电机的输出扭矩通过增力机构传递至钻杆，实现增力效果，降低了钻取采样功耗。该方案的可行性通过设计示例得到了验证，可作为未来地外行星采样装置设计的借鉴。

钻取；采样；增力机构；棘轮机构；连杆

1 引言

地外天体采样是研究地外天体起源、演变的重要手段［1］。20世纪60年代，世界各国开始研制月面采样及返回探测器，其中美国和苏联在采样系统方面的研究一直处于世界领先地位，标志性成果是美国的 Apollo系列和苏联的 Luna16、Luna20、Luna24月面采样返回系统［2］。此外欧空局提出了火星样品采集器，利用多杆组接技术进行采样。该技术采用内置驱动电机，外环夹持钻杆（10根），主要优点是结构紧凑［3⁃4］。国内方面，杨帅等对人工取样和无人的钻取取样、铲挖取样、夹取取样、研磨取样、复合取样等方面的国外地外星体土壤取样技术进行了分析比较［5］。在钻取采样机构设计方面，北京航空航天大学的月球土壤采样器［6］、哈尔滨工业大学多杆组接式月壤钻取采样装置［7］、滑轨式月壤钻取采样装置［8］、中国科学院沈阳自动化研究所六自由度机器人化月表采样器［9］等对月球表取与钻取方案进行了详细研究。

目前，钻取采样方案基本以旋转钻取为主，辅助有冲击运动，钻头结构采用内空芯外螺旋齿面形式，该结构形式由于与拟钻取土壤接触面积大，导致电机功耗增加。对于地外行星采样而言，降低钻取采样机构功耗、提高采样效率显得尤为重要。为此，本文提出一种采用轴向进给为主、旋转采样为辅的敲击式轴向进给钻取采样机构方案，将增力机构与棘轮棘条机构有效配合，以实现小功率向大钻进力转化。

2 结构设计

为解决地外天体采样时功耗、重量资源紧张的关键问题，满足采样深度大于2 m、功耗小于30 W、重量不超过30 kg的工程要求，本文提出的轴向进给式钻取采样装置方案将棘轮棘条机构、增力机构、齿轮传动、电气传动等传动形式结合，以实现増力机构、棘轮／棘条机构、导轨机构的一体化设计。将电机的旋转扭矩转换为钻头前进的敲击力，借助增力机构的作用实现小扭矩向大敲击力转化。同时，钻杆采用空芯结构，通过放置于内部的软袋完成样品收集。

轴向进给式钻取采样装置整体三维视图如图1所示，由钻杆、钻杆保持架、钻进机构、齿轮、轴承等部件构成。其中在保证结构稳定的基础上，为了尽量减轻结构质量钻杆部分采用桁架结构，而保持架后侧采用框式构造。

为了实现钻杆竖直钻进星壤的功能，驱动钻杆的装置必须包含具备旋转功能和竖直方向上下移动功能。其中，旋转装置是旋转电机驱动钻杆和钻杆保持架整体转动，实现钻头旋转切削；而竖直上下移动装置是为了配合旋转切削（即调整切削深度），称之为钻进机构，此处采用棘轮机构来实现竖直方向的移动。轴向进给式钻取采样装置整体结构图如图2所示。该装置可分为3个部分：钻进机构、钻架旋转机构和钻杆机构。钻进机构由棘轮（4）、摇块（5）、连杆L2（6）、轴向进给电机（7）、电机随动基座（8）、连杆L3（15和16）、棘轮（17）构成，主要实现将电机的输出扭矩转化为钻杆前进的驱动力，并实现增力效果；钻架旋转机构由旋转电机（1）、轴承（2）、齿轮副（3）、固定架板（11）、齿轮轴（12）、固定筋（13）构成，主要实现钻架整体旋转功能；钻杆机构由挡片（9）、钻头（10）、钻杆保持架（14）、钻杆（18）构成，主要实现钻进取样功能，其中，样品存放于软袋内，软袋安置于钻杆桁架内，并与钻头（10）连接。

2.1钻进机构

钻架进给机构结构如图3所示，主要由电机基座、轴向进给电机、摇块、棘轮机构、连杆等部件组成。由连杆构成的增力机构，将轴向进给电机的扭矩转化为驱动棘轮前进的驱动力。摇块用以保持连杆的运动方向，以最大效率地将轴向进给电机的功率输出至棘轮机构。

棘轮机构如图4所示，主要由扭转弹簧、棘齿、铰链轴等零件构成。棘轮机构与棘条配合，使得钻进机构成为单向进给机构。同时，电机基座与钻杆保持架在电机与连杆的协同作用下维持相对平移状态。

为保证棘齿的刚性与强度，此处在设计棘齿时，取消了棘齿的铰链轴，将棘齿与棘齿架设计为可绕定点相对转动的结构（图5），同时，为增加棘齿与棘条的接触面积，减小棘齿架与棘条间隙，将棘齿外齿形设计为与棘条定点相互共轭的曲线。

2.2钻架旋转机构

钻架旋转机构结构图如图6所示，钻杆保持架通过固定筋13与齿轮副3固连。旋转电机带动齿轮副实现钻杆保持架旋转，当钻杆轴向进给阻力过大时，即激发旋转电机启动，且随着阻力的增加电机输出转速随之增加，详见连杆L2结构设计说明。

2.3连杆L2

连杆L2结构由阴连杆、辅助弹簧、保护弹簧、盖板以及与阴连杆配合的阳连杆构成，如图7所示。保护弹簧内置有位移传感器，用以控制旋转电机启停及转速。钻头在钻进过程中受到土壤的反作用力，称为钻进阻力。钻进阻力通过钻杆18、连杆16传递至连杆6。

随着钻进深度的增加及地质层的变化，钻进机构所受阻力逐渐增加。当钻进阻力大于某一定值f1时，保护弹簧被压缩，激发旋转电机启动，随着钻进阻力的进一步增加，旋转电机输出转速与功率随着增大，从而实现钻头在钻进过程中轴向运动与周向运动的合成，进一步提高钻头的岩土破碎性能。同时，为防止钻采装置破坏，特别设置旋转电机停机保护装置，当钻进阻力超过钻杆额定驱动力时，由安装于保护弹簧内的位移传感器释放停机信号，中止采样。

2.4钻头

钻头打滑会导致整个钻孔施工周期延长，勘探成本增加［10］。对于抗压强度较大的地质来说，一般来说，在同等钻压下，钻头唇面工作面积越小，单位面积唇面承受的钻压值就越大，钻头越容易碎岩。因此设计采探钻头时，将钻头齿形设计成连续齿，并且能够保证钻头唇面可承受相应的钻压。在钻头坡面上设计了八个钻头尖齿便于切碎岩土。钻头尖端靠外排齿的外缘切削土壤（见图8）。

3 轴向进给式钻取采样装置工作方式

轴向进给式钻取采样装置的钻杆在保持架的约束下，通过钻进机构的驱动沿钻架旋转轴轴向平移；旋转电机驱动齿轮副转动，使整个钻架沿钻架旋转轴做旋转运动。从而使钻头实现轴向前进和旋转，以增加钻头的钻探能力如图1、图2所示。其工作过程主要有轴向进给运动与周向旋转运动合成。

3.1轴向进给运动

轴向进给运动驱动力由轴向进给电机7输出，经连杆16、钻杆18传递至钻头，其中，连杆15、棘轮4与钻杆保持架共同约束力的传递方向。L3、L4与棘轮机构的铰链轴连接（图9），棘轮机构在棘齿和棘条的作用下只能朝钻头方向前进。当旋转电机1带动连杆由下往上转动时，连杆6承受拉力，连杆15、16承受压力，棘轮4固定，与钻头连接的棘轮17在连杆推力的作用下沿轴向移动，实现钻进，与此同时，电机基座在连杆15的推力作用下沿轴向随动；当旋转电机带动连杆由上往下转动时，连杆6承受压力，连杆15、16承受拉力，此时，与钻头连接的棘轮17固定，棘轮4在连杆15拉力的作用下沿轴向移动，与此同时，电机基座在连杆16的拉力作用下沿轴向随动，从而实现钻进机构轴向进给。

为了实现钻进系统在工作时保持电机基座与钻杆随动，在选取好杆件长度、设计电机的输出转速之后，设定电机在转动一圈的行程中，棘轮17往前挪动s，棘轮4同时往前挪动s，此时，钻杆保持架内部的棘齿槽上下齿面交错开，相互交错为s，为满足电机转动时的行程需求，棘齿条齿间距设置为2s。

而对于输送装置如钻杆，因钻杆保持架内的棘齿槽上下齿面错开s，则输送装置的上下棘齿与保持架内的棘齿槽交替接触，实现钻头在工作时单向进给。棘齿齿形曲线主要由圆弧段、直线段、共轭曲线段构成。

输送装置卡齿的自动回位由图4所示的弹簧实现，弹簧竖直伸出的末端与卡齿相接触。另一侧伸出的末端，垂直插入输送装置的外壳中。卡槽背部有斜面，在卡齿受到钻头框架内的齿面接触的压缩时会收缩进卡槽斜面中。此时弹簧受拉伸，在过了钻头框架内的竖直齿面后，卡齿在弹簧的拉动下回位，同时卡住输送装置后退的趋势。

3.2周向旋转运动

周向旋转运动由旋转电机1驱动，经轴承2、齿轮副3、钻杆保持架14、棘轮17、钻杆18传递至钻头10。其中，旋转电机的启停与转速由连杆6所受的力的大小决定，详见2.3节。

3.3样品收集与封装

随着钻探深度的增加，通过空芯钻头的作用将样品顺序顶入样品收集袋内，能够很好的保持钻取样品的地质层理结构。待钻取完毕，样品收集袋在着陆器总体收集装置提供的拉力条件下被缓慢拉出采样装置，同时，具有自动锁紧功能的软袋在脱离钻头处软袋接口的瞬间完成对软袋内样品的封装。

4 实例验证

参考工程经验，定义设计要求为：棘齿与棘齿槽的作用力不超过 700 N，钻头每分钟钻进100 mm，钻杆保持架内部上下两侧棘齿槽相差半尺交错排布，棘齿槽间距为10 mm。轴向进给电机旋转一周钻进机构前进半个棘齿槽间距5 mm，电机设计转速为n＝20 rpm。

其中圆盘L1的长度为10 mm，L2的长度为140 mm，由于设计要求轴向进给电机旋转一圈钻进机构前进 5 mm，所以由几何方程 L3－计算出 L3杆长为81.25 mm。

根据几何约束、力平衡关系（图9）以及电机功率扭矩关系T＝9550 P／n，可求得所需要的轴向进给电机功率为20 W。

通过文献资料查阅前苏联无人月面采样装置技术参数［8］可知（表1），本文所设计的轴向敲击式采样装置大幅降低了钻具功率，并在理论采样深度、采样直径、钻进速度等方面具有一定的优越性。

表1 不同采样任务采样技术指标对比Table 1 Comparison of Technical Parameters in differ⁃ent sampling tasks

5 结论

1）提出了一种以轴向进给为主，以旋转采样为辅的敲击式钻取采样机构方案，将增力机构及棘轮棘条机构有效结合，实现了电机的小扭矩向采样钻头的高钻进力转化。

2）通过旋转电机的启停及转速，对钻取采样过程中实现对钻进阻力的实时监测，并设计出了相应的保护装置，有效增加了轴向敲击式钻取采样装置的可靠性，降低了钻取采样功耗。该方案可为未来地外行星采样装置方案设计提供参考。

（References）

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（责任编辑：龙晋伟）

Research on Design Scheme of Drilling and Sampling Device with Axial Hammering Pattern

ZHANG Yuanxun1，2，XIE Gengxin2，XIONG Hui2

（1.College of Aerospace Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China；2.Center of Space Exploration，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

To satisfy the low power consumption and small scale demands of the sampling device for the shallow surface of exoplanets，a design scheme of axial hammering drilling and sampling device was proposed.The force amplifying mechanism and ratchet wheel and ratchet bar mechanism were effectively combined and the control of speed and force in drilling and sampling was realized by real⁃time monitoring of the drag.In addition，the force was amplified and the power consumption was re⁃duced by imparting the output torque to the drill pipe through force amplifying mechanism.The fea⁃sibility of the scheme was verified by sample test.This scheme may serve as a reference for the de⁃sign of sampling device used in exoplanets

drilling；sampling；force amplifier；ratchet mechanism；connecting rod

TD80⁃9

：A

：1674⁃5825（2017）02⁃0212⁃05

2015⁃12⁃08；

2017⁃01⁃15

载人航天预先研究项目（030102）；装备预研教育部支撑技术项目（62501036037）；重庆市科技计划项目重大项目（cstc2013yykfc00001）

张元勋，男，博士，讲师，研究方向为空间机构设计及优化。E⁃mail：yuanxun.zh＠cqu.edu.cn