CN107727428B - 无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构以及试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构以及试验台，属于月壤采集的技术领域。本发明能实现变粒径级配的模拟月壤按照不同填充速率进样的功能，要解决现有月面综合钻进试验台存在模拟月壤利用率和试验效率低的技术问题。本发明送土机构包括原料筒的下方设置有送料电机，送料电机顶端连接有螺旋套轴，螺旋套轴上部安装有无轴螺旋；螺旋套轴下部外侧设有套筒，螺旋套轴与套筒之间通过密封装置转动连接。试验台包括全参数钻进机构、取芯机构、主动送土机构。本发明利用无轴螺旋转动输送模拟月壤，盛装模拟月壤量很少，省去了制备模拟大量月壤所需的时间；提高效率；输送流动性较差的模拟月壤的效果明显，输土性能良好；具有实验周期短、效率高、能够满足不同工况的实验条件和易观察分析。
Description
技术领域
本发明属于月壤采集的技术领域，具体涉及无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构以及试验台。
技术背景
探月工程第三阶段的时间计划在2016年至2020年，其目的是发射月球探测器在月球表面钻取一定量的月壤并返回地面。计划于2017年11月发射的“嫦娥五号”探测卫星携带月面采样机构，将通过钻取采样的方式获取月球表面的月壤。由于月面采样机构工作在无人操作的情况下，出现故障几乎不能修复，所以需要有高度的自动化和可靠性，故需要在地球上对其进行严苛的钻取采样实验，将故障风险降到最低。传统的模拟月面采样装置都是利用取芯机构向下运动，通过钻头钻取月壤来采集月壤。利用这种方式采集月壤，就需要一个具有足够高度的原料桶以盛放月壤，原料桶体积较大，每次制备大量月壤时间较长，并且在实验过程中，为避免钻孔之间相互影响，每两个钻孔之间要有足够的距离，这会导致月壤利用率低，及整个实验效率降低。针对传统试验台的缺点，根据钻取采样机构的工作要求，在现已有试验台的基础上，研制出一种模拟月面采样主动送土试验台。
发明内容
本发明能实现变粒径级配的模拟月壤按照不同填充速率进样的功能，要解决现有月面综合钻进试验台存在模拟月利用率和试验效率低的技术问题，本发明提出了一种无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构以及试验台。
为解决上述技术问题，本发明中的无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构，包括于送料电机1和原料桶4，所述送土机构还包括无轴螺旋2、套筒6和密封装置；
所述原料桶4包括圆筒体401、漏斗筒402和圆筒状的动力筒403，圆筒体401的下端面与漏斗筒402的上端面固定连接，漏斗筒402的下端面与动力筒403的上端面固定连接；
原料筒4的下方设置有送料电机1，送料电机1顶端连接有螺旋套轴5，螺旋套轴5上部安装有无轴螺旋2，无轴螺旋2的顶端面不超过漏斗筒402的上端面；
螺旋套轴5下部外侧设有套筒6，螺旋套轴5与套筒6之间通过密封装置转动连接，套筒6套装在动力筒403内壁上并与动力筒403下部固定连接。
进一步地限定，所述无轴螺旋的螺旋外径为4mm～18mm，螺距为10mm～12mm，且叶片厚度为1mm～1.5mm，无轴螺旋转速为1100～1900r/min，无轴螺旋高速旋转运动，使物料颗粒受到较大的离心力，物料颗粒与管壁之间产生较大的摩擦力，从而实现物料的向上运输。
进一步地限定，所述无轴螺旋的材料为65Mn合金钢。原料桶4的材料均为铝。
进一步地限定，所述密封装置为轴密封圈7，在套筒6内壁上的上部和下部分别设有环形凹槽，所述轴密封圈7外壁上设有与凹槽形状相对应的环形凸起，通过环形凸起卡接在环形凹槽内实现轴密封圈7固定安装在套筒6上。
进一步地限定，所述漏斗筒402的外壁上安装至少2台落料振动电机3，为了增强模拟月壤的流动性。
装备有上述无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构的试验台，所述试验台还包括全参数钻进机构和取芯机构9，所述无轴螺旋2由底部伸入取芯机构9内，取芯机构9顶端与全参数钻进机构连接。
进一步地限定，所述取芯机构9包括取芯拉绳901、取芯软袋902、取芯管903和外护套904，所述全参数钻进机构的底部固定连接有取芯拉绳901，取芯拉绳901的底部与取芯软袋902连接，取芯软袋902环绕取芯管903设置，取芯管903设置在外护套904内；
从上至下，所述外护套904由连接环9041、外管9042和送料管9043构成，连接环9041下部与外管9042上部可拆卸连接，外管9042下部与送料管9043下部可拆卸连接；
取芯管903上部连接在连接环9041的内壁上并与其可拆卸连接，无轴螺旋2顶部由送料管9043的底部伸入外护套904内并设置在取芯管903的正下方，送料管9043内壁粗糙。
进一步地限定，所述取芯管903的材料为铝。
进一步地限定，所述全参数钻进机构包括提绳卷筒电机8011和提绳卷筒8012，所述提绳卷筒电机8011的输出轴上连接提绳卷筒8012，提绳卷筒8012上固定并卷绕有取芯拉绳901。
所述全参数钻进机构另一种结构：包括链轮组件801、链轮驱动电机802、导轨803、提芯装置804和拉力传感器805；所述链轮组件801一侧设有链轮驱动电机802，另一侧与提芯装置804固定连接，提芯装置804安装在导轨803上且沿着导轨803上下运动，链轮驱动电机802带动链轮组件801转动，链轮组件801的转动带动提芯装置804上下运动；提芯装置804底部安装有拉力传感器805，拉力传感器805底部固接在取芯拉绳901顶端。
直推式主动送土机构，利用活塞杆将月壤由取芯机构底部直接推入取芯机构，虽然结构简单、加工制造容易、成本低廉、模拟月壤需求量少，但是活塞杆细长易弯曲变形、月壤压缩易形成力拱产生轴向阻力，导致月壤输送机卡滞。
有轴螺旋式主动送土机构，一种从侧壁将月壤注入料斗离料槽，节省空间、避免大柔度杆的使用，提高工作效率，但是料斗离料槽较远，导致模拟月壤流动性较差，补给不及时容易产生空穴。
本文利用无轴螺旋传动原理研制的主动送土试验台，只需少量模拟月壤，在下部通过无轴螺旋输送装置将模拟月壤主动送入取芯管。能够模拟故障工况从而帮助改进正样产品取芯机构设计，提高月面采样可靠性。通过对无轴螺旋进行详细设计、参数选定、仿真分析，以及进行现场模拟月壤送土实验，验证了无轴螺旋的可靠性，大大提高地面进行模拟月壤采样试验效率。
本发明模拟月面采样主动送土实验台利用无轴螺旋转动输送模拟月壤，月壤无需传送，无轴螺旋代替有轴螺旋避免模拟月壤堆积缠绕，模拟月壤在无轴螺旋的旋转下向上运动，从而进入到取芯机构的软袋中，在提芯装置的提芯力作用下，软袋向上运动，使得模拟月壤逐渐充满软袋，实现取芯过程，相比于传统月面采样试验台，该试验台尺度小，总体高度小，盛装的模拟月壤量很少，省去了制备模拟大量月壤所需的时间；采用集中送料方式，提高效率；输送介质为流动性较差的模拟月壤，且效果明显，输土性能良好；具有实验周期短、效率高、能够满足不同工况的实验条件和易观察分析等优点。对于地面进行模拟月壤采集输送实验研究，模拟月面采样主动送土试验台是一种有效的手段和方式，对我国未来的月壤采集任务的实施具有指导意义。
附图说明
图1是本发明无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构的结构示意图；
图2是本发明试验台的一种结构示意图；
图3是取芯机构9的结构示意图；
图4是本发明试验台的另一种结构示意图。
具体实施方式
结合图1进行说明，本实施方式中的无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构，包括于送料电机1和原料桶4，所述送土机构还包括无轴螺旋2、套筒6和密封装置；
所述原料桶4包括圆筒体401、漏斗筒402和圆筒状的动力筒403，圆筒体401的下端面与漏斗筒402的上端面固定连接，漏斗筒402的下端面与动力筒403的上端面固定连接；
原料筒4的下方设置有送料电机1，送料电机1顶端连接有螺旋套轴5，螺旋套轴5上部安装有无轴螺旋2，无轴螺旋2的顶端面不超过漏斗筒402的上端面；
螺旋套轴5下部外侧设有套筒6，螺旋套轴5与套筒6之间通过密封装置转动连接，套筒6套装在动力筒403内壁上并与动力筒403下部固定连接。
其中，所述无轴螺旋的螺旋外径为15mm，螺距为12mm，且叶片厚度为1mm，无轴螺旋转速为1700r/min。
其中，所述无轴螺旋的材料为65Mn合金钢。
进一步地限定，所述密封装置为轴密封圈7，在套筒6内壁上的上部和下部分别设有环形凹槽，所述轴密封圈7外壁上设有与凹槽形状相对应的环形凸起，通过环形凸起卡接在环形凹槽内实现轴密封圈7固定安装在套筒6上。
进一步地限定，所述漏斗筒402的外壁上安装至少2台落料振动电机3。
结合图2进行说明，装备有上述无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构的试验台，所述试验台还包括全参数钻进机构和取芯机构9，所述无轴螺旋2由底部伸入取芯机构9内，取芯机构9顶端与全参数钻进机构连接。
结合图2-4进行说明，所述取芯机构9包括取芯拉绳901、取芯软袋902、取芯管903和外护套904，所述全参数钻进机构的底部固定连接有取芯拉绳901，取芯拉绳901的底部与取芯软袋902连接，取芯软袋902环绕取芯管903设置，取芯管903设置在外护套904内；
从上至下，所述外护套904由连接环9041、外管9042和送料管9043构成，连接环9041下部与外管9042上部可拆卸连接，外管9042下部与送料管9043下部可拆卸连接；
取芯管903上部连接在连接环9041的内壁上并与其可拆卸连接，无轴螺旋2顶部由送料管9043的底部伸入外护套904内并设置在取芯管903的正下方，送料管9043内壁粗糙。
其中，所述无轴螺旋2顶部与取芯管903底部的距离为3mm。
所述全参数钻进机构包括提绳卷筒电机8011和提绳卷筒8012，所述提绳卷筒电机8011的输出轴上连接提绳卷筒8012，提绳卷筒8012上固定并卷绕有取芯拉绳901。
结合图4进行说明，所述全参数钻进机构另一种结构：包括链轮组件801、链轮驱动电机802、导轨803、提芯装置804和拉力传感器805；所述链轮组件801一侧设有链轮驱动电机802，另一侧与提芯装置804固定连接，提芯装置804安装在导轨803上且沿着导轨803上下运动，链轮驱动电机802带动链轮组件801转动，链轮组件801的转动带动提芯装置804上下运动；提芯装置804底部安装有拉力传感器805，拉力传感器805底部固接在取芯拉绳901顶端。
全参数钻进机构可充当原动装置，通过链轮组件的传动带动取芯连杆上下直线移动，并通过拉力传感器实时监测拉力大小；取芯机构可完成对模拟月壤的提取过程；主动送土机构利用无轴螺旋的高速旋转将模拟月壤向上输送，完成主动送土过程。
首先由链轮驱动电机802带动链轮组件801转动，与链轮组件801固接的提芯装置804在导轨803上滑动，其下端的拉力传感器805与取芯连杆901固接，从而带动取芯机构运动，无轴螺旋2旋接在螺旋套轴9上，螺旋套轴12与送料电机10的电机轴通过键连接，送料电机10带动无轴螺旋2高速旋转，模拟月壤10在无轴螺旋2的高速旋转下向上运动，从而进入到取芯机构的取芯软袋902中，在提芯装置804的提芯力作用下，取芯软袋902向上运动，使得模拟月壤逐渐充满取芯软袋902，实现取芯过程。
Claims (10)
1.无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构，包括于送料电机(1)和原料桶(4)，其特征在于所述送土机构还包括无轴螺旋(2)、套筒(6)和密封装置；
所述原料桶(4)包括圆筒体(401)、漏斗筒(402)和圆筒状的动力筒(403)，圆筒体(401)的下端面与漏斗筒(402)的上端面固定连接，漏斗筒(402)的下端面与动力筒(403)的上端面固定连接；
原料桶(4)的下方设置有送料电机(1)，送料电机(1)顶端连接有螺旋套轴(5)，螺旋套轴(5)上部安装有无轴螺旋(2)，无轴螺旋(2)的顶端面不超过漏斗筒(402)的上端面；
螺旋套轴(5)下部外侧设有套筒(6)，螺旋套轴(5)与套筒(6)之间通过密封装置转动连接，套筒(6)套装在动力筒(403)内壁上并与动力筒(403)下部固定连接。
2.根据权利要求1所述无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构，其特征在于无轴螺旋(2)的螺旋外径为4mm～18mm，螺距为10mm～12mm，且叶片厚度为1mm～1.5mm，无轴螺旋(2)的转速为1100～1900r/min。
3.根据权利要求1所述无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构，其特征在于无轴螺旋(2)的螺旋外径为15mm，螺距为12mm，且叶片厚度为1mm，无轴螺旋(2)的转速为1700r/min。
4.根据权利要求1所述无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构，其特征在于所述无轴螺旋(2)的材料为65Mn合金钢。
5.根据权利要求1所述无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构，其特征在于密封装置为轴密封圈(7)，在套筒(6)内壁上的上部和下部分别设有环形凹槽，所述轴密封圈(7)外壁上设有与凹槽形状相对应的环形凸起，通过环形凸起卡接在环形凹槽内实现轴密封圈(7)固定安装在套筒(6)上。
6.根据权利要求1所述无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构，其特征在于所述漏斗筒(402)的外壁上安装至少2台落料振动电机(3)。
7.装备有权利要求1-6中任意一项所述无轴螺旋集成输料式模拟月壤主动送土机构的试验台，其特征在于所述试验台还包括全参数钻进机构和取芯机构(9)，所述无轴螺旋(2)由底部伸入取芯机构(9)内，取芯机构(9)顶端与全参数钻进机构连接。
8.根据权利要求7所述试验台，其特征在于所述取芯机构(9)包括取芯拉绳(901)、取芯软袋(902)、取芯管(903)和外护套(904)，所述全参数钻进机构的底部固定连接有取芯拉绳(901)，取芯拉绳(901)的底部与取芯软袋(902)连接，取芯软袋(902)环绕取芯管(903)设置，取芯管(903)设置在外护套(904)内；
从上至下，所述外护套(904)由连接环(9041)、外管(9042)和送料管(9043)构成，连接环(9041)下部与外管(9042)上部可拆卸连接，外管(9042)下部与送料管(9043)下部可拆卸连接；
取芯管(903)上部连接在连接环(9041)的内壁上并与其可拆卸连接，无轴螺旋(2)顶部由送料管(9043)的底部伸入外护套(904)内并设置在取芯管(903)的正下方，送料管(9043)内壁粗糙。
9.根据权利要求8所述试验台，其特征在于无轴螺旋(2)顶部与取芯管(903)底部的距离为3～4mm。
10.根据权利要求7所述试验台，其特征在于所述全参数钻进机构包括提绳卷筒电机(8011)和提绳卷筒(8012)，所述提绳卷筒电机(8011)的输出轴上连接提绳卷筒(8012)，提绳卷筒(8012)上固定并卷绕有取芯拉绳(901)。
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