CN109519165A - 一种模拟微重力钻探的测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟微重力钻探的测试装置及其测试方法，包括框架、重力补偿系统及试验桶，重力补偿系统包括给进电机、给进卷扬、定滑轮组、动滑轮组、死绳定滑轮及死绳固定滑轮，给进电机、给进卷扬、定滑轮组、死绳定滑轮及死绳固定滑轮分别安装在框架上，钢丝绳A的一端缠绕在给进卷扬的卷扬滚筒上，另一端由定滑轮组、动滑轮组、死绳定滑轮绕过后缠绕在死绳固定滑轮上，动滑轮组的下方通过钢丝绳B连接有钻探设备；框架内放置有试验桶A，给进电机带动给进卷扬的轴旋转，进而带动卷扬滚筒上缠绕的钢丝绳A收紧或放松，从而拖曳钻探设备在试验桶A中提升或下落。本发明可实现低速和高速冲击钻探的微重力环境地面模拟试验。
Description
技术领域
本发明属于地外天体表壤钻探微重力模拟领域，具体地说是一种模拟微重力钻探的测试装置及其测试方法。
背景技术
地外天体拥有丰富的矿产资源，具有广阔的开发前景。通过遥测数据可以获取关于地外天体的一定数据，而获取土壤样本才是了解环境和土壤特征的最直接的证据。钻取样本技术作为最有效的样本采样技术被广泛用于行星探测。钻取采样借助采样钻具的回转和进尺耦合运动可相对高效、便捷、稳定地去除表面涂层，在获取沿深度方向表壤样品的同时，可减少对周围原位表壤的破坏。
人类大多使用机械装置模拟太空的微重力环境。目前，这些装置的原理概括分为如下几种：利用自身的重力产生自由落体运动(落塔)，利用地心引力产生绕地球的轨道运动(失重飞机)；利用平衡力补偿重力。采用前两种方法能够获得补偿精度在十分之一到万分之一重力加速度的失重环境，但是成本较高，补偿时间较短。采用平衡力补偿重力的方法，例如气体浮力法和液体浮力法也不适用于钻探过程。
发明内容
针对现有模拟太空微重力环境装置存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种模拟微重力钻探的测试装置及其测试方法。该测试装置解决了目前地面钻探过程中无法模拟微重力环境的问题，完成用于地外天体钻探设备的地面微重力环境模拟实验。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明的测试装置包括框架、重力补偿系统及试验桶，其中重力补偿系统包括给进电机、给进卷扬、定滑轮组、动滑轮组、死绳定滑轮及死绳固定滑轮，该给进电机、给进卷扬、定滑轮组、死绳定滑轮及死绳固定滑轮分别安装在框架上，钢丝绳A的一端缠绕在所述给进卷扬的卷扬滚筒上，另一端由所述定滑轮组、动滑轮组、死绳定滑轮绕过后缠绕在死绳固定滑轮上，所述动滑轮组的下方通过钢丝绳B连接有钻探设备；所述框架内放置有试验桶A，所述给进电机带动给进卷扬的轴旋转，进而带动所述卷扬滚筒上缠绕的钢丝绳A收紧或放松，从而拖曳所述钻探设备在试验桶A中提升或下落；
其中：所述死绳固定滑轮上安装有实时反馈给进电机拖动钢丝绳A产生拉力的压力传感器；
所述定滑轮组包括多个定滑轮，所述动滑轮组包括数量与定滑轮相同的动滑轮，所述钢丝绳A交替绕过定滑轮及动滑轮；
所述定滑轮组包括安装座A、定滑轮轴及多个定滑轮，该安装座A固定于所述框架的横梁上，所述安装座A上安装有定滑轮轴，各定滑轮分别转动安装在该定滑轮轴上；
所述动滑轮组包括安装座B、动滑轮轴及多个动滑轮，该安装座B位于定滑轮组的下方，所述安装座B上安装有动滑轮轴，各动滑轮分别转动安装在该动滑轮轴上；
所述安装座B包括位于各动滑轮两侧的安装板及用于连接两侧安装板的螺栓，两侧所述安装板的下端设有用于与钢丝绳B连接的连接柱；
所述框架包括安装架及支撑架A，该安装架位于支撑架A的上部，所述给进电机及给进卷扬安装在支撑架A上，所述定滑轮组、死绳定滑轮及死绳固定滑轮分别安装在安装架上；
所述支撑架A的底部通过角块与另一支撑架B连接，实现扩展；所述试验桶A的底部通过卡箍与另一试验桶B连接，实现扩展；
本发明模拟微重力钻探的测试装置的测试方法为：
所述给进电机正转或反转，给进电机的输出轴带动给进卷扬的轴转动，使得钢丝绳A在给进卷扬的卷扬滚筒上收紧或放松，从而拖曳钻探设备提升或下落，通过钢丝绳A的上下伸缩补偿钻探设备竖直向下的重力，使所述钻探设备的运动不受到自身重力的影响，使得钻探测试过程在微重力环境进行；
其中：所述死绳固定滑轮上安装有压力传感器，通过该压力传感器测量补偿力，作为重力补偿系统的控制反馈，对重力补偿力进行实时控制。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明的测试装置可实现低速和高速冲击钻探的微重力环境地面模拟试验。
2.本发明的测试装置具备扩展性，可模拟深度较大的钻探试验。
3.本发明的测试方法实现了力的闭环控制，可实时补偿重力。
附图说明
图1为本发明测试装置的立体结构示意图；
图2为本发明测试装置进行测试的结构示意图；
图3为本发明测试装置重力补偿原理示意图；
图4为本发明测试装置的结构扩展示意图；
图5为本发明测试装置中定滑轮组的立体结构示意图；
图6为本发明测试装置中动滑轮组的立体结构示意图；
其中：1为支撑架A，1'为支撑架B，2为安装架，3为试验桶A，3'为试验桶B，4为钻探设备，5为给进电机，6为给进卷扬，7为定滑轮组，701为定滑轮A，702为定滑轮B，703为定滑轮C，8为动滑轮组，801为动滑轮A，802为动滑轮B，803为动滑轮C，9为死绳定滑轮，10为死绳固定滑轮，11为压力传感器，12为横梁，13为安装座A，14为安装座B，15为安装板，16为螺栓，17为连接柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～6所示，本发明的测试装置包括框架、重力补偿系统及试验桶A3，其中重力补偿系统包括给进电机5、给进卷扬6、定滑轮组7、动滑轮组8、死绳定滑轮9及死绳固定滑轮10，该给进电机5、给进卷扬6、定滑轮组7、死绳定滑轮9及死绳固定滑轮10分别安装在框架上，钢丝绳A的一端缠绕在给进卷扬6的卷扬滚筒上，另一端由定滑轮组7、动滑轮组8、死绳定滑轮9绕过后缠绕在死绳固定滑轮10上；本发明的框架包括安装架2及支撑架A1，该安装架2位于支撑架A1的上部，给进电机5及给进卷扬6安装在支撑架A1的一侧，定滑轮组7、死绳定滑轮9及死绳固定滑轮10分别安装在安装架2上，动滑轮组8位于定滑轮组7的下方，不受扩展影响，钻探目标深度较大的地面微重力模拟试验亦可实现。
动滑轮组8的下方通过钢丝绳B连接有钻探设备4。支撑架A1内放置有试验桶A3，给进电机5带动给进卷扬6的轴旋转，进而带动卷扬滚筒上缠绕的钢丝绳A收紧或放松，从而拖曳钻探设备4在试验桶A3中提升或下落。
本发明的死绳固定滑轮10上安装有压力传感器11，可实时反馈给进电机5拖动钢丝绳A产生的拉力。
定滑轮组7包括多个定滑轮，动滑轮组8包括数量与定滑轮相同的动滑轮，钢丝绳A交替绕过定滑轮及动滑轮。本实施例的定滑轮为三个，分别为定滑轮A701、定滑轮B702及定滑轮C703；动滑轮也为三个，分别为动滑轮A801、动滑轮B802及动滑轮C803。钢丝绳A依次由定滑轮A701、动滑轮A801、定滑轮B702、动滑轮B802、定滑轮C703、动滑轮C803绕过。定滑轮组7包括安装座A13、定滑轮轴及多个(本实施例为三个)定滑轮，该安装座A13固定于安装架2的横梁12上，安装座A13上安装有定滑轮轴，各定滑轮分别转动安装在该定滑轮轴上。动滑轮组8包括安装座B14、动滑轮轴及多个(本实施例为三个)动滑轮，该安装座B14位于定滑轮组7的正下方，所述安装座B14上安装有动滑轮轴，各动滑轮分别转动安装在该动滑轮轴上。安装座B14包括位于各动滑轮两侧的安装板15及用于连接两侧安装板15的螺栓16，两侧安装板15的下端设有用于与钢丝绳B连接的连接柱17。
本发明的试验桶高度为1m，因此单个试验桶只可在1m内进行模拟微重力钻探试验。为了满足地外天体钻探任务的科学目标，钻探任务的工程目标往往更深，整个钻探目标深度的地面微重力模拟试验需要实现，因此，本发明的支撑架A1的底部通过角块连接后可进行扩展，试验桶A3的底部通过卡箍连接后亦可扩展。
本发明模拟微重力钻探的测试装置的测试方法为：
步骤一：给进电机5正转或反转时，给进电机5的输出轴经过减速器齿轮减速后带动给进卷扬6的轴转动，使得钢丝绳A在给进卷扬6的卷扬滚筒上收紧或放松，从而拖曳钻探设备4提升或下落，通过钢丝绳A的上下伸缩补偿钻探设备4竖直向下的重力，使钻探设备4的运动不受到自身重力的影响，使得钻探测试过程在微重力环境进行。
步骤二：提升/下放；由给进电机5、给进卷扬6和钢丝绳A组成，作用是通过钢丝绳A的上下伸缩补偿钻探设备4竖直向下的重力，作为恒定张力的产生装置。
步骤三：重力补偿；压力传感器11实时反馈给进电机5拖动钢丝绳A产生的拉力，通过控制给进电机5的转动使钢丝绳拉力维持在设定范围内；压力传感器11可实时测量补偿力，作为重力补偿系统的控制反馈，对重力补偿力进行实时控制。
利用伺服控制系统来解决摩擦干扰等问题，通过力的闭环控制系统来调节钢丝绳竖直方向的张力等于物体重力，从而达到重力补偿的作用，不仅适用于低速度条件下的钻探测试，在较高速度条件下同样具有较好的模拟效果。
Claims (10)
1.一种模拟微重力钻探的测试装置，其特征在于：包括框架、重力补偿系统及试验桶(3)，其中重力补偿系统包括给进电机(5)、给进卷扬(6)、定滑轮组(7)、动滑轮组(8)、死绳定滑轮(9)及死绳固定滑轮(10)，该给进电机(5)、给进卷扬(6)、定滑轮组(7)、死绳定滑轮(9)及死绳固定滑轮(10)分别安装在框架上，钢丝绳A的一端缠绕在所述给进卷扬(6)的卷扬滚筒上，另一端由所述定滑轮组(7)、动滑轮组(8)、死绳定滑轮(9)绕过后缠绕在死绳固定滑轮(10)上，所述动滑轮组(8)的下方通过钢丝绳B连接有钻探设备(4)；所述框架内放置有试验桶A(3)，所述给进电机(5)带动给进卷扬(6)的轴旋转，进而带动所述卷扬滚筒上缠绕的钢丝绳A收紧或放松，从而拖曳所述钻探设备(4)在试验桶A(3)中提升或下落。
2.根据权利要求1所述模拟微重力钻探的测试装置，其特征在于：所述死绳固定滑轮(10)上安装有实时反馈给进电机(5)拖动钢丝绳A产生拉力的压力传感器(11)。
3.根据权利要求1所述模拟微重力钻探的测试装置，其特征在于：所述定滑轮组(7)包括多个定滑轮，所述动滑轮组(8)包括数量与定滑轮相同的动滑轮，所述钢丝绳A交替绕过定滑轮及动滑轮。
4.根据权利要求1所述模拟微重力钻探的测试装置，其特征在于：所述定滑轮组(7)包括安装座A(13)、定滑轮轴及多个定滑轮，该安装座A(13)固定于所述框架的横梁(12)上，所述安装座A(13)上安装有定滑轮轴，各定滑轮分别转动安装在该定滑轮轴上。
5.根据权利要求1所述模拟微重力钻探的测试装置，其特征在于：所述动滑轮组(8)包括安装座B(14)、动滑轮轴及多个动滑轮，该安装座B(14)位于定滑轮组(7)的下方，所述安装座B(14)上安装有动滑轮轴，各动滑轮分别转动安装在该动滑轮轴上。
6.根据权利要求5所述模拟微重力钻探的测试装置，其特征在于：所述安装座B(14)包括位于各动滑轮两侧的安装板(15)及用于连接两侧安装板(15)的螺栓(16)，两侧所述安装板(15)的下端设有用于与钢丝绳B连接的连接柱(17)。
7.根据权利要求1所述模拟微重力钻探的测试装置，其特征在于：所述框架包括安装架(2)及支撑架A(1)，该安装架(2)位于支撑架A(1)的上部，所述给进电机(5)及给进卷扬(6)安装在支撑架A(1)上，所述定滑轮组(7)、死绳定滑轮(9)及死绳固定滑轮(10)分别安装在安装架(2)上。
8.根据权利要求7所述模拟微重力钻探的测试装置，其特征在于：所述支撑架A(1)的底部通过角块与另一支撑架B(1')连接，实现扩展；所述试验桶A(3)的底部通过卡箍与另一试验桶B(3')连接，实现扩展。
9.一种权利要求1至8任一权利要求所述模拟微重力钻探的测试装置的测试方法，其特征在于：所述给进电机(5)正转或反转，给进电机(5)的输出轴带动给进卷扬(6)的轴转动，使得钢丝绳A在给进卷扬(6)的卷扬滚筒上收紧或放松，从而拖曳钻探设备(4)提升或下落，通过钢丝绳A的上下伸缩补偿钻探设备(4)竖直向下的重力，使所述钻探设备(4)的运动不受到自身重力的影响，使得钻探测试过程在微重力环境进行。
10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于：所述死绳固定滑轮(10)上安装有压力传感器(11)，通过该压力传感器(11)测量补偿力，作为重力补偿系统的控制反馈，对重力补偿力进行实时控制。
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| CN114062146A (zh) * | 2021-11-04 | 2022-02-18 | 吉林大学 | 一种星壤低重力实验模拟方法及装置 |
| CN114062146B (zh) * | 2021-11-04 | 2024-03-22 | 吉林大学 | 一种星壤低重力实验模拟方法及装置 |
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