CN112098628A - 一种月壤性能综合试验多功能土槽 - Google Patents

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Abstract

一种月壤性能综合试验多功能土槽，它涉及月壤性能综合测试领域。本发明解决了现有利用模拟月壤进行的每一项土工试验都需要制定一套专用土槽，且不同试验分别在不同试验场所进行，一旦试验用月壤发生搬运，则很难保持原有状态，造成试验初始条件不统一，且回转钻进试验、承压对比试验和平推对比试验均需额外搭建满足尺寸要求的试验土槽，造成试验不便与物资浪费的问题。本发明的主箱体底侧设有四个带刹车的运动轮，主箱体后方设有后箱体，中央插板竖直设置在主箱体内部，特殊位插板竖直设置在主箱体内部，中央插板和特殊位插板均通过插板固定扣卡接在主箱体上。本发明可根据试验需求灵活调整，并使不同试验处于同一模拟月壤环境下。

Description

一种月壤性能综合试验多功能土槽
技术领域
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多功能土槽。
背景技术
月面采样作为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，包括多种土工试验项目，如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制定一套专用土槽，且不同试验分别在不同试验场所进行，一旦试验用月壤发生搬运，则很难保持原有状态，造成试验初始条件不统一。此外，回转钻进试验并非标准土工试验，需额外搭建满足尺寸要求的试验土槽，造成试验不便与物资浪费。
对于承压试验，除了常规土工试验要求外，还应专门设定一组固定尺寸的承压对比试验，对比对象为日本学者Bui等人利用飞机抛物线法获得的不同重力下承压试验数据。该学者由于采用的是真实飞行过程中飞机俯冲与拉升造成的真实变重力环境，因此其获得的在不同重力下的承压试验数据相比于其他重力等效方法所得最为真实可靠。该方法由于需要将承压试验设备搬上飞机，过程复杂耗资耗时巨大，因此可重复性低，其数据最适合用作其他试验的对比参照，作为重力对模拟月壤性质影响的研究基础。然而，既然以其作为对比，就要求设备尺寸、规程参数等与之完全相同。由于该设备尺寸的特殊性，很难单独为其研制一套固定土槽，因此最好的方法就是将其与其他土工试验设备耦合，既满足多项试验的需求，又可借鉴其他试验设备的稳定性，保障试验的顺利进行。
对于平推试验，除了常规土工试验要求外，还应专门设定一组固定尺寸的平推对比试验，对比对象为美国学者Boles等人利用飞机抛物线法获得的地球重力与月球重力下的平推试验数据。该学者所得数据过程与结果与Bui同理，均具备高可靠性和高参照性，为了与其作对比，要求试验设备尺寸、规程参数等与之完全相同。因此平推试验也需要土槽尺寸既满足特定要求又兼具灵活性。
因此，发明一套能同时满足以上试验项目的多功能土槽，可根据试验需求灵活调整，并使不同试验处于同一模拟月壤环境下是十分必要的。
综上所述，现有利用模拟月壤进行的每一项土工试验都需要制定一套专用土槽，且不同试验分别在不同试验场所进行，一旦试验用月壤发生搬运，则很难保持原有状态，造成试验初始条件不统一，且回转钻进试验、承压对比试验和平推对比试验均需额外搭建满足尺寸要求的试验土槽，造成试验不便与物资浪费的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有利用模拟月壤进行的每一项土工试验都需要制定一套专用土槽，且不同试验分别在不同试验场所进行，一旦试验用月壤发生搬运，则很难保持原有状态，造成试验初始条件不统一，且回转钻进试验、承压对比试验和平推对比试验均需额外搭建满足尺寸要求的试验土槽，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多功能土槽。
本发明的技术方案是：
一种月壤性能综合试验多功能土槽，它包括主箱体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的前端端与主箱体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。
进一步地，它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。
进一步地，它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。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。
进一步地，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。
进一步地，特殊位插板9-7与前表面钢化玻璃9-6之间的距离为80mm。
进一步地，它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。
进一步地，它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。
进一步地，它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。
进一步地，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。
进一步地，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。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本发明提出了一种月壤性能综合试验多功能土槽，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。
附图说明
图1是本发明的月壤性能综合试验多功能土槽侧方结构示意图；
图2是本发明的月壤性能综合试验多功能土槽下后方结构示意图；
图3是本发明的月壤性能综合试验多功能土槽上方结构示意图；
图4是本发明的月壤性能综合试验多功能土槽应用于实施例一至四中所述月壤性能综合试验台W中结构示意图；
图5是实施例一至四中所述月壤性能综合试验台的电机箱组件结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的一种月壤性能综合试验多功能土槽，它包括主箱体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的前端端与主箱体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。
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。
具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式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。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式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。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至图3说明本实施方式，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。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至图3说明本实施方式，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。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至图3说明本实施方式，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。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至图3说明本实施方式，本实施方式的它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。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至图3说明本实施方式，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。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至图3说明本实施方式，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。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3说明本实施方式，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。其它组成和连接关系与具体实施方式的一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。
实施例一
结合图1至图5说明本实施例：采用月壤性能综合试验多功能土槽的月壤承压试验方法，所述月壤承压试验方法是通过以下步骤实现的，
步骤一一：将承压试验专用压板安装在月壤性能综合试验台W的试验用具接口7上；
步骤一二：再将承压试验专用压板末端连接的力传感器插入到电机箱组件1的力传感器接口1-4；
步骤一三：月壤性能综合试验多功能土槽内装有模拟月壤；
步骤一四：承压试验专用压板在电机箱组件1的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；当试验采用月壤性能综合试验多功能土槽的后箱体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；
当试验采用月壤性能综合试验多功能土槽的主箱体9-1时，主箱体9-1的宽度增加到500mm，主箱体9-1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。
实施例二
结合图1至图5说明本实施例：采用月壤性能综合试验多功能土槽的月壤钻取试验方法，所述月壤钻取试验方法是通过以下步骤实现的，
步骤二一：将0.5m长的钻进试验专用空心外螺旋钻头安装在月壤性能综合试验台W的试验用具接口7上；
步骤二二：该试验通过电机箱组件1的回转电机箱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：月壤性能综合试验多功能土槽的主箱体9-1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在电机箱组件1的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在电机箱组件1的回转电机箱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。
实施例三
结合图1至图5说明本实施例：采用月壤性能综合试验多功能土槽的月壤平推试验方法，所述月壤平推试验方法是通过以下步骤实现的，
步骤三一：将平推试验专用推板安装在月壤性能综合试验台W的试验用具接口7上；
步骤三二：将平推试验专用推板末端连接的力传感器插入到电机箱组件1的力传感器接口1-4；
步骤三三：月壤性能综合试验多功能土槽的主箱体9-1内装有模拟月壤；
步骤三四：对月壤进行平推：
第一步：平推试验专用推板在月壤性能综合试验台W的两个Y方向水平运动小推力驱动组件4的电机驱动下移动至月壤性能综合试验多功能土槽一侧；
第二步：平推试验专用推板然后在电机箱组件1的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：在月壤性能综合试验台W的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；
当主箱体9-1插入特殊位插板9-7时，主箱体9-1内部空间形成宽度为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主箱体9-1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；
实施例四
结合图1至图5说明本实施例：采用月壤性能综合试验多功能土槽的月岩冲击试验方法，所述月岩冲击试验方法是通过以下步骤实现的，
步骤四一：在月壤性能综合试验台W的电机箱组件1的压电陶瓷1-7末端安装与之匹配的专用高频冲击头；
步骤四二：采用专用的模拟月岩卡爪将模拟月岩卡在中心，置于专用高频冲击头正下方，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：该试验高频冲击由电机箱组件1的压电陶瓷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，纵方向上由电机箱组件1的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。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种月壤性能综合试验多功能土槽，其特征在于：它包括主箱体(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)的前端端与主箱体(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。
2.根据权利要求1所述的一种月壤性能综合试验多功能土槽，其特征在于：它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。
3.根据权利要求1或2所述的一种月壤性能综合试验多功能土槽，其特征在于：它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。
4.根据权利要求3所述的一种月壤性能综合试验多功能土槽，其特征在于：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。
5.根据权利要求2或4所述的一种月壤性能综合试验多功能土槽，其特征在于：特殊位插板(9-7)与前表面钢化玻璃(9-6)之间的距离为80mm。
6.根据权利要求5所述的一种月壤性能综合试验多功能土槽，其特征在于：它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)。
7.根据权利要求6所述的一种月壤性能综合试验多功能土槽，其特征在于：它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)。
8.根据权利要求7所述的一种月壤性能综合试验多功能土槽，其特征在于：它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。
9.根据权利要求1所述的一种月壤性能综合试验多功能土槽，其特征在于：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)。
10.根据权利要求1、2、4、6、7、8或9所述的一种月壤性能综合试验多功能土槽，其特征在于：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。
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