表取模拟月壤箱安装支架

表取模拟月壤箱安装支架 概述 表取模拟月壤箱及安装支架在采样封装专项试验系统中用于月面环境模拟，其任务主要是为表取任务提供模拟月壤工作环境和模拟月壤构筑系统，为采样封装设备提供较为真实的工作环境和工作对象。同时，验证着陆上升组合体模拟结构件，以及采样封装设备与表面模拟月囊、月面坡度、着陆姿态等状态的相互配合关系。因此，表取模拟月壤箱及安装支架是进行月面采样封装专项试验的重要组成部分。 根据表取模拟月壤箱及安装支架技术要求，建立各种姿态月面模拟和表取模拟月壤环境及其辅助设备，基于无法对月面环境形成真实模拟的原因，对上述技术要求进行整合和优化，形成接口匹配、整体性能优化、满足任务需求的表取模拟月壤箱及安装支架详细设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 本报告详细介绍了表取模拟月壤箱及安装支架的设计方案，概述了月壤箱安装支架的工作原理、组成及功能，详细阐明了月壤箱月壤形貌的形成规律，论述了机电热接口、可靠性设计与分析、加工、测试与试验验证，最后给出了设计性能与技术指标要求的符合情况。 功能要求 表取模拟月壤箱及安装支架功能要求如下: 1 )构筑的模拟月壤应能覆盖标称工况、挑战工况和极端工况; 2) 可为表取模拟月壤构建不同力学性能的层理状态; 3) 可实现定的姿态倾角和竖直位移，并具有到位锁定功能; 4) 能根据数字三维图进行月表地形的快速成形，实现箱内月壤的形貌模拟; 5) 具有相对着陆器位置、姿态快速定位与调整能力; 6) 具有足够的刚度和强度; 7) 应具有抗月尘设计; 8) 模拟月壤构筑与使用过程中，具有减缓扬尘措施; 9) 应便于人工转运和吊装转运; 10) 转运、调整及工作过程中，应确保不破坏月壤形貌; 11 ) 工作稳定，模拟月壤构筑与卸载过程，模拟月壤箱转运、位置与姿态调 整过程等操作方便。 性能要求 表取模拟月壤箱及安装支架性能要求如下: 1)结构与安装 , 包络尺寸:?8m×6m×3.2m , 刚度、强度安全系数:?3 , 可承受负载:?14t (暂定) 2)位姿调整 , 姿态倾角:-12?~+12?; , 姿态仰角:-12?~+12?。 3)构筑模拟月壤属性 , 密实度范围:50%~100% , 月壤深度:40cm , 月壤深度误差:,0.5cm (暂定) 2, 有效采样面积:?1.4m , 特定地形构筑时间:?10min (暂定) , 月壤容量:3t )温度要求 4 , 机械机构存储和工作环境温度:-20?~140? (暂定) , 电子设备存储和工作环境温度:-20?~60? (暂定) 5)使用寿命 , 使用寿命期:?8年 (暂定) 6)其它 , 适应北京地区无特殊处理的室内环境 , 模拟月壤箱应能适应真空高温环境 功能分析 表取模拟月壤箱安装支架功能主要有以下几个方面: 1) 构筑的模拟月壤应能覆盖标称工况、挑战工况和极端工况; 表取模拟月壤箱与月坡平台固连，当月坡平台做俯仰和侧倾运动时，表取模 拟月壤箱也随之运动，进而构筑出月壤的标称、挑战和极端三种工况，如图4.6所示。 月壤箱月坡平面12?9?9?12?月坡平面 月壤箱 (a)下坡方向(b)上坡方向 图4.6 表取模拟月壤箱工况分析 3)可实现一定的姿态倾角，并具有到位锁定功能; ? 调姿功能 模拟月坡平台的姿态角变化，只需要两个自由度(坡度、方向)。为提高平台刚度、避免以悬臂方式承载，月坡平台以“串并混联”的二自由度机构为基础，用机构的俯仰角和侧倾角“合成”月坡的坡度角和方向角。 DEF C液压缸B月坡平台 液压缸C H液压缸A A B 图4.8 月坡平台 如图4.8所示，A~G为对应的铰链，其中由ABCD组成的机构在液压缸A和液压缸B的协同作用下绕机构的瞬心做对应的回转运动(图4.9)。 12?12? 12?12?旋转中心 俯仰运动侧倾运动 图4.9 机构运动结构简图 ? 锁定功能 当A、B缸工作时，C缸的进油阀门和排油阀门均打开，使其随月坡平台的运动而被动地吸油或排油而改变长度。当A、B缸运动到位后，关闭C缸的所有阀门，使其变成一根支撑刚度很高的定长杆，用于对月坡平台进行辅助支撑。 液压缸C液压缸C (b)锁定状态(a)随动状态 图4.10 液压缸C工作原理图 5)相对着陆器位置、姿态具有快速定位与调整能力; 在安装支架液压缸A、液压缸B、液压缸C分别安装压力测试传感器，通过接收压力信号，实现液压系统控制对着陆器位置、姿态的快速定位与调整。 6)刚度和强度富裕; 刚度、强度富裕，详细分析参见7.3。 7)具有抗月尘功能; 对于机构关键运动部件如铰链、移动副等设置对应的密封装置。如对于转动铰链轴承部分设置密封端盖，对于移动副导轨、液压油缸设置可伸缩橡胶套。 9)应便于人工转运和吊装转运; 通过在底座支撑粱设置吊装接口以实现安装支架转运、调整。 11)工作稳定，模拟月壤构筑与卸载过程，表取模拟月壤箱转运、位置与姿态调整过程等操作方便。 在模拟月壤构筑与卸载过程和表取模拟月壤箱转运过程中，为其它模块和设备提供良好的接口，保证工作的便捷和稳定。位置与姿态调整过程的稳定性取决于控制方案的好坏，而便捷性需要靠良好的人机交互界面来保证。 综上所述，根据以上不同阶段的工作内容规划，表取模拟工作过程需实现的功能如图4.14所示。 依托月坡模拟平台的月壤月壤箱内月壤形貌构筑箱不同姿态模拟月壤形貌快速月壤箱月坡模拟平台姿态调控成型 图4.14 表取模拟工作过程功能需求 分析表取模拟工作所实现的功能，可以发现表取模拟月壤箱内月貌构筑和月坡姿态调节是两个独立的工作过程。其中，月貌构筑包含月表三维数据扫描、数据变换、三维形貌模具加工、月壤层理结构构筑等不同的动作，部分动作具有不可逆性;月坡模拟平台通过液压传动实现不同姿态的调整与控制。 月坡平台姿态调整装置载荷分析 月坡平台上面将承载着陆上升组合体、钻取采样装置1/6g重力补偿装置、表取采样装置1/6g重力补偿装置、升降车、表取模拟月壤箱及模拟月壤，月坡的最大负载约14t，月坡平台自重约9t，故月坡平台姿态调整装置总负载大约23t。 系统布局 表取模拟月壤箱及安装支架在模拟任务中的布局如下图5.1所示，表取模拟月壤箱通过特定的法兰连接到月坡平台，安装支架同时支撑着着陆器和上升器。三维地形快速成形模块所用的数控铣床和压实模块所用的液压机采用外协，我方负责模拟月壤三维形貌的加工、提供表取模拟月壤箱及模拟月壤。 2 1 3 1,月坡;2,表取模拟月壤箱;3,安装支架 图5.1 月坡模拟平台及其搭载的相关设备 月坡模拟平台 模拟月坡的姿态角变化，只需要两个自由度(坡度、方向)。为提高平台刚度、避免以悬臂方式承载，月坡模拟平台以“串并混联”的二自由度机构为基础，用机构的俯仰角和侧倾角“合成”月坡的坡度角和方向角。 1)月坡姿态角的模拟 月坡模拟平台的主要构成见图5.8。 5 64 3 72 1 8 1,底座子系统;2,液压缸B;3,液压缸C;4,月坡平台 5,钻采井;6,表取模拟月壤箱;7,月坡角度调整机构;2,液压缸A 图5.8 月坡模拟平台机构简图 ，其中U月坡平台的底面分别安装有三个(不共线的)万向铰U、U、U3112 和U须共享一条轴线，并与联架杆{1}和{2}相连。两根联架杆{1}和{2}分别用2 铰链R和R与机架{0}相连，即形成四杆机构R-U-U-R，该四杆机构在液压121122 A缸的驱动下，产生月坡平台的侧倾运动。 12? U312?UU21 {2} {1} 液压缸A R1R2 {0} 图5.9 月坡平台侧倾运动示意图 由于U和U共享轴线L，所以平台还可以绕该轴线转动。在液压B缸的驱12 动下，月坡绕轴线L转动，提供月坡的俯仰运动。 12? 12?UU和21 共享轴线L 月坡平台U3液压缸A 液压缸C 液压缸B {0} 图5.10 月坡平台俯仰运动示意图 根据目前的初步设计，月坡可侧倾,12:,，12:、俯仰,12:,，12:。 侧倾运动 表取模拟月壤箱安装支架月坡平台的侧倾运动主要依靠液压缸B的作用，液压缸A和液压缸C起辅助支撑作用，当侧倾运动达到目标姿态，同时关闭液压缸A、液压缸B和液压缸C的阀门，使系统处于锁定状态。 12? 12? 旋转中心 图5.14 侧倾运动示意图 俯仰运动 表取模拟月壤箱安装支架月坡平台的俯仰运动主要依靠液压缸A和液压缸 B的协同作用实现，液压缸C起辅助支撑作用，当俯仰运动达到目标姿态，同时关闭液压缸A、液压缸B和液压缸C的阀门，使系统处于锁定状态。 12? 12? 图5.15 俯仰运动示意图 月坡平台姿态调整机构构型及传动形式 表取模拟月壤箱姿态模拟 模拟月坡的姿态角变化，只需要两个自由度(坡度、方向)。为提高平台刚度、避免以悬臂方式承载，月坡模拟平台以“串并混联”的二自由度机构为基础，用机构的俯仰角和侧倾角“合成”月坡的坡度角和方向角。整体结构的设计方案如下图所示，由液压泵、液压控制元器件、控制面板、液压缸、连接架、月坡平台、表取模拟月壤箱、底座子系统等部组件组成。实现位置保持、姿态调整等功能。 杆组及液压缸 杆组设计及液压缸选型 表取模拟月壤箱安装支架系统的稳定和姿态控制主要靠液压缸和连架杆的协同作用实现。杆组及液压缸系统主要有3个液压缸和2个V型连架杆组成。根据月坡姿态调整需要，杆组及液压缸与月坡平台和底架的连接通过转动副或移动副实现，转动副所选轴承均为深沟球轴承(轴承型号:)，共计12个。运动副均需设置密封设备。 连架杆 液压缸A 液压缸C 液压缸B 图6.8 杆组及液压缸结构分布 图6.9 连架杆设计尺寸 表6.1 液压缸型号 序号 名称 型号 载荷 1 液压缸A HSG系列基型液压缸 177kN(12:时) 2 液压缸B HSG系列基型液压缸 166kN(12:时) 3 液压缸C HSG系列基型液压缸 1.7kN(12:时) 力载分析 G1 Axle1 Axle2 G2 M1 M2 M 图6.10 表取模拟月壤箱安装支架受力简图 图为整个机构的模型图，其中G1为着陆器模拟机构，自重3.2t，G2为月壤，自重2.5t，重力加速度为3g;M、M1、M2分别代表液压缸C、液压缸A、液压缸B，作为驱动用，匀速运动，M为随动的没有驱动力附加，在机构中扮演二力杆件;整个机构做刚性考虑，对关键进行受力分析;只考虑重力没有额外负载，当角度发生变化时，重力分布也随之变化， 液压缸A保持高度不变，液压缸B作为驱动液压缸C为随动，使整个偏转机构液压缸A处直线上下转动12?. 1)对于轴零件1 主要分布于3个液压缸零件两端。 图6.11 液压缸B上U副链接轴 图6.12 液压缸B受力情况 力的方向沿轴线向上，故与其相连的轴上受力就是驱动力(液压缸对轴的作用力)。同理作为随动液压缸C处的受力为 图6.13 液压缸C受力情况 液压缸B处相同零件受力为 图6.14 液压缸A受力情况 从图可以看出液压缸A受力比较恶劣，故针对该处对周进行分析即可，去-12?、-9?、0?9?、12?五处数据进行比较，如下 表6.2 不同工况条件下液压缸A受力比较 角度/? -12? -9? 0? 9? 12? 力/N 1.77E005 1.71E005 1.67 E005 1.46 E005 1.41E005 选数据组-12?，1.77E005N进行强度分析见6.1.3.2。 2)对于轴零件2 主要有两个，分布于两个拨叉支架上端，及Axle1和Axle2 图6.15 连架杆U副连接轴 受力情况分别为 表6.3 不同工况条件下连架杆U副连接轴受力比较(单位:N) 角度/? 名称 -12? -9? 0? 9? 12? Axle1 87105 76250 66890 22009 12813 Axle2 1.6E005 1.54 E005 1.52 E005 1.44 E005 1.44 E005 图6.16 连架杆Axle1处受力情况 图6.17 连架杆Axle2处受力情况 选数据组-12?，1.6E005N进行强度分析见6.1.3.2。 3)对于蓝色拨叉支架零件 F2Y F1Y F2Z F2X F1X F1Z F3y F3X F3z F4Y F4X F4Z 图6.18 连架杆受力简图 ? 连架杆F1处受力情况 表6.4 连架杆F1处X, Y, Z方向受力情况(单位:N) 角度/? 方向 -12? -9? 0? 9? 12? X -6987 -6788 -6610 -5578 -5600 Y 1.77E005 1.71E005 1.67 E005 1.46 E005 1.41E005 Z 1194 1162 1134 1010 972 图6.19 连架杆F1Y处受力情况 图6.20 连架杆F1X处受力情况 图6.21 连架杆F1Z处受力情况 ? 连架杆F2处受力情况 表6.5 连架杆F2处X, Y, Z方向受力情况(单位:N) 角度/? 方向 -12? -9? 0? 9? 12? X 72217 63174 55185 17537 9910 Y -1.4E005 -1.41E005 -1.41E005 -1.43E005 -1.44E005 Z -7114 -6016 -5147 -2174 -1620 图6.22 连架杆F2X处受力情况 图6.23 连架杆F2Y处受力情况 图6.24 连架杆F2Z处受力情况 ? 连架杆F3处受力情况 表6.6 连架杆F3处X, Y, Z方向受力情况(单位:N) 角度/? 方向 -12? -9? 0? 9? 12? X -53030 -45144 -38417 -8705 -2481 Y -15903 -10966 -6691 11687 15542 Z 21686 20092 18620 11435 9802 图6.25 连架杆F3X处受力情况 图6.26 连架杆F3Y处受力情况 图6.27 连架杆F3Z处受力情况 ? 连架杆F4处受力情况 表6.7 连架杆F4处X, Y, Z方向受力情况(单位:N) 角度/? 方向 -12? -9? 0? 9? 12? X -12200 -11242 -10135 -2762 -940 Y -16829 -16275 -15625 -11032 -9887 Z -15766 -15238 -14607 -10244 -9155 图6.28 连架杆F4X处受力情况 图6.29 连架杆F4Y处受力情况 图6.30 连架杆F4Z处受力情况 强度分析 1)液压缸梢头支架 材料:42Cr4;屈服强度:670MPa。 分析结果最大应力:21.95Mpa，远小于屈服应力，合格。 图6.31 液压缸梢头支架Mises应力云图 2)液压缸梢头十字轴 材料:42Cr4;屈服强度:670MPa。 载荷信息:合力166000N。 最大应力:203.3Mpa，小于屈服应力，合格。 图6.32 液压缸梢头十字轴网格模型和Mises应力云图 最大应力出现在圆轴与中心体交接处，出现了应力集中。 图6.33 液压缸梢头十字轴最大应力处Mises应力云图 3)连架杆十字轴 材料:42Cr4;屈服强度:670MPa。 载荷信息:合力158000N。 最大应力:199Mpa，小于屈服应力，合格。 图6.34 连架杆十字轴网格模型和Mises应力云图 最大应力出现在圆轴与中心体交接处，出现了应力集中。 图6.35 连架杆十字轴最大应力处Mises应力云图 4)连架杆 材料:42Cr4;屈服强度:670MPa。 载荷信息:最大合力177000N。 最大应力:91.48Mpa，小于屈服应力，合格。 图6.36 连架杆Mises应力云图