CN116950581A - 一种可自主掘进的月壤潜入装置及其潜入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自主掘进的月壤潜入装置及其潜入方法。本发明中外壳包括一体成型的圆柱管道和喇叭口，固定盖与圆柱管道同轴固定，内套筒设于圆柱管道内，并与固定盖同轴固定；钻杆设于圆柱管道内，且内部中空，套置在内套筒上，与内套筒构成转动副，钻杆外侧壁上固定有螺旋叶片一；钻头与钻杆同轴设置，钻头设有前锥面和喇叭状后面，喇叭状后面设于喇叭口内，喇叭状后面固定有螺旋叶片二；驱动机构设于内套筒内，并驱动钻头和钻杆转动。本发明通过设置内部排屑通道，并通过驱动机构驱动螺旋叶片一和螺旋叶片二，实现了从内部排屑的功能，同时驱动机构驱动钻头和钻杆的转动方向相反，钻头的力矩作用与钻杆的力矩作用抵消，提高了工作稳定性。

Description

一种可自主掘进的月壤潜入装置及其潜入方法

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种可自主掘进的月壤潜入装置及其潜入方法。

背景技术

在对月球的探索的过程中，月壤是人类的重要研究对象之一，现有的关于月壤探测技术有高速侵彻贯入探测技术、绳系式冲击贯入探测技术和绳系式掘进潜入探测技术等，但是相关探测装置中的钻具在钻取过程中经常会出现因月壤堆积导致的钻具卡死现象，或是因遇到一些较为坚硬的碎屑，导致钻具出现卡顿，无法继续作业的现象，同时由于月壤各层密度不一，在钻具达到月壤深处时孔壁可能会发生塌陷，从而使装置无法继续作业。而且，钻具在作业过程中，遇到一些较为坚硬的碎屑时，可能导致电机功率过大损坏的情况发生，从而导致装置不能正常作业。因此，需要研制出一种排屑性能好，且能够防止月壤塌陷的月壤潜入装置。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术不足，提出一种可自主掘进的月壤潜入装置及其潜入方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种可自主掘进的月壤潜入装置，包括钻头、钻杆、外壳、内套筒、固定盖、驱动机构和履带机构。

所述外壳包括一体成型的圆柱管道和喇叭口；固定盖设于圆柱管道内远离喇叭口的一端，并通过沿周向等距布置的多根连接杆与圆柱管道同轴固定；内套筒设于圆柱管道内，并与固定盖同轴固定；所述钻杆设于圆柱管道内，且钻杆外侧壁与圆柱管道内壁存在间隙，并固定有螺旋叶片一，钻杆内部中空，并套置在内套筒上，与内套筒构成转动副；所述驱动机构设于内套筒内，驱动机构包括驱动电机一、内齿轮、转轴和圆柱齿轮一，所述内套筒内两端均固定有固定板，驱动电机一的壳体与靠近固定盖的固定板固定，驱动电机一的输出轴通过圆柱齿轮副一与转轴连接，转轴与固定板构成转动副，圆柱齿轮一固定于转轴上，内齿轮固定于钻杆的内壁上；圆柱齿轮一穿过内套筒上开设的方孔与内齿轮啮合；

所述钻头与钻杆同轴设置；所述钻头设有前锥面和喇叭状后面，喇叭状后面设于喇叭口内，且喇叭状后面的端部与钻杆上靠近喇叭口的一端贴合；喇叭状后面与喇叭口内壁存在间隙，并固定有螺旋叶片二；喇叭状后面的端部中心位置处还固定有连接轴；所述连接轴与内套筒内远离固定盖的固定板构成转动副，并通过圆柱齿轮副二与转轴连接；所述外壳上位于圆柱管道外壁开设有沿周向等距布置的多个凹槽，每个凹槽内设有一个履带机构，各履带机构的传动方向沿圆柱管道轴线方向；其中，螺旋叶片一的旋向与螺旋叶片二的旋向相反，钻头与喇叭口之间的间隙、钻杆与圆柱管道之间的间隙以及固定盖上各连接杆之间的间隙形成内部排屑通道。

优选地，所述钻杆上靠近固定盖的一端与密封盖通过螺栓连接，密封盖套置在内套筒上，与内套筒构成转动副。

优选地，所述圆柱齿轮副一包括圆柱齿轮二和圆柱齿轮三，圆柱齿轮二固定于驱动电机一的输出轴上，圆柱齿轮三固定于转轴上。

优选地，所述圆柱齿轮副二包括圆柱齿轮四和圆柱齿轮五，圆柱齿轮四固定于连接轴上，圆柱齿轮五固定于转轴上。

优选地，所述钻杆通过轴承一支承在内套筒上。

优选地，所述转轴通过轴承二支承在固定板上。

优选地，所述连接轴通过轴承三支承在固定板上。

优选地，所述履带机构包括链轮、主动轴、转动轴、驱动电机二、支撑板、链条和从动轴，支撑板与凹槽固定，主动轴和从动轴分别位于支撑板的两侧，且均与凹槽构成转动副，主动轴和从动轴上均固定有链轮组，链轮组包括间距设置的两个链轮，两个链轮组位置对齐的每两个链轮通过一个链条连接，两个链条位置对齐的每两个链节通过一块链板连接；驱动电机二的壳体与支撑板固定，驱动电机二的输出轴通过圆柱齿轮副三与转动轴连接，转动轴与支撑板构成转动副，并通过锥齿轮副与主动轴上链轮组中的一个链轮连接；其中转动轴和驱动电机二输出轴的中心轴线与外壳的中心轴线平行，主动轴和从动轴的中心轴线垂直于外壳的中心轴线。

更优选地，所述圆柱齿轮副三包括圆柱齿轮六和圆柱齿轮七，圆柱齿轮六固定于转动轴上，圆柱齿轮七固定于驱动电机二的输出轴上；锥齿轮副包括锥齿轮一和锥齿轮二，锥齿轮一固定于链轮上，锥齿轮二固定于转动轴上。

本发明一种可自主掘进的月壤潜入装置的潜入方法，具体如下：

在圆柱管道上远离喇叭口的一端连接收集装置；控制器控制驱动电机一的输出轴正转，驱动电机一的输出轴通过圆柱齿轮副一驱动转轴反转，转轴带动圆柱齿轮一与内齿轮啮合，进而带动钻杆和螺旋叶片一反转，同时转轴通过圆柱齿轮副二带动连接轴正转，进而带动钻头和螺旋叶片二正转；接着月球车辅助推动外壳带动旋转的钻头开始向下钻孔；其中，钻杆和钻头的转向相反，使得钻杆的力矩作用与钻头的力矩作用相互抵消；当钻头转出的孔道深度超过各履带机构所在位置时，控制器控制各履带机构开始工作，各履带机构驱动外壳沿着孔道向下前进，同时对孔道内壁进行支撑；钻孔过程中钻头钻出的月壤进入内部排屑通道中，由于螺旋叶片一的旋向与螺旋叶片二的旋向相反，且钻杆和钻头的转向相反，月壤被螺旋叶片二和螺旋叶片一的向上传送直到送出内部排屑通道，进入收集装置内；若钻孔过程中有碎屑卡住螺旋叶片一或螺旋叶片二，导致螺旋叶片一和螺旋叶片二出现卡顿时，控制器控制驱动电机一的输出轴往复反转和正转，进而带动钻头和螺旋叶片二往复反转和正转，钻杆和螺旋叶片一往复正转和反转，同时各履带机构停止工作，月球车停止推动外壳向下运动，直至碎屑脱离螺旋叶片一或螺旋叶片二，螺旋叶片一和螺旋叶片二不再卡顿，控制器控制驱动电机一的输出轴继续正转，各履带机构继续工作，月球车继续推动外壳前进；完成钻孔任务后，控制器控制驱动电机一停止工作，月球车和各履带机构驱动外壳后退，直至退出孔道。

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过设置内部排屑通道，并通过驱动机构驱动钻头带动螺旋叶片二正转，实现了钻头破碎月壤的功能和钻进功能，驱动机构同时驱动钻杆带动螺旋叶片一反转，且由于螺旋叶片一的旋向与螺旋叶片二的旋向相反，钻孔过程中月壤进入内部排屑通道中，能顺着螺旋叶片二和螺旋叶片一向上传送，从而实现了从装置内部排屑的功能，同时钻头和钻杆的转向相反，使得钻头的力矩作用与钻杆的力矩作用相互抵消，进而使得钻孔过程中钻进工作与排屑工作更加稳定，提高了工作稳定性。而钻孔过程中若有硬碎屑卡住螺旋叶片一或螺旋叶片二，导致螺旋叶片一和螺旋叶片二出现卡顿时，驱动电机一往复反转和正转，即可让硬碎屑脱离螺旋叶片一或螺旋叶片二，不容易出现装置卡死导致无法继续作业的情况。

2、本发明中设有履带机构，钻孔过程中履带机构支撑住孔道内壁，稳定了孔道内壁的月壤碎屑，防止孔道内壁月壤发生塌陷，同时履带机构提供了向下的驱动力，增大了钻头前进动力，从而增大了钻头的切削力矩，提高了钻头的切削效率，也避免了电机功率过大损坏的情况发生。

3、本发明的驱动机构和履带机构中均通过齿轮副实现动力的传递，工作稳定、可靠，噪音小，且效率高。

附图说明

图1为本发明的半剖立体图；

图2为本发明的钻杆、外壳和驱动机构的半剖立体图；

图3为本发明的整体结构示意图；

图4为本发明的外壳和履带机构的结构示意图；

图5为本发明的工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1、图2和图3所示，本发明一种可自主掘进的月壤潜入装置，包括钻头1、钻杆2、外壳3、内套筒8、固定盖10、驱动机构和履带机构。

外壳3包括一体成型的圆柱管道和喇叭口；固定盖10设于圆柱管道内远离喇叭口的一端，并通过沿周向等距布置的多根连接杆与圆柱管道同轴固定；内套筒8设于圆柱管道内，并与固定盖10同轴固定；钻杆2设于圆柱管道内，且钻杆2外侧壁与圆柱管道内壁存在间隙，并固定有螺旋叶片一，钻杆2内部中空，并套置在内套筒8上，与内套筒8构成转动副；驱动机构设于内套筒8内，驱动机构包括驱动电机一7、内齿轮5、转轴15和圆柱齿轮一16，内套筒8内两端均固定有固定板，驱动电机一7的壳体与靠近固定盖10的固定板固定，驱动电机一7的输出轴通过圆柱齿轮副一与转轴15连接，转轴15与固定板构成转动副，圆柱齿轮一16固定于转轴15上，内齿轮5固定于钻杆2的内壁上；圆柱齿轮一16穿过内套筒8上开设的方孔与内齿轮5啮合。其中驱动电机一7输出轴的中心轴线与内套筒8的中心轴线平行。

钻头1与钻杆2同轴设置；钻头1设有前锥面和喇叭状后面，喇叭状后面设于喇叭口内，且喇叭状后面的端部与钻杆2上靠近喇叭口的一端贴合，防止月壤进入钻杆2内部；喇叭状后面与喇叭口内壁存在间隙，并固定有螺旋叶片二；喇叭状后面的端部中心位置处还固定有连接轴；连接轴与内套筒8内远离固定盖10的固定板构成转动副，并通过圆柱齿轮副二与转轴15连接。外壳3上位于圆柱管道外壁开设有沿周向等距布置的多个凹槽，每个凹槽内设有一个履带机构，各履带机构的传动方向沿圆柱管道轴线方向。其中，螺旋叶片一的旋向与螺旋叶片二的旋向相反，钻头1与喇叭口之间的间隙、钻杆2与圆柱管道之间的间隙以及固定盖10上各连接杆之间的间隙形成内部排屑通道。

作为一个优选实施例，钻杆2上靠近固定盖10的一端与密封盖11通过螺栓9连接，密封盖11套置在内套筒上，与内套筒8构成转动副，用于防止月壤进入钻杆2内，影响正常工作。

作为一个优选实施例，圆柱齿轮副一包括圆柱齿轮二6和圆柱齿轮三13，圆柱齿轮二6固定于驱动电机一7的输出轴上，圆柱齿轮三13固定于转轴15上。

更优选地，圆柱齿轮二6通过键一和驱动电机一7输出轴上开设的键槽连接实现周向定位，并通过与驱动电机一7输出轴上螺纹连接的螺帽一14和驱动电机一7输出轴上的轴肩轴向定位。

作为一个优选实施例，圆柱齿轮副二包括圆柱齿轮四4和圆柱齿轮五18，圆柱齿轮四4固定于连接轴上，圆柱齿轮五18固定于转轴15上。

更优选地，圆柱齿轮四4通过键二和连接轴上开设的键槽连接实现周向定位，并通过与连接轴上螺纹连接的螺帽二17和连接轴的轴肩轴向定位。

作为一个优选实施例，钻杆2通过轴承一12支承在内套筒8上。

作为一个优选实施例，转轴15通过轴承二19支承在固定板上。

作为一个优选实施例，连接轴通过轴承三20支承在固定板上。

作为一个优选实施例，如图4所示，履带机构包括链轮21、主动轴22、转动轴25、驱动电机二27、支撑板28、链条29和从动轴，支撑板28与凹槽固定，主动轴22和从动轴位于支撑板28的两侧，且均与凹槽构成转动副，主动轴22和从动轴上均固定有链轮组，链轮组包括间距设置的两个链轮21，两个链轮组位置对齐的每两个链轮21通过一个链条29连接，两个链条29位置对齐的每两个链节通过一块链板连接；驱动电机二27的壳体与支撑板28固定，驱动电机二27的输出轴通过圆柱齿轮副三与转动轴25连接，转动轴25与支撑板28构成转动副，并通过锥齿轮副与主动轴22上链轮组中的一个链轮21连接；其中转动轴25和驱动电机二27输出轴的中心轴线与外壳3的中心轴线平行，主动轴22和从动轴的中心轴线垂直于外壳3的中心轴线。

更优选地，圆柱齿轮副三包括圆柱齿轮六26和圆柱齿轮七30，圆柱齿轮六26固定于转动轴25上，圆柱齿轮七30固定于驱动电机二27的输出轴上；锥齿轮副包括锥齿轮一23和锥齿轮二24，锥齿轮一23固定于链轮21上，锥齿轮二24固定于转动轴25上。

更优选地，圆柱齿轮七30通过键三和驱动电机二27输出轴上开设的键槽连接实现周向定位，并通过与驱动电机二27输出轴上螺纹连接的螺帽三31和驱动电机二27输出轴的轴肩轴向定位，锥齿轮二24通过键四和转动轴25上开设的键槽连接实现周向定位，并通过与转动轴上螺纹连接的螺帽四32和转动轴25的轴肩轴向定位。

其中，驱动电机一7和驱动电机二27均由控制器控制。

本发明一种可自主掘进的月壤潜入装置的潜入方法，具体如下：

在圆柱管道上远离喇叭口的一端连接收集装置。如图5所示，控制器控制驱动电机一7的输出轴正转，驱动电机一7的输出轴通过圆柱齿轮副一驱动转轴15反转，转轴15带动圆柱齿轮一16与内齿轮5啮合，进而带动钻杆2和螺旋叶片一反转，同时转轴15通过圆柱齿轮副二带动连接轴正转，进而带动钻头1和螺旋叶片二正转；接着月球车辅助推动外壳3带动旋转的钻头1开始向下钻孔；其中，钻杆2和钻头1的转向相反，使得钻杆2的力矩作用与钻头1的力矩作用相互抵消，进而使得钻孔过程中钻进工作与排屑工作更加稳定。当钻头1转出的孔道深度超过各履带机构所在位置时，控制器控制各履带机构开始工作，各履带机构驱动外壳3沿着孔道向下前进，增大钻头1前进动力的同时对孔道内壁进行支撑，防止孔道内壁的月壤脱落；钻孔过程中钻头1钻出的月壤进入内部排屑通道中，由于螺旋叶片一的旋向与螺旋叶片二的旋向相反，且钻杆2和钻头1的转向相反，月壤被螺旋叶片二和螺旋叶片一向上传送直到送出内部排屑通道，进入收集装置内。若钻孔过程中有硬碎屑卡住螺旋叶片一或螺旋叶片二，导致螺旋叶片一和螺旋叶片二出现卡顿时，控制器控制驱动电机一7的输出轴往复反转和正转，进而带动钻头1和螺旋叶片二往复反转和正转，钻杆2和螺旋叶片一往复正转和反转，同时各履带机构停止工作，月球车停止推动外壳3向下运动，直至硬碎屑脱离螺旋叶片一或螺旋叶片二，螺旋叶片一和螺旋叶片二不再卡顿，控制器控制驱动电机一7的输出轴继续正转，各履带机构继续工作，月球车继续推动外壳3前进。完成钻孔任务后，控制器控制驱动电机一7停止工作，月球车和各履带机构驱动外壳3后退，直至退出孔道。

Claims (10)

1.一种可自主掘进的月壤潜入装置，包括钻头、钻杆和外壳，其特征在于：还包括内套筒、固定盖、驱动机构和履带机构；所述外壳包括一体成型的圆柱管道和喇叭口；固定盖设于圆柱管道内远离喇叭口的一端，并通过沿周向等距布置的多根连接杆与圆柱管道同轴固定；内套筒设于圆柱管道内，并与固定盖同轴固定；所述钻杆设于圆柱管道内，且钻杆外侧壁与圆柱管道内壁存在间隙，并固定有螺旋叶片一，钻杆内部中空，并套置在内套筒上，与内套筒构成转动副；所述驱动机构设于内套筒内，驱动机构包括驱动电机一、内齿轮、转轴和圆柱齿轮一，所述内套筒内两端均固定有固定板，驱动电机一的壳体与靠近固定盖的固定板固定，驱动电机一的输出轴通过圆柱齿轮副一与转轴连接，转轴与固定板构成转动副，圆柱齿轮一固定于转轴上，内齿轮固定于钻杆的内壁上；圆柱齿轮一穿过内套筒上开设的方孔与内齿轮啮合；

所述钻头与钻杆同轴设置；所述钻头设有前锥面和喇叭状后面，喇叭状后面设于喇叭口内，且喇叭状后面的端部与钻杆上靠近喇叭口的一端贴合；喇叭状后面与喇叭口内壁存在间隙，并固定有螺旋叶片二；喇叭状后面的端部中心位置处还固定有连接轴；所述连接轴与内套筒内远离固定盖的固定板构成转动副，并通过圆柱齿轮副二与转轴连接；所述外壳上位于圆柱管道外壁开设有沿周向等距布置的多个凹槽，每个凹槽内设有一个履带机构，各履带机构的传动方向沿圆柱管道轴线方向；其中，螺旋叶片一的旋向与螺旋叶片二的旋向相反，钻头与喇叭口之间的间隙、钻杆与圆柱管道之间的间隙以及固定盖上各连接杆之间的间隙形成内部排屑通道。

2.根据权利要求1所述的一种可自主掘进的月壤潜入装置，其特征在于：所述钻杆上靠近固定盖的一端与密封盖通过螺栓连接，密封盖套置在内套筒上，与内套筒构成转动副。

3.根据权利要求1所述的一种可自主掘进的月壤潜入装置，其特征在于：所述圆柱齿轮副一包括圆柱齿轮二和圆柱齿轮三，圆柱齿轮二固定于驱动电机一的输出轴上，圆柱齿轮三固定于转轴上。

4.根据权利要求1所述的一种可自主掘进的月壤潜入装置，其特征在于：所述圆柱齿轮副二包括圆柱齿轮四和圆柱齿轮五，圆柱齿轮四固定于连接轴上，圆柱齿轮五固定于转轴上。

5.根据权利要求1所述的一种可自主掘进的月壤潜入装置，其特征在于：所述钻杆通过轴承一支承在内套筒上。

6.根据权利要求1所述的一种可自主掘进的月壤潜入装置，其特征在于：所述转轴通过轴承二支承在固定板上。

7.根据权利要求1所述的一种可自主掘进的月壤潜入装置，其特征在于：所述连接轴通过轴承三支承在固定板上。

8.根据权利要求1所述的一种可自主掘进的月壤潜入装置，其特征在于：所述履带机构包括链轮、主动轴、转动轴、驱动电机二、支撑板、链条和从动轴，支撑板与凹槽固定，主动轴和从动轴分别位于支撑板的两侧，且均与凹槽构成转动副，主动轴和从动轴上均固定有链轮组，链轮组包括间距设置的两个链轮，两个链轮组位置对齐的每两个链轮通过一个链条连接，两个链条位置对齐的每两个链节通过一块链板连接；驱动电机二的壳体与支撑板固定，驱动电机二的输出轴通过圆柱齿轮副三与转动轴连接，转动轴与支撑板构成转动副，并通过锥齿轮副与主动轴上链轮组中的一个链轮连接；其中转动轴和驱动电机二输出轴的中心轴线与外壳的中心轴线平行，主动轴和从动轴的中心轴线垂直于外壳的中心轴线。

9.根据权利要求8所述的一种可自主掘进的月壤潜入装置，其特征在于：所述圆柱齿轮副三包括圆柱齿轮六和圆柱齿轮七，圆柱齿轮六固定于转动轴上，圆柱齿轮七固定于驱动电机二的输出轴上；锥齿轮副包括锥齿轮一和锥齿轮二，锥齿轮一固定于链轮上，锥齿轮二固定于转动轴上。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的一种可自主掘进的月壤潜入装置的潜入方法，其特征在于：具体如下：

在圆柱管道上远离喇叭口的一端连接收集装置；控制器控制驱动电机一的输出轴正转，驱动电机一的输出轴通过圆柱齿轮副一驱动转轴反转，转轴带动圆柱齿轮一与内齿轮啮合，进而带动钻杆和螺旋叶片一反转，同时转轴通过圆柱齿轮副二带动连接轴正转，进而带动钻头和螺旋叶片二正转；接着月球车辅助推动外壳带动旋转的钻头开始向下钻孔；其中，钻杆和钻头的转向相反，使得钻杆的力矩作用与钻头的力矩作用相互抵消；当钻头转出的孔道深度超过各履带机构所在位置时，控制器控制各履带机构开始工作，各履带机构驱动外壳沿着孔道向下前进，同时对孔道内壁进行支撑；钻孔过程中钻头钻出的月壤进入内部排屑通道中，由于螺旋叶片一的旋向与螺旋叶片二的旋向相反，且钻杆和钻头的转向相反，月壤被螺旋叶片二和螺旋叶片一的向上传送直到送出内部排屑通道，进入收集装置内；若钻孔过程中有碎屑卡住螺旋叶片一或螺旋叶片二，导致螺旋叶片一和螺旋叶片二出现卡顿时，控制器控制驱动电机一的输出轴往复反转和正转，进而带动钻头和螺旋叶片二往复反转和正转，钻杆和螺旋叶片一往复正转和反转，同时各履带机构停止工作，月球车停止推动外壳向下运动，直至碎屑脱离螺旋叶片一或螺旋叶片二，螺旋叶片一和螺旋叶片二不再卡顿，控制器控制驱动电机一的输出轴继续正转，各履带机构继续工作，月球车继续推动外壳前进；完成钻孔任务后，控制器控制驱动电机一停止工作，月球车和各履带机构驱动外壳后退，直至退出孔道。