月面钻取采样行星传动部件温升及动力学特性研究

发布时间：2020-05-25 03:10

【摘要】：回转驱动部件是月面探测器钻取采样装置的回转动力输出部件,为系统执行末端的采样钻具提供足够的回转碎岩动力。回转驱动部件由回转电机及行星传动部件两部分组成,行星传动部件由双排2K-H型行星齿轮机构串联而成。与地面环境相比,月球表面环境具有很强的特殊性,它具有高真空、强辐射、昼夜温差大等特点。本文将针对月面极端的环境条件,以行星传动部件为研究对象,对其在月面工作过程中的温升特性以及考虑温度因素的动力学特性进行理论研究,并进行相应的验证试验。月面昼夜温差达到340℃以上,最高温度超过160℃,月球的大气压力在10~(-10)kPa左右,在缺少气体介质的情况下,行星传动部件产生的热量无法实现热对流,只能通过热辐射和热传导的方式传递出去,过高的温度会导致润滑剂失效、材料强度下降以及电子元器件的不可逆损坏等严重后果。行星传动部件是外壳固定的封闭结构,内部零部件均围绕自身轴线及中心轴线回转,无法直接测量其内部温度。本文将采用理论计算与试验验证相结合的方式,建立行星传动部件温升预测理论体系。首先使用热网络法对其内部温升进行理论计算,将其二维模型划分为热网络节点,计算节点间的辐射热阻及导热热阻,根据热节点间的传热关系得到行星传动部件的热网络模型,基于拟Newton法进行求解,快速得到行星传动部件内部温度场及温升较高区域。其次使用有限元法对其内部温升进行仿真分析,在有限元软件中建立行星传动部件的三维模型,根据热网络法的计算结果对模型合理划分网格,对温升较高的位置划分细致的网格,准确设置接触面并在相应位置施加热源载荷,实现基于有限元法的行星传动部件内部温度场高效率计算。最后,引入一组工作参数,得到行星传动部件内部温度场的计算结果。为了验证理论方法的正确性,基于高低温真空箱搭建了模拟月面环境的温升测试试验平台。通过改变工作转速、工作负载和环境温度,共进行了60组温升对比试验。通过对比热网络法计算结果、有限元法仿真结果与试验测试结果,验证了热网络法的正确性以及有限元法的准确性;通过对比热网络法与有限元法中相同节点的温升值,确定了行星传动部件内部的温度场分布及传热路径;通过对比不同工作模式下的温升结果,分析了工作转速、工作负载及环境温度对温升的影响,并得到了行星传动部件内部温度最高区域的温升计算模型;最后引入一组行星传动部件考核试验的工作参数,使用理论方法预测了内部温度场分布,基于计算结果指导并改善了采样器的工作模式。基于理论与试验相结合的研究方法,得到行星传动部件温度场预测体系,并对实际工程进行指导。行星传动部件在月面工作过程中,温度的大范围变化会对其齿形及传动特性产生显著的影响,本文研究了渐开线直齿圆柱齿轮轮齿受热变形机理,得到了发生热变形后的实际齿廓极坐标参数方程,绘制了齿侧间隙及啮合刚度随温度的变化曲线。建立了36自由度的行星传动部件平移-扭转动力学模型,在模型中考虑了时变啮合刚度、啮合阻尼、齿侧间隙、误差等因素。在Matlab软件中编写程序并求解了系统动力学模型,得到了行星传动部件固有频率及对应的振型。基于振动台进行了行星传动部件固有特性测试试验,试验结果验证了理论模型的正确性。最后引入温度因素,分别计算了300℃和-300℃条件下行星传动部件的固有频率及振型,研究了温度对固有特性的影响。为了避免刚度与响应之间由于量级相差过大而产生误差,将运动微分方程组进行无量纲化处理。基于Runge-Kutta法编写求解程序,对运动微分方程组进行了求解。通过时域响应历程、相平面图、Poincare映射图等分析手段,对各构件在各方向上的振动响应进行了研究。搭建了行星传动部件测试试验台,通过改变工作转速和负载进行了对比试验,测试行星传动部件在不同工况下的时域及频域特性,对比了转速和负载对振动响应的影响。最后,引入温度因素,基于分岔理论,研究了啮合刚度、啮合误差和阻尼比等随温度变化的参数对系统动力学特性的影响。
【图文】：

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图 1-1 Apollo 载人登月记录照片Fig. 1-1 Apollo manned lunar landing photos（2）环境温度。月球表面为超高真空状态，由于缺少大气层的保护，直射时的最高温度能够达到 160℃，夜间的最低温度低于-180℃，远远超地球表面的环境温度范围。

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间存在弹性接口，当钻压力过大时，钻机将短暂停止进尺，通过钻杆压机内部的弹性离合器，启动冲击功能。在 Luna 24 探测任务中，由于钻程中的钻压力急剧上升，两次出现过热报警，最终在 2.25m 处被迫停止，采取月壤长度为 1.6m，获取 170g 月壤[14,15]。Lunar 16 和 Lunar 20 探示意图如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V476.3

【参考文献】