【摘要】：回轉(zhuǎn)驅(qū)動部件是月面探測器鉆取采樣裝置的回轉(zhuǎn)動力輸出部件,為系統(tǒng)執(zhí)行末端的采樣鉆具提供足夠的回轉(zhuǎn)碎巖動力。回轉(zhuǎn)驅(qū)動部件由回轉(zhuǎn)電機及行星傳動部件兩部分組成,行星傳動部件由雙排2K-H型行星齒輪機構(gòu)串聯(lián)而成。與地面環(huán)境相比,月球表面環(huán)境具有很強的特殊性,它具有高真空、強輻射、晝夜溫差大等特點。本文將針對月面極端的環(huán)境條件,以行星傳動部件為研究對象,對其在月面工作過程中的溫升特性以及考慮溫度因素的動力學(xué)特性進行理論研究,并進行相應(yīng)的驗證試驗。月面晝夜溫差達到340℃以上,最高溫度超過160℃,月球的大氣壓力在10~(-10)kPa左右,在缺少氣體介質(zhì)的情況下,行星傳動部件產(chǎn)生的熱量無法實現(xiàn)熱對流,只能通過熱輻射和熱傳導(dǎo)的方式傳遞出去,過高的溫度會導(dǎo)致潤滑劑失效、材料強度下降以及電子元器件的不可逆損壞等嚴重后果。行星傳動部件是外殼固定的封閉結(jié)構(gòu),內(nèi)部零部件均圍繞自身軸線及中心軸線回轉(zhuǎn),無法直接測量其內(nèi)部溫度。本文將采用理論計算與試驗驗證相結(jié)合的方式,建立行星傳動部件溫升預(yù)測理論體系。首先使用熱網(wǎng)絡(luò)法對其內(nèi)部溫升進行理論計算,將其二維模型劃分為熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,計算節(jié)點間的輻射熱阻及導(dǎo)熱熱阻,根據(jù)熱節(jié)點間的傳熱關(guān)系得到行星傳動部件的熱網(wǎng)絡(luò)模型,基于擬Newton法進行求解,快速得到行星傳動部件內(nèi)部溫度場及溫升較高區(qū)域。其次使用有限元法對其內(nèi)部溫升進行仿真分析,在有限元軟件中建立行星傳動部件的三維模型,根據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)法的計算結(jié)果對模型合理劃分網(wǎng)格,對溫升較高的位置劃分細致的網(wǎng)格,準確設(shè)置接觸面并在相應(yīng)位置施加熱源載荷,實現(xiàn)基于有限元法的行星傳動部件內(nèi)部溫度場高效率計算。最后,引入一組工作參數(shù),得到行星傳動部件內(nèi)部溫度場的計算結(jié)果。為了驗證理論方法的正確性,基于高低溫真空箱搭建了模擬月面環(huán)境的溫升測試試驗平臺。通過改變工作轉(zhuǎn)速、工作負載和環(huán)境溫度,共進行了60組溫升對比試驗。通過對比熱網(wǎng)絡(luò)法計算結(jié)果、有限元法仿真結(jié)果與試驗測試結(jié)果,驗證了熱網(wǎng)絡(luò)法的正確性以及有限元法的準確性;通過對比熱網(wǎng)絡(luò)法與有限元法中相同節(jié)點的溫升值,確定了行星傳動部件內(nèi)部的溫度場分布及傳熱路徑;通過對比不同工作模式下的溫升結(jié)果,分析了工作轉(zhuǎn)速、工作負載及環(huán)境溫度對溫升的影響,并得到了行星傳動部件內(nèi)部溫度最高區(qū)域的溫升計算模型;最后引入一組行星傳動部件考核試驗的工作參數(shù),使用理論方法預(yù)測了內(nèi)部溫度場分布,基于計算結(jié)果指導(dǎo)并改善了采樣器的工作模式。基于理論與試驗相結(jié)合的研究方法,得到行星傳動部件溫度場預(yù)測體系,并對實際工程進行指導(dǎo)。行星傳動部件在月面工作過程中,溫度的大范圍變化會對其齒形及傳動特性產(chǎn)生顯著的影響,本文研究了漸開線直齒圓柱齒輪輪齒受熱變形機理,得到了發(fā)生熱變形后的實際齒廓極坐標參數(shù)方程,繪制了齒側(cè)間隙及嚙合剛度隨溫度的變化曲線。建立了36自由度的行星傳動部件平移-扭轉(zhuǎn)動力學(xué)模型,在模型中考慮了時變嚙合剛度、嚙合阻尼、齒側(cè)間隙、誤差等因素。在Matlab軟件中編寫程序并求解了系統(tǒng)動力學(xué)模型,得到了行星傳動部件固有頻率及對應(yīng)的振型。基于振動臺進行了行星傳動部件固有特性測試試驗,試驗結(jié)果驗證了理論模型的正確性。最后引入溫度因素,分別計算了300℃和-300℃條件下行星傳動部件的固有頻率及振型,研究了溫度對固有特性的影響。為了避免剛度與響應(yīng)之間由于量級相差過大而產(chǎn)生誤差,將運動微分方程組進行無量綱化處理。基于Runge-Kutta法編寫求解程序,對運動微分方程組進行了求解。通過時域響應(yīng)歷程、相平面圖、Poincare映射圖等分析手段,對各構(gòu)件在各方向上的振動響應(yīng)進行了研究。搭建了行星傳動部件測試試驗臺,通過改變工作轉(zhuǎn)速和負載進行了對比試驗,測試行星傳動部件在不同工況下的時域及頻域特性,對比了轉(zhuǎn)速和負載對振動響應(yīng)的影響。最后,引入溫度因素,基于分岔理論,研究了嚙合剛度、嚙合誤差和阻尼比等隨溫度變化的參數(shù)對系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響。
【圖文】：

圖 1-1 Apollo 載人登月記錄照片F(xiàn)ig. 1-1 Apollo manned lunar landing photos（2）環(huán)境溫度。月球表面為超高真空狀態(tài)，由于缺少大氣層的保護，直射時的最高溫度能夠達到 160℃，夜間的最低溫度低于-180℃，遠遠超地球表面的環(huán)境溫度范圍。

間存在彈性接口，當(dāng)鉆壓力過大時，鉆機將短暫停止進尺，通過鉆桿壓機內(nèi)部的彈性離合器，啟動沖擊功能。在 Luna 24 探測任務(wù)中，由于鉆程中的鉆壓力急劇上升，兩次出現(xiàn)過熱報警，最終在 2.25m 處被迫停止，采取月壤長度為 1.6m，獲取 170g 月壤[14,15]。Lunar 16 和 Lunar 20 探示意圖如圖 1-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V476.3

【參考文獻】

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