一种月面环境下钻具测试装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种月面环境下钻具测试装置，由上至下依次由钻具光轴、光轴接头、密封接头、引线接头、复合力传感器、传感器接头、钻杆接头、钻杆、钻头同轴连接。导电滑环套接在钻具光轴上；温度传感器周向均布于钻杆内壁；另4个温度传感器安装于钻头上4个测温点处，分别为钻头与钻杆接触点位置，钻进对象与钻头的钻孔壁面接触点位置，钻头外壁与钻进对象接触点位置，钻头的切削刃与钻进对象接触点位置。上述温度传感器与复合力传感器的信号线均通过导电滑环引出。本发明专利技术的优点为：可实时的测量钻具在真空热环境下的钻进压力、扭矩及温升情况；可以全方位的反应钻具的温升情况；且成功的避免钻具转动过程中，信号线会缠绕在钻具光轴上的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种月面环境下钻具测试装置
本专利技术属于空间资源探测领域，涉及一种月面环境下钻具测试装置，具体涉及一种真空高低温环境下钻具的钻压力、扭矩和温度的测试装置。
技术介绍
自古以来，人们就对月球寄予了真情的遐想和诗意的赞美，三千年前的中国就有嫦娥奔月的传说。月球历来是人类天文活动的首选目标，也是人类走出地球摇篮，迈向浩瀚宇宙的第一步。登上月球，建立永久基地，是人类开发太空资源，拓展生存空间至关重要的开端。美国、苏联和日本已先后在月球登陆，采集月壤样品并返回。面对新一轮的探月热潮，我国制定了三步走的嫦娥探月计划：即“绕”、“落”、“回”，其中前两步已经实现。中国嫦娥探月工程三期的主要任务为发射无人月面着陆器，进行钻取采样，并将采集的样品返回地球进行科学研究。根据项目规划要求，着陆器携带的钻取采样钻具需达到能够钻进至少2m深的月壤并采集样品。地面环境的钻采过程，预先都有对钻采地质层的初步勘探，选取适宜的钻采底层。钻采过程若出现卡钻、烧钻等故障，工作人员可以实时停止钻进，更换钻具、排除故障。且钻采的土样中含有大量的水汽，钻采对象热导率较大，且可以通过注水等形式辅助散热，钻具产生的热量能够很好的传递与扩散。月表环境极为苛刻，空气密度只有地球环境的1/1012，属于超高真空环境。月表温度正午时分可达130℃，午夜时分则低至-180℃，昼夜温差可达300℃左右。月壤的温度，随着深度的增加，300mm以下基本恒定在-30℃左右，属于低温环境。相比于地面环境的钻采过程，月表环境下的钻采过程中无法通过注水等形式辅助散热，加之月面的高真空、月壤极差的导热性和太阳辐射导致的恶劣工作环境，且钻探取样的月表地层充满未知性，极有可能遭遇月岩，从而使得取样过程中钻具达到很高的温度，致使结构件破坏甚至烧钻，造成钻采取样任务失败。此外，过高的温度也会对月壤产生不可知的影响，直接影响取样质量。如何验证钻具在月面环境中能够可靠工作、顺利完成钻取采样任务，已成为当前急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术为实现钻具在月面环境下稳定可靠的工作、避免采样失败，提出了一种月面环境下钻具测试装置，实现在一个模拟月球表面采样环境的真空热环境中进行钻取试验，测量、采集并分析钻具在钻进过程中自身和周围环境的温度变化情况，摸索钻进工况的最大热边界，识别热的传播以及耗散途径，可以为选择合理的钻具设计参数及钻进参数提供依据，为钻进规程研究提供参考。本专利技术月面环境下钻具测试装置，包括导电滑环、钻具光轴、光轴接头、密封接头、引线接头、复合力传感器、传感器接头、钻杆接头、钻杆、钻头、热电偶温度传感器。其中，导电滑环同轴套接在钻具光轴上；钻具光轴底端与光轴接头、密封接头、引线接头、复合力传感器、传感器接头、钻杆接头依次同轴连接。所述复合力传感器具有钻杆压力测量与扭矩测量功能。上述钻杆内部周向均布有热电偶温度传感器；钻头上安装有4个热电偶传感器，4个热电偶传感器分别位于钻头上4个测温点处，令4个测温点分别为1～4号测温点，则：1号测温点位于钻头与钻杆接触点位置。2号测温点位于钻进对象与钻头的钻孔壁面接触点位置。3号测温点位于钻头外壁与钻进对象接触点位置。4号测温点位于钻头的切削刃与钻进对象接触点位置。上述热电偶温度传感器与复合力传感器的信号线均通过导电滑环引出。本专利技术的优点在于：1、本专利技术月面环境下钻具测试装置，可以实时的测量钻具在真空热环境下的钻进压力、扭矩及温升情况，并将采集的数据存储起来；2、本专利技术月面环境下钻具测试装置，热电偶温度传感器布局全范围涵盖钻具，热电偶与钻具直接接触，可以全方位的反应钻具的温升情况；3、本专利技术月面环境下钻具测试装置，成功的避免钻具转动过程中，信号线会缠绕在钻具光轴上的问题。附图说明图1为本专利技术月面环境下钻具测试装置整体结构示意图；图2为本专利技术月面环境下钻具测试装置接头剖视及内部走线方式示意图；图3为本专利技术月面环境下钻具测试装置中光轴接头与密封接头对接方式示意图；图4为本专利技术月面环境下钻具测试装置中密封接头与引线接头对接方式示意图；图5为本专利技术月面环境下钻具测试装置中复合力传感器与引线接头对接方式示意图；图6为本专利技术月面环境下钻具测试装置中传感器接头与复合力传感器对接方式示意图；图7为本专利技术月面环境下钻具测试装置中钻杆接头与传感器接头对接方式示意图；图8为本专利技术月面环境下钻具测试装置中钻头上4处测温点位置示意图；图9为本专利技术月面环境下钻具测试装置钻头上热电偶安装孔开设位置示意图；图10为本专利技术月面环境下钻具测试装置中热电偶安装工装示意图；图11为本专利技术月面环境下钻具测试装置中热电偶安装工装伸入钻杆时位置示意图；图12为本专利技术月面环境下钻具测试装置中热电偶安装工装贴合钻杆时位置示意图；图13为本专利技术月面环境下钻具测试装置的信号传输采集系统结构框图；图14为本专利技术月面环境下钻具测试装置使用时安装方式示意图。图中：1-导电滑环2-钻具光轴3-光轴接头4-密封接头5-引线接头6-复合力传感器7-传感器接头8-钻杆接头9-钻杆10-钻头11-热电偶温度传感器12-航空插头13-光轴密封圈14-热电偶安装工装101-滑环转子102-滑环定子103-拨叉104-贵金属301-环形突起401-圆形凹槽402-环形凹槽403-圆形凸台A404-航空插头安装孔501-定位凹槽502-走线孔A503-圆柱凸起A504-螺纹孔A601-中心孔602-通孔A603-通孔B701-圆柱凸起B702-通孔C704-圆形凸台B801-螺纹孔B802-凹进台阶803-走线孔B10a-钻头孔壁10b-切削刃10c-热电偶安装孔10d-过线槽14a-热电偶安装槽具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。本专利技术月面环境下钻具测试装置，包括导电滑环1、钻具光轴2、光轴接头3、密封接头4、引线接头5、复合力传感器6、传感器接头7、钻杆接头8、钻杆9、钻头10、热电偶温度传感器11与航空插头12，如图1、图2所示。所述导电滑环1同轴套接在钻具光轴2上，位于钻具光轴2的顶端。导电滑环1为现有产品，具有滑环转子101、滑环定子102、拨叉103与内外两层筒状贵金属104。其中，滑环转子101同轴套在滑环定子102内，可相对滑环定子102转动。滑环转子101与钻具光轴2间相套，底端与钻具光轴2周向固定。滑环定子102顶部边缘位置安装有U型拨叉103，拨叉103的开口与固定在机架上的轴销配合，使轴销穿入拨叉103的开口，实现滑环定子102的周向定位。内外两层贵金属104位于滑环转子101与滑环定子102之间；内层贵金属104固定在滑环转子101外壁上；内层贵金属104固定在滑环定子102内壁上；通过内外两层贵金属使得在滑环转子101与滑环转子102相对转动过程中能够一直保持很好的接触(接触电阻为mΩ级别)，使得热电偶温度传感器11的信号线一直处于导通状态，且避免了钻具光轴2转动过程中热电偶温度传感器11的信号线缠绕在钻具光轴2外表面。所述钻具光轴2为空心轴，外表精加工、光滑，可与磁流体进行配合，用于动密封，内部空间可供信号线缆通过，钻具内各传感器信号通过信号线缆传输至钻具外部。钻具光轴2底端与光轴接头3、密封接头4、引线接头5、复合力传感器6、传感器接头7、钻杆接头8依次同轴连接。其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种月面环境下钻具测试装置，其特征在于：包括导电滑环、钻具光轴、光轴接头、密封接头、引线接头、复合力传感器、传感器接头、钻杆接头、钻杆、钻头、热电偶温度传感器；其中，导电滑环同轴套接在钻具光轴上；钻具光轴底端与光轴接头、密封接头、引线接头、复合力传感器、传感器接头、钻杆接头依次同轴连接；所述复合力传感器具有钻杆压力测量与扭矩测量功能；上述钻杆内部周向均布有热电偶温度传感器；钻头上安装有4个热电偶传感器，4个热电偶传感器分别位于钻头上4个测温点处，令4个测温点分别为1～4号测温点，则：1号测温点位于钻头与钻杆接触点位置；2号测温点位于钻进对象与钻头的钻孔壁面接触点位置；3号测温点位于钻头外壁与钻进对象接触点位置；4号测温点位于钻头的切削刃与钻进对象接触点位置；上述热电偶温度传感器与复合力传感器的信号线均通过导电滑环引出。

【技术特征摘要】
1.一种月面环境下钻具测试装置，其特征在于：包括导电滑环、钻具光轴、光轴接头、密封接头、引线接头、复合力传感器、传感器接头、钻杆接头、钻杆、钻头、热电偶温度传感器；其中，导电滑环同轴套接在钻具光轴上；钻具光轴底端与光轴接头、密封接头、引线接头、复合力传感器、传感器接头、钻杆接头依次同轴连接；所述复合力传感器具有钻杆压力测量与扭矩测量功能；上述钻杆内部周向均布有热电偶温度传感器；钻头上安装有4个热电偶温度传感器，4个热电偶温度传感器分别位于钻头上4个测温点处，令4个测温点分别为1～4号测温点，则：1号测温点位于钻头与钻杆接触点位置；2号测温点位于钻进对象与钻头的钻孔壁面接触点位置；3号测温点位于钻头外壁与钻进对象接触点位置；4号测温点位于钻头的切削刃与钻进对象接触点位置；上述热电偶温度传感器与复合力传感器的信号线均通过导电滑环引出；上述光轴接头、密封接头与引线接头间通过如下方式实现对接：密封接头上端面上同轴设计有圆形凹槽，在圆形凹槽外围设计有环形凹槽；光轴密封圈压入环形凹槽；光轴接头为筒状接头，下端面上同轴设计有环形凸起；装配时使环形突起与圆形凹槽周向配合，并使环形突起的端面与圆形凹槽底面接触；同时，光轴接头下端面与密封接头上端面接触，由光轴接头下端面将环形凹槽密封，且将光轴密封圈压紧在环形凹槽内；密封接头下端面同轴设计有圆形凸台A；引线接头上端面内圈同轴设计有定位凹槽；装配时使圆形凸台A与定位凹槽周向配合，并使圆形凸台A端面与定位凹槽底面接触；同时，密封接头下端面与引线接头上端面接触，可有效的保证密封接头和引线接头的同轴度；光轴接头、密封接头、引线接头周向上对应位置均布有法兰开孔；紧固螺栓穿过光轴接头、密封接头与引线接头上的法兰开孔，实现光轴接头、密封接头与引线接头间的对接锁紧；上述钻杆接头、传感器接头与复合力传感器间通过如下方式实现对接：传感器接头中心上端面同轴设计有圆柱凸起B；复合力传感器外围均布有通孔B，传感器接头外围对应位置周向均布有通孔C；钻杆接头外围对应位置周向上均布有螺纹孔B；传感器接头的下端面有圆形凸台B，钻杆接头上端面具有凹进台阶；装配时，使圆柱凸起B与复合力传感器的中心孔插接，并使钻杆接头上端面与复合力传感器的下端面贴合；传感器接头上的圆形凸台B与钻杆接头上的凹进台阶周向配合，并使圆形凸台B端面与凹进台阶底面接触；同时，使传感器接头下端面与钻杆接头上端面接触；随后通过紧固螺钉依次穿过复合力传感器与传感器接头上的通孔B、通孔C后，与钻杆接头上的螺纹孔B螺纹拧紧固定，将钻杆接头、传感器接头与复合力传感器间锁紧。2.如权利要求1所述一种月面环境下钻具测试装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁希仑，张涛，徐坤，张武翔，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11