Page 215 - 《振动工程学报》2026年第2期

第 39 卷第 2 期 振 动 工 程 学 报 Vol. 39 No. 2
2026 年 2 月 Journal of Vibration Engineering Feb. 2026

双 侧 磁 力 驱 动 式 双 体 振 贯 采 样 器 设 计 与 分 析

张春光 ， 赵 川 ， 孙 凤 ， 薄久旺 ， 张伟伟 ，
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1
1
2
1
赵海宁 ， 张晓友 ， 刘雅芳 ， 姜生元 2
1,3
4
1
（1. 沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870； 2. 哈尔滨工业大学机器人技术与系统全国重点实验室，
黑龙江 哈尔滨 150001； 3. 日本工业大学机械工学科，埼玉 345-8501； 4. 中国空间技术研究院，北京 100094）
摘要：本文针对未来中国探月工程中嫦娥七号在月球极区进行月壤水冰采样的任务，设计了一款磁力驱动式双体振贯采样
器。采样器利用磁力驱动两个质量体交错运动，产生高频冲击，对月壤水冰进行高效掘进和采样。该采样器具有轻量化、大
出力和低反力的特点。本文对关键零部件进行详细设计和仿真分析，确定驱动力与气隙的关系，并建立了采样器的工作模
型，仿真得出各个振动组的工作振幅状态。研究选用与月壤水冰抗压强度、物理机械特性相似的耐火砖来模拟月壤水冰，进
行月壤水冰掘进验证试验。结果表明，2 A 的交变电流幅值、40% 的占空比和 30 Hz 的掘进频率是最优的掘进参数。
关键词： 双体振贯；采样器；磁力驱动；月壤水冰采样
中图分类号：TH212；TH213.3 文献标志码：A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202401021

Design and analysis of double side magnetic force drive double body
vibration penetration sampler

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ZHANG Chunguang ，ZHAO Chuan ，SUN Feng ，BO Jiuwang ，ZHANG Weiwei ，
1
2
1
1
1
1,3
4
ZHAO Haining ，ZHANG Xiaoyou ，LIU Yafang ，JIANG Shengyuan 2
（1.School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China；
2.State Key Laboratory of Robotics and Systems，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；
3.Department of Mechanical Engineering，Nippon Institute of Technology，Saitama 345-8501，Japan；
4.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）
Abstract：In this paper，a novel magnetic drive double body vibration penetration sampler is designed for the future mission of Chang’e-7 in
China’s lunar exploration project to sample lunar soil water ice in the polar region of the Moon. The sampler utilizes magnetic force to drive two
mass bodies to move in a staggered manner，generating high-frequency impacts to excavate efficiently and sample lunar soil water ice. The
sampler is characterized by low weight，high output force，and low reaction forces. The key components are analyzed through detailed design
and simulation to determine the relationship between the driving force and the air gap，and the working model of the sampler is established to
simulate the operating amplitude state of each vibration group. Refractory bricks with compressive strength and physico-mechanical properties
similar to lunar soil water ice are adopted to act as lunar soil water ice. A lunar soil water ice digging verification test is conducted. The results
show that an alternating current amplitude of 2 A，a duty cycle of 40%，and a digging frequency of 30 Hz are the optimal digging parameters.

Keywords：double body vibration penetration；sampler；magnetic force drive；lunar soil water ice sampling

1959 年以来，人类共进行了 123 次月球探测，其 采样 [3-4] 。美国“好奇号”火星探测器发射，其携带的
中包括 10 次载人探测。美国率先实现载人登月并 钻探采样装置主要由回转机构与激振机构组成。驱
取回了大量的月球样品，苏联则依靠无人采样取回 动电机输出转矩，经由齿轮机构传递给钻杆，从而驱
[1]
了几百克的月球土壤样品 ，中国嫦娥五号携带 1731 g 动钻杆做回转运动。激振机构通过激振弹簧释放能
月球样品顺利返回地球 。美国阿波罗载人登月工 量，驱动激振块撞击钻杆尾端，为钻具提供破碎岩石
[2]
程中，宇航员手持铲子、钻机等采样工具进行月壤 的 能 量， 并 为 粉 末 状 岩 屑 的 排 出 提 供 便 利 条 件 。
[5]

收稿日期：2024-01-09；修订日期：2024-03-13
基金项目：国家自然科学基金资助项目 (52375258)；中国博士后科学基金面上项目（2022M722223）；辽宁省自然科学基金
计划项目（2023-BS-127）；辽宁省“揭榜挂帅”科技重大专项（2022JH1/10400027）；辽宁省“揭榜挂帅”科技重点
专项（2022JH1/10800081）