Page 219 - 《振动工程学报》2026年第2期

第 2 期 张春光，等：双侧磁力驱动式双体振贯采样器设计与分析 535

环形槽。进行掘进采样时，月壤通过间距为 1.5 mm 1.5
1.0
的环形槽依次运移至月表。在采样器进行振动冲击 0.5
振动组Ⅰ
贯入时，机具周围月壤颗粒进入采样仓和表面环形 振动位移 / mm 0 振动组Ⅱ
3
槽，实现采样。采样仓的总体积为 264 mm ，最多可 −0.5
装容 0.546 g 月壤。 −1.0
−1.5 10 10.0210.0410.0610.0810.10 10.01
采样仓 10
时间 / s

图 11 振动组运动状态
Fig. 11 State of motion of the vibrating groups

3 采 样 器 试 验 研 究

图 9 机具模型图 3.1 试验台搭建
Fig. 9 Machine model diagram

模拟采样试验原理如图 12 所示。采样器的电控

2.5 工作模型 箱由驱动器及开关电源组成，24 V 的开关电源为两
个驱动器供电，两个驱动器分别驱动采样器上、下
采样器的工作原理为：电磁驱动两质量体交错
两侧的驱动单元。计算机运用 Simulink 编辑采样器
运动产生高频冲击，对月壤水冰进行掘进采样，依靠
工作的控制框图，通过 dSPACE 的 A/D 口输出控制
自身月面重力进行掘进，不对机械臂产生反力。两 信号，使得电控箱驱动采样器进行试验。采样器连
振动组通过上、下两板弹簧相连接，可简化为弹簧 接 的 力/位 移 传 感 器 输 出 返 回 信 号 ， 通 过 dSPACE
双振子模型，如图 10 所示。系统阻尼系数 c=4 N·s/m， 的 D/A 口转换为数字量，供计算机读取。试验装置
弹簧刚度系数 k=22.1 N/mm，电磁力为 F c 。 实物图如图 13 所示。

x 1
控制信号 输出电流
c k 电控箱
控制与
x 2
数据采集
m 1
电磁铁
m 2
F c F c
计算机 dSPACE 采样器
力/位移传感器
力/位移传感

图 10 采样器工作的系统模型 力/位移数据 器变送器 传感器信号

Fig. 10 System model of sampler operation 图 12 模拟采样试验原理图

基于弹簧双振子模型，建立的采样器系统模型为： Fig. 12 Schematic diagram of simulated sampling test


m 1 ¨x 1 = k(x 2 − x 1 )+c(˙x 2 − ˙x 1 )−m 1 g+ F c
 （1）
 采

样
 m 2 ¨x 2 = −k(x 2 − x 1 )−c(˙x 2 − ˙x 1 )−m 2 g− F c
其中， 器
样


x 1 = −x 2 机
 。 dSPACE


 ˙x 1 = −˙x 2
式（1）可简化为：


m 1 ¨x 1 = −2kx 1 −2c˙x 1 −m 1 g+ F c
开关电源



计算机
 m 2 ¨x 2 = −2kx 2 −2c˙x 2 −m 2 g+ F c
将采样器工作频率为 50 Hz、电流幅值为 2 A 时
驱动器
所产生的电磁力代入上述模型，通过 MATLAB 中的
Simulink 模块进行运动仿真分析，其中两振动组运动 图 13 模拟采样试验实物图
Fig. 13 Physical drawing of simulated sampling test
情况如图 11 所示，图右侧为 10s 时的放大图。
可以看出，两振动组依次交替作用于月壤，振动
3.2 柔性支撑板弹簧刚度试验
组能达到的最大振动幅值为 1.5 mm，并且在最大振
动幅值处有一段时间停留，这种工作方式提高了采 3.2.1 轴向刚度试验
样器的掘进贯入能力。 柔性支撑板弹簧是采样器重要的零部件，板弹