Page 221 - 《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 537

器，通过滑台控制电磁气隙的大小，滑台的负载不足 铁之间的加工误差导致的。

以承受电磁力，因此支架上下连接着螺母，螺母的固
定使得传感器支架承受电磁力（传感器支架连接振 传感器支架 电涡流
转接件 传感器
动组Ⅱ ，因此相当于承受内力）。通过 dSPACE 控制
采样器工作，分别输入 1、1.5 和 2 A 恒定电流，共测
量 6 组数据点（气隙分别为 0.1、0.3、0.6、0.9、1.2 和
1.5 mm）。

图 21 工作振幅试验

Fig. 21 Working amplitude experiment
传感器
支架 滑台
力传感器 6
30 Hz 40 Hz 50 Hz
转接件 力传感器 5
显示屏
工作振幅 / mm 4
图 19 电磁力测量试验台
Fig. 19 Electromagnetic force measurement test bench 3

试验结果如图 20 所示。可以看出，电磁力随着 2
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
电流增大而增大，且电磁力随着电磁铁与衔铁间的 时间 / s

气隙缩短而增大，两者之间呈二次方关系。随着两 图 22 工作振幅随频率变化曲线图
振动组之间相对位移的增大，电磁气隙逐渐减小，驱 Fig. 22 Working amplitude at different frequencies

动力增强。本设计充分利用了电磁力对气隙变化的
敏感性，有助于提升冲击贯入效果。三种电流情况 3.5 模拟采样试验
试验结果均略小于仿真结果，可能是加工驱动单元
为了验证磁力驱动式采样器对模拟月壤水冰的
时缠绕线圈的匝数误差导致的。 实际掘进效果，以及电流幅值、占空比、电流频率对

350
1 A 实际掘进效果的影响，采用控制变量的方式，分别调
300
1.5 A 整不同的参数进行采样器掘进试验。
2 A
电磁力 / N 250 响采样器的掘进效率。占空比是指单个周期内电流
通入不同的电流幅值会改变驱动力的大小，影
200
150
100
的通入时间，不同的占空比和不同的频率会影响采
50
0 样器的工作步调，从而影响实际的掘进效果。
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5
如图 23 所 示 为 模 拟 采 样 试 验 台 ， 采 样 器 通 过
气隙 / mm
上、下两外部板弹簧固定在固定套筒上，固定套筒

图 20 电磁力与气隙之间的关系曲线
连接滑块滑轨，对采样器没有预压力，模拟采样器安
Fig. 20 Relation curve between electromagnetic force and
装在机械臂末端的真实工况。将绳子穿过吊环螺
air gap

钉，一端链接套筒上部，另一端通过滑轮连接砝码，
3.4 采样工作振幅试验 来抵消采样器和固定套筒等工装的部分质量。以此
模拟月球的低重力环境，依靠采样器剩余 1/6 质量，
如图 21 所示，位移传感器固定在采样器上端支
进行低重力自重采样。
架上，采样器上连接转接件。转接件材料为 304 不
锈钢，位移传感器通过测量转接件的振动幅值得到
采样器的工作幅值。位移传感器采集到的模拟梁信
滑 固定套筒
号通过 dSPACE 的 A/D 转换成数字信号，并最终得 上
砝 轨 下
到采集振动组Ⅰ 的工作振幅。dSPACE 控制采样器 码 两
板
工作，输入 2 A 电流幅值，30~50 Hz 的工作频率，测 弹
簧
吊环螺钉
量其工作振幅。试验结果如图 22 所示，各个工作频
率的工作振幅基本保持一致，不随工作频率的变化 图 23 采样器掘进试验
而改变，与仿真结果一致，但工作振幅在 1.44 mm 左 Fig. 23 Sampler driving test
右，未达到设计振幅（1.5 mm），可能是软铁骨架与衔 采 样 器 掘 进 试 验 的 掘 进 频 率 设 定为 30~50 Hz，