CN101879477A - 深海钴结壳、热液硫化物采掘剥离试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟开采深海钴结壳、热液硫化物的试验装置。其特征在于储料滑台水平放置在试验台机架上，内装填钴结壳、热液硫化物或其模拟料，上层可注入一定深度的水，由进退液压马达通过链传动驱动其进退；机械式截割头由截割液压马达驱动，并由两个升降液压缸控制切削深度，其内部同轴安装质量、偏心距可调的偏心块，随截割头回转产生激振力附加在截割头上对矿料进行振动破碎；高压水射流的喷嘴高度、角度均可调，并通过控制阀来改变高压水压力和流量；试验装置配有相应的测试系统。本发明装置可实现机械式、水力式、机械-振动式、机械-水力式、机械-振动-水力式等多种方法的破碎试验，并可进行不同采掘方式的性能比较和参数优化。

Description

深海钴结壳、热液硫化物采掘剥离试验装置

技术领域

本发明涉及一种海底矿产资源采掘剥离方法的模拟试验装置，尤其是涉及深海钴结壳、热液硫化物采掘剥离方法的性能优化模拟试验装置。

背景技术

大洋底部蕴藏着丰富的矿产资源，随着陆地矿产资源的日趋减少，开发国际海底矿产资源已成为国内外研究的热点，其中钴结壳、热液硫化物、多金属结核等海洋矿产资源是最有商业和国防开发价值的矿产资源，而且热液硫化物有可能最先进入商业开采。

钴结壳、热液硫化物开采的第一步就是要将其破碎剥离。目前提出的方法有螺旋滚筒式切削、盘刀或拖刀式切削、冲击或振动破碎、高压水射流剥离等。

但是，因为海底作业环境的特殊性，这些方法能否在海底矿物资源的商业性开采中得到成功的应用尚有待深入研究和验证。目前还没有一种试验装置将这几种方法集中到一起进行性能测试和优化试验，为了确保商业开采的可行性，有必要先在实验室内进行模拟试验，研究比较各种采掘破碎方法，并对其性能参数进行优化，为钴结壳、热液硫化物的商业性开采提供理论依据。

发明内容

本发明目的在于提供一种对钴结壳和热液硫化物进行机械式、水力式、机械-振动式、机械-水力式、机械-振动-水力式等多种方法的破碎试验装置，用来进行不同采掘方式的性能比较和参数优化，为最佳破碎方式的选择提供理论依据。

本发明通过以下技术方案实现，本发明包括：链轮、储料滑台、喷嘴上滑动支架、齿轮箱、手轮、截割头、摆臂、摆臂立柱、试验台机架、进退液压马达、链条、升降液压缸、截割头支架、喷嘴下支架、分流轴、喷嘴、扭矩传感器、截割轴、联轴器、截割液压马达、编码器、偏心块等。储料滑台通过链条与链轮、进退液压马达连接；截割头安装于截割轴上，由试验台机架和摆臂固定，截割轴通过联轴器联接截割液压马达驱动截割头回转；液压缸一端固定在截割头支架上另一端连接截割轴，驱动截割头升降；偏心块与截割头同轴安装；喷嘴与分流轴联接，分流轴固定在喷嘴上滑动支架，通过喷嘴上滑动支架在喷嘴下支架上的移动来调节喷嘴高度，分流轴一端连接用来调节角度的齿轮箱，另一端固定在有内衬的喷嘴上滑动支架内，采用轴端挡圈定位；高压水射流发生装置由电机带动高压水泵，通过控制阀调节高压水的压力和流量实现水力式破碎。

所述的储料滑台内装填钴结壳、热液硫化物或其模拟料，再注入一定深度的水，以模拟水下破碎矿料；储料滑台通过链条与链轮由进退液压马达驱动，进退液压马达的正反转实现储料滑台的前进和后退。

所述的机械式截割头按双螺旋线或多螺旋线均布(刀形、镐形或者其实形状)截齿，根据需要可在截割头内部加装质量、偏心距可调的偏心块，二者同轴安装，由截割液压马达驱动，由升降液压缸驱动截割头升降来控制切削深度；回转过程中偏心块产生的激振力附加在截割头上对矿料进行振动剥离辅助破碎。

所述的高压水射流发生装置由电机带动高压水泵，通过调节喷嘴上滑动支架与喷嘴下支架的联接螺栓位置改变喷嘴的高度，通过手轮、齿轮箱改变喷嘴的角度，通过控制阀调节高压水的压力和流量实现水力式破碎。

本发明装置结构紧凑，可实现机械式、水力式、机械-振动式、机械-水力式、机械-振动-水力式等多种方法的破碎试验，并配有相应的测试系统用来进行不同采掘方式的性能比较。在破碎时储料滑台内有一定深度的水，用来模拟水下破碎矿料。截割头、偏心块由同一截割液压马达驱动，通过改变液压系统压力、流量来改变截割速度、截割深度等参数，布置合理，操作方便。高压水射流发生装置由电机带动高压水泵，通过控制阀调节高压水的压力和流量，通过调节喷嘴的角度和高度得到不同的水力式破碎参数。

附图说明  图1深海钴结壳、热液硫化物采掘剥离试验装置主视图

          图2深海钴结壳、热液硫化物采掘剥离试验装置俯视图

          图3截割头及振动破碎部件主视图

          图4截割头及振动破碎部件A-A视图

具体实施方式  如图2所示，本发明公开了一种钴结壳和热液硫化物采掘剥离方法及其相应的性能优化模拟试验装置。试验装置主要由链轮1、储料滑台2、喷嘴上滑动支架3、齿轮箱4、手轮5、截割头6、摆臂7、摆臂立柱8、试验台机架9、进退液压马达10、链条11、升降液压缸12、截割头支架13、喷嘴下支架14、分流轴15、喷嘴16、扭矩传感器17、截割轴18、联轴器19、截割液压马达20、编码器21、偏心块22等组成。试验台机架9与地面可靠联接，储料滑台2置于试验台机架9上，储料滑台2由进退液压马达10通过链条11与链轮1来驱动；截割头6安装于截割轴18上，由截割头支架13和摆臂7固定，摆臂7安装于摆臂立柱8上，截割液压马达20带动与其联接的联轴器19和截割轴18来驱动截割头6回转，升降液压缸12一端固定在截割头支架13上，另一端连接截割轴18，驱动截割头6升降；偏心块22与截割头6同轴安装于截割轴18上；液压泵站为进退液压马达10、升降液压缸12、和截割液压马达20提供动力源；喷嘴16与分流轴15联接，分流轴15固定在喷嘴上滑动支架3上，通过喷嘴上滑动支架3在喷嘴下支架14上的移动来调节喷嘴16的高度，分流轴15一端连接用来调节角度的齿轮箱4，另一端固定在有内衬的喷嘴上滑动支架3内，采用轴端挡圈定位；高压水射流装置通过电机、高压水泵及控制阀调节高压水的压力和流量。

Claims (7)

1.一种深海钴结壳、热液硫化物采掘剥离试验装置，主要由链轮(1)、储料滑台(2)、喷嘴上滑动支架(3)、齿轮箱(4)、手轮(5)、截割头(6)、摆臂(7)、摆臂立柱(8)、试验台机架(9)、进退液压马达(10)、链条(11)、升降液压缸(12)、截割头支架(13)、喷嘴下支架(14)、分流轴(15)、喷嘴(16)、扭矩传感器(17)、截割轴(18)、联轴器(19)、截割液压马达(20)、编码器(21)、偏心块(22)等组成。其特征在于：储料滑台(2)采用链传动由链轮(1)与进退液压马达(10)通过链条(11)连接实现进退；截割头(6)通过两个摆臂(7)与摆臂立柱(8)联接，通过两个升降液压缸(12)与截割头支架(13)联接，截割头(6)与偏心块(22)同轴安装在截割轴(18)上，由截割液压马达(20)驱动截割头(6)回转，由升降液压缸(12)驱动实现升降运动；喷嘴(16)与分流轴(15)联接，分流轴(15)固定在喷嘴上滑动支架(3)上，通过喷嘴上滑动支架(3)在喷嘴下支架(14)上的移动来调节喷嘴(16)高度。

2.根据权利要求1所述的深海钴结壳、热液硫化物采掘剥离试验装置，其特征在于：储料滑台(2)由进退液压马达(10)通过链条(11)连接链轮(1)来驱动，进退液压马达(10)的正反转实现储料滑台(2)的前进和后退，储料滑台(2)下层装填矿料上面注入一定深度的水，用来模拟水下破碎矿料。

3.根据权利要求1所述的深海钴结壳、热液硫化物采掘剥离试验装置，其特征在于：机械式截割头(6)按双螺旋线或多螺旋线均布(刀形、镐形或其它形状)截齿，通过更换截割头(6)可以获得不同的截齿布置方式；截割头(6)由两边升降液压缸(12)的伸缩来改变截割深度，两个升降液压缸(12)活塞杆伸出距离不同得到不同的倾斜角度以适应不平整的矿料表面。

4.根据权利要求1所述的深海钴结壳、热液硫化物采掘剥离试验装置，其特征在于：偏心块(22)与截割头(6)同轴安装，由截割液压马达(20)驱动，偏心质量和偏心距均可调节，从而得到不同的激振力。

5.根据权利要求1所述的深海钴结壳、热液硫化物采掘剥离试验装置，其特征在于：高压水射流采用多个喷嘴(16)线性布置，齿轮箱(4)内装有能自锁的蜗轮蜗杆机构，转动手轮(5)使齿轮箱(4)中蜗轮蜗杆发生微小转动来调节喷嘴(16)角度；分流轴(15)两端连接喷嘴上滑动支架(3)，通过调节喷嘴上滑动支架(3)与喷嘴下支架(14)的联接螺栓位置改变喷嘴(16)的高度。

6.根据权利要求1所述的深海钴结壳、热液硫化物采掘剥离试验装置，其特征在于：由机械截割头、振动破碎部件和高压水射流装置单独或联合作用破碎矿料。

7.根据权利要求1所述的深海钴结壳、热液硫化物采掘剥离试验装置，其特征在于：所述的测试系统由工控机(内装数据采集卡)、扭矩传感器(17)、编码器(21)、压力传感器、流量传感器、应变片、动态应变仪和高速摄像仪等组成，用来测试破碎过程中的截割力、截割扭矩、水射流压力、流量和能耗，并可测试钴结壳、热液硫化物破碎过程中的应力、应变的变化规律，用于分析矿料裂纹的产生、扩展路径和能量耗散，为不同破碎方式的性能比较和参数优化提供依据。

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