CN106837337B - 一种机械式海底采矿提升系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种机械式海底采矿提升系统，涉及海洋矿产资源开采设备领域。该系统包括支撑立管、提升机构、矿物存储容器、矿物提升容器和驱动机构，提升机构包括上滑轮组件、下滑轮组件、和第一提升钢缆组件；上滑轮组件设置于支撑立管的上端，矿物存储容器和下滑轮组件均设置于支撑立管的下端；矿物存储容器的底部设置有可开合的排矿口；驱动机构与上滑轮组件传动连接，上滑轮组件和下滑轮组件通过第一提升钢缆组件传动连接；第一提升钢缆组件上设置有多个第一挂钩组件，矿物提升容器上设置有用于将矿物提升容器挂设在第一挂钩组件上的第一提升支撑杆。本发明实施例提供的机械式海底采矿提升系统结构简单，提升高效可靠，经济效益好。

Description

一种机械式海底采矿提升系统

技术领域

本发明涉及海洋矿产资源开采设备领域，具体而言，涉及一种机械式海底采矿提升系统。

背景技术

地球上大部分面积都覆盖着水，在海洋不同深处，蕴藏着大量的海底矿产，其储备量和含量，都是大陆无法比拟的，由于矿产不同于石油，要从海底把矿物运输到陆地上，这与石油开采具有很大的不同。一方面，其输送难度较大，另一方面，生产效率和经济性也是一个重要的考虑因素。同时，由于在深海开采，技术难度和复杂性都非常高，这就对技术要求方案提出了很大的挑战。

一般情况下，一套完整的海底采矿系统包括如下几个组成部分：

海底采矿车，包括深海矿物切削机器，研磨机器，收集机器等，负责海底矿产开采，矿物碎化颗粒成型及矿物收集，并将其输送到提升系统的矿物储存容器里。

矿物提升系统，负责将储存在提升系统底部的矿物储存容器里的矿物通过提升装置输送到海面船上。

海面采矿船：负责整个采矿系统的组织，操作，矿物收集，海底操作组织和控制等。是整个系统组织，管理及控制中心。

矿物转运船(系统)：将海面采矿船上的所采集的矿物，在经过初步处理后，再转运到岸上进行矿物加工。

海底采矿车工作在海底，进行矿产开采和收集，它通过专用软管和提升系统底部的矿物储存容器相连接，这就保证了在提升系统相对固定的位置上，海底采矿车可以在四周一定范围内开展采矿活动，形成一定区域的采矿区。通常情况下，在同一提升系统的支撑下，可以部署多个采矿车进行采矿，以提高效率。它将所收集的矿物输送到提升系统底部的矿物储存容器中；提升系统则负责将矿物储存容器中的矿物从海底提升到位于海面的海面支撑船中，提升系统顶部和海面采矿船相连接；而海面开采船则负责对整个采矿过程的控制、工作流程组织、管理及操作、能源输送、矿物初步处理及储存等功能：矿物转运船(系统)则将初步处理的矿物转运到岸基系统进行进一步加工。

目前处于正在研究和实验验证，以及初步应用阶段所采用的提升系统主要包括：“空气提升系统”、“液力提升系统”、“机械式提升系统”等主要方式。然而，由于深度的增加，现有的提升系统大都存在耗能高、效率低、成本大及安全性低等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种机械式海底采矿提升系统以改善上述问题。

本发明是这样实现的：

一种机械式海底采矿提升系统，包括：支撑立管、提升机构、矿物存储容器、矿物提升容器和驱动机构，所述提升机构包括上滑轮组件、下滑轮组件、和第一提升钢缆组件；

所述支撑立管的上端与采矿船连接，所述上滑轮组件设置于所述支撑立管的上端，所述矿物存储容器和所述下滑轮组件均设置于所述支撑立管的下端；

所述矿物存储容器用于通过采矿输送软管与采矿车连通，所述矿物存储容器的底部设置有可开合的排矿口；

所述驱动机构与所述上滑轮组件传动连接，所述上滑轮组件和所述下滑轮组件通过所述第一提升钢缆组件传动连接；

所述第一提升钢缆组件上设置有多个第一挂钩组件，所述矿物提升容器上设置有用于将所述矿物提升容器挂设在所述第一挂钩组件上的第一提升支撑杆；

所述上滑轮组件可转动的带动挂设在所述第一挂钩组件上的所述矿物提升容器上升。

与现有技术相比，本发明的提供的机械式海底采矿提升系统整个结构及运行简单，具有高的提升效率及可靠性，经济效益好的特点，对于海海况较好，且采矿深度不是太深的环境下，是一个可行的和可选择的提升手段。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的机械式海底采矿提升系统的结构示意图。

图2为图1中II处的局部放大图。

图3为支撑立管的安装效果图。

图4为机械式海底采矿提升系统位于支撑立管下端部分的第一视角的结构示意图。

图5为机械式海底采矿提升系统位于支撑立管下端部分的第二视角的结构示意图。

图6为第一挂钩组件与矿物提升容器的安装效果图。

图7为分离机构的结构示意图。

图8为并入机构的结构示意图。

图标：100-支撑立管；200-提升机构；210-上滑轮组件；220-下滑轮组件；230-第一提升钢缆组件；2301-第一提升钢缆；2302-第二提升钢缆；231-第一挂钩组件；2311-第一挂钩；2312-第二挂钩；2313-挂钩连接板；300-矿物存储容器；310-排矿口；320-进矿口；330-限位开关；400-矿物提升容器；410-第一提升支撑杆；420-第二提升支撑杆；430-导向轮；600-分离机构；610-分离滑轮组件；620-分离机构提升钢缆组件；621-第二挂钩组件；700-并入机构；710-并入滑轮组件；720-并入机构提升钢缆组件；721-第三挂钩组件；800-矿物自动装载仓。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-3，是本发明实施例提供的机械式海底采矿提升系统的结构示意图。如图1所示，所述机械式海底采矿提升系统包括有支撑立管100、提升机构200、矿物存储容器300、矿物提升容器400、驱动机构(图中未示出)、分离机构600、并入机构700和矿物自动装载仓800，提升机构200包括上滑轮组件210、下滑轮组件220和第一提升钢缆组件230。

其中，支撑立管100的上端与采矿船连接，上滑轮组件210设置于支撑立管100的上端，矿物存储容器300和下滑轮组件220均设置于支撑立管100的下端。矿物存储容器300用于通过采矿输送软管与采矿车连通，矿物存储容器300的底部设置有可开合的排矿口310，矿物自动装载仓800位于矿物存储容器300的下方。驱动机构与上滑轮组件210传动连接，上滑轮组件210和下滑轮组件220通过第一提升钢缆组件230传动连接。请结合参阅图2，第一提升钢缆组件230上设置有多个第一挂钩组件231，矿物提升容器400上设置有用于将矿物提升容器400挂设在第一挂钩组件231上的第一提升支撑杆410。上滑轮组件210可转动的带动挂设在第一挂钩组件231上的所述矿物提升容器400上升。

支撑立管100为中空结构，其上端通过一重量补充装置和海面的采矿船连接安装在一起。支撑立管100采用多段式结构，在每段立管中，都设置了所有用于与采集、监视及控制底部矿物存储容器300及下滑轮组件220运动和动作功能所需要的电缆和液压管道，依次将这些电缆及液压管道连接好，然后再将整个立管和下面的部件紧固连接。

请参阅图4和图5，矿物存储容器300设置于支撑立管100下端并与支撑立管100连接，矿物存储容器300上设置有进矿口320，进矿口320通过采矿输送软管与海床上的采矿车连通，采矿车在采矿过程中可将采集到的矿石通过采矿输送软管输送至矿物存储容器300内。矿物存储容器300的底部设置有通过限位开关330检测矿物提升容器是否到位，并通过液位执行机构来控制排矿口310开启和闭合。

请参阅图1，上滑轮组件210设置于支撑立管100的上端，上滑轮组件210包括并排设置的第一上滑轮和第二上滑轮，驱动机构通过同轴传动来驱动第一上滑轮与第二上滑轮传动。

本实施例中，驱动机构可以采用但不限于液压马达、驱动电机等。较佳的，本实施例中，驱动机构采用液压马达驱动方式。

下滑轮组件220设置于支撑立管100的下端，下滑轮组件220包括并排设置的第一下滑轮和第二下滑轮，第一上滑轮、第二上滑轮、第一下滑轮及第二下滑轮均保持沿竖直方向设置，并相互保持平行，且第一上滑轮与第二上滑轮之间的间距与第一下滑轮与第二下滑轮之间的间距相同。

第一提升钢缆组件230上等间距地设置有多个第一挂钩组件231(个数与采矿深度和提升能力相关)。具体的，请参阅图5，第一提升钢缆组件230包括第一提升钢缆2301和第二提升钢缆2302，第一上滑轮和第一下滑轮通过第一提升钢缆2301传动连接，第二上滑轮和第二下滑轮通过第二提升钢缆2302传动连接。

本实施例中，第一提升钢缆2301和第二提升钢缆2302包括数量相同且长度一致的多段钢缆段。且第一提升钢缆2301和第二提升钢缆2302保持一定的预紧力，使得第一提升钢缆组件230和上、下滑轮组件始终紧密贴合，不至于从滑轮中脱离。

请参阅图6，第一挂钩组件231包括第一挂钩2311、第二挂钩2312以及两端分别与第一挂钩2311和第二挂钩2312连接的挂钩连接板2313，第一挂钩2311和第二挂钩2312呈“工”字形，包括三角形的第一挂钩体和“T”字形的第二挂钩体，第一提升钢缆2301和第二提升钢缆2302上相邻的钢缆段均通过三角形的第一挂钩体连接在一起。相连接的第一挂钩和第二挂钩等高，两者与对应的挂钩连接板2313共同构成一个第一挂钩组件231。

由于第一提升钢缆组件230采用分段式结构，因此当其中一段钢缆段存在安全隐患时，可通过更换钢缆段的方式来保证其安全性，而不需要将整个提升钢缆组件全部更换，且还可根据海床的深度调节钢缆组件的长度，简化操作，降低成本，增加安全性和可行性。

请结合参阅图1和图7，分离机构600并排设置于提升机构200的一侧，包括两个分离滑轮组件610和分离机构提升钢缆组件620，两个分离滑轮组件610通过分离机构提升钢缆组件620传动连接，并通过液压马达或驱动电机等驱动设备驱动，分离机构提升钢缆组件620上设置有多高等间距的第二挂钩组件621。本实施例中，分离机构600的具体结构与提升机构200相同。分离机构600安装于船上，当矿物提升容器400通过提升系统进入到采矿船可分离区域，由于分离机构600的运行速度大于提升系统的提升速度，该分离机构上的其中一个第二挂钩组件621就会逐步接近矿物提升容器400上的第二提升支撑杆420，并最终和和该支撑杆挂接，从而使矿物提升容器600从提升系统第一挂钩组件231上分离出来。

请结合参阅图1和图8，并入机构700并排设置于提升机构200的另一侧，包括两个并入滑轮组件710和并入机构提升钢缆组件720，两个并入滑轮组件710通过并入机构提升钢缆组件720传动连接，并通过液压马达或驱动电机等驱动设备驱动，并入机构提升钢缆组件720上设置有第三挂钩组件721。本实施例中并入机构700的具体结构与提升结构相同，并入机构安装于船上，当矿物提升容器通过挂接到第三挂钩组件721时并向下运动时，由于并入机构的运行速度大于提升系统的下行速度，该并入机构700上的其中一个第三挂钩组件721和矿物提升容器400一道逐步接近提升机构上的邻近下行第一挂钩组件231，并最终将矿物提升容器400挂接到该第一挂钩组件231上，从而使矿物提升容器400通过并入机构700并入到提升系统下行的第一提升钢缆上并随之一同下行。

请参阅图2，矿物提升容器400用于盛放采集的矿石，并设置有两个第一提升支撑杆410和两个第二提升支撑杆420，且矿物提升容器400相对的两侧各设置一个第一提升支撑杆410和一个第二提升支撑杆420。第一提升支撑杆410的长度以保证能够将矿物提升容器400挂设在第一挂钩组件231及第三挂钩组件721上为宜，第二提升支撑杆420的长度以保证能够将矿物提升容器400挂设在第二挂钩组件621上为宜。

请参阅图4，矿物自动装载仓800设置在矿物存储容器300的下方，矿物自动装载仓800内设置有U型导轨，当提升系统第一提升钢缆组件230带动矿物提升容器400至矿物自动装载仓800内时，矿物提升容器400可沿U型导轨滑入矿物自动装载仓800的最低端。此时，由于第一提升钢缆组件230继续匀速运动，则第一提升挂钩组件231和矿物提升容器400上的第二提升支撑杆420将自动分离，同时，触发矿物存储容器300底部的位置开关330，排矿口319将开启，开始对底部的矿物提升容器进行矿物装载。在设定的时间内，完成矿物装载后，排矿口自动关闭。

在提升机构200运行的同时，并入机构700在驱动设备的驱动下也在同时运行，并入滑轮组件710带动并入机构提升钢缆组件720运动，设置在并入机构提升钢缆组件720上的第三挂钩组件721随之上升或下降，通过驱动设备调节并入滑轮组件710的转动方向，使并入机构提升钢缆组件720靠近升降机构的一侧向下运动，矿物提升容器400的第一提升支撑杆410挂在第三挂钩组件721。由于第三提升组件钢缆组件721向下运行速度大于第一提升系统钢缆组件230的下移速度，因此，在某一时刻，可将挂接在第三挂钩组件721向下运动并带动矿物提升容器400的第二挂挂接支撑杆420挂接到第一提升挂钩组件231上，并随之一同下行直至沿U型导轨滑入矿物自动装载仓800内的最底端。

需要注意的是，基于本方案中所具有的第一提升挂钩组件231结构形式和矿物提升容器400在底部和该第一挂钩组件231的分离和下一个相邻的挂钩第一挂钩组件231的挂接流程，这就要求并入机构700在并入挂接矿物提升容器400时，需要依次间隔一个第一挂钩组件231并入，具体而言，即当在这一个第一挂钩组件231上并入了一个矿物提升容器400后，再下一个相邻的第一挂钩组件231上就不能再挂接矿物提升容器400，而要在这个挂钩组件之后的那个挂钩组件上才可挂接，依次类推。

当矿物提升容器400滑入矿物自动装载仓800内的最底端(或靠近最底端)时，触动矿物存储容器300的底部的限位开关330，排矿口310开启，此时，矿物存储容器300内的矿石从排矿口310进入矿物提升容器400内，当装载完成后，关闭排矿口310。

装载完成后，当第一提升钢缆组件230上的下一个相邻的第一挂钩组件231移动至最底端位置时，该挂钩将自行和矿物提升容器400上的第一提升支撑杆410挂接，并继续移动时刚好能够将矿物提升容器400的第一提升支撑杆410挂在第一挂钩组件231上，带动矿物提升容器400开始向上方提升运动，并带动矿物提升容器400上升。

当矿物提升容器400被提升到上部船内可以被分离的范围时，由于该处所安装的分离机构600上的分离滑轮组件610带动分离机构提升钢缆组件620的匀速运动，通过调节分离滑轮组件610的转动方向，使得分离机构提升钢缆组件620靠近升降机构的一侧向上运动，且保持运动速度大于第一提升钢缆2301运动的速度。如此，在一定的距离内，分离机构提升钢缆组件620上的第二挂钩组件621可以将矿物提升容器400上的第二提升支撑杆420挂起并将矿物提升容器400从第一挂钩组件231上取走，实现运动过程中矿物提升容器400的分离。

在提升的过程中，第一提升钢缆组件230和分离机构提升钢缆组件620均保持匀速同步运动，以确保较高的提升效率和可靠性。

请结合参阅图2和图6，在提升过程中，由于矿物提升容器400及其内部所装矿物的重心偏移问题，会导致矿物提升容器400向第一提升钢缆组件230或分离机构提升钢缆组件620侧偏移，鉴于此，本发明实施例中，矿物提升容器400底部的两侧还设置有导向轮430，导向轮430横跨在提升钢缆组件的两根钢缆之间，使得导向轮430与钢缆紧紧贴合，并限制矿物提升容器400底部的进一步偏移，从而减少矿物提升容器400在整个提升过程中的摆动和摇晃，增加提升钢缆组件的预紧力，提高提升过程中的平稳性。

另外，本发明实施例中，还可以设置用于对第一提升钢缆组件230、分离机构提升钢缆组件620、并入机构提升钢缆组件720进行检测的预紧及检测装置。其主要功能是实现对提升钢缆组件的预紧和实时应力的自适应调整和监测。可通过设置针对提升钢缆组件内部钢缆断裂和钢缆应力检测的装置，当钢缆在提升运行时，该装置可以实时检测其应力和内部情况，并根据检查情况，通过预紧装置可在一定范围内进行调整，从而确保整个系统的安全运行。

综上，本发明提供的机械式海底采矿提升系统具有如下的有益效果：

1、通过机械式提升方式，实现将海底矿物提升到海面采矿船上，其提升方式采用两组并排钢缆的提升钢缆组件，在提升钢缆组件上设置挂钩组件，通过提升钢缆组件和挂钩组件可依次将多个矿物提升容器400送入海底，完成矿物装载后，再提升到海面船上，整个提升过程保持连续匀速运动，整个机构及运行简单，具有高的提升效率及可靠性。

2、矿物提升容器400可实现自动从提升钢缆组件上脱钩分离及接入挂钩，保证提升过程和处理过程的分离和互不影响。

3、整个过程通过钢缆预紧及检测装置，以实时监测钢缆内部情况和应力情况，并可以对应力进行一定的调整，从而确保其运行过程的安全性。

4、整个提升系统具有结构简单，提升效率高，经济效益好的特点，对于海矿环境不太恶劣，采矿深度不是特别深的情况下，是一个可行的和可选择的提升手段。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种机械式海底采矿提升系统，其特征在于，包括：支撑立管、提升机构、矿物存储容器、矿物提升容器和驱动机构，所述提升机构包括上滑轮组件、下滑轮组件、和第一提升钢缆组件；

所述支撑立管的上端与采矿船连接，所述上滑轮组件设置于所述支撑立管的上端，所述矿物存储容器和所述下滑轮组件均设置于所述支撑立管的下端；

所述矿物存储容器用于通过采矿输送软管与采矿车连通，所述矿物存储容器的底部设置有可开合的排矿口；

所述驱动机构与所述上滑轮组件传动连接，所述上滑轮组件和所述下滑轮组件通过所述第一提升钢缆组件传动连接；

所述第一提升钢缆组件上设置有多个第一挂钩组件，所述矿物提升容器上设置有用于将所述矿物提升容器挂设在所述第一挂钩组件上的第一提升支撑杆；

所述上滑轮组件可转动的带动挂设在所述第一挂钩组件上的所述矿物提升容器上升；

还包括分离机构，所述分离机构与所述提升机构的上部位置并排设置；

所述分离机构包括两个分离滑轮组件和分离机构提升钢缆组件，两个所述分离滑轮组件通过所述分离机构提升钢缆组件传动连接；

所述分离机构提升钢缆组件上设置有多个第二挂钩组件，所述矿物提升容器上还设置有用于将所述矿物提升容器挂设在所述分离机构提升钢缆组件上的第二提升支撑杆；

还包括并入机构和矿物自动装载仓，所述并入机构与所述提升机构的上部位置并排设置，且所述分离机构与所述并入机构分别位于所述提升机构的两侧；

所述并入机构包括两个并入滑轮组件和并入机构提升钢缆组件，两个所述并入滑轮组件通过所述并入机构提升钢缆组件传动连接；

所述并入机构提升钢缆上设置有用于挂设所述矿物提升容器的第三挂钩组件；

所述矿物自动装载仓位于所述矿物存储容器的下方，所述矿物自动装载仓内设置有U型导轨，所述矿物提升容器首先通过所述并入机构的带动自动挂接到第一提升钢缆上的第一提升挂钩组件上，并随第一钢缆下移，当到达所述矿物自动装载仓的底部时，矿物提升容器将和第一提升钢缆上的第一提升挂钩自行分离，并在下一相邻的第一提升挂钩到达之前，将停留在自动装载舱底部，进行矿物装载，当在第一提升钢缆上的下一个第一提升挂钩到达时底部位置时，该第一提升挂钩将和矿物提升容器第一提升支撑杆进行挂接，此时便可在所述提升机构的带动下上升。