CN107178369A - 一种利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备 - Google Patents
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Abstract
一种利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，包括悬浮舱、脉冲功率电源、破碎头、机械手以及集矿管道，所述破碎头与悬浮舱通过所述机械手连接，所述破碎头一侧设有脉冲电极，另一侧安装有集矿管道，所述脉冲功率电源放置在所述悬浮舱中。本发明结构合理、操作方便、开采效率高，呈正方形交叉排列的正、负电极，脉冲作用后，任意两个异性电极之间形成强电场并破碎富钴结壳；正、负电极可沿破碎头轴向移动，更好的适应海底复杂的矿山地形；悬浮舱使整个设备悬浮在深海海底，便于在开采过程中移动，破碎头与悬浮舱通过机械手连接，可使破碎头多自由度移动，使其进一步适应海底复杂的矿山地形，进一步提高富钴结壳的开采效率。适于工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，属于深海采矿技术与装备技术领域。
背景技术
随着人类对矿产资源需求的增加以及陆地矿产资源的减少，海底矿产资源已经被认为未来矿产资源的主要来源，如海底富钴结壳等。然而，海底富钴结壳所处地理环境极其恶劣，如海底矿床深度深、光线暗、围压高以及洋流冲击作用强等，给海底富钴结壳的开采及运输带来了巨大的挑战。
从现有的资料来看，开采海底富钴结壳较成熟的方法主要是机械力破碎，例如螺旋滚筒式切削、盘刀式扎削以及水射流切削等。机械力破碎方法利用破碎头对富钴结壳的冲击和剪切作用产生应力破坏，该方法有结构简单、操作方便等优点。然而，机械力破碎方法也存在很多缺点，首先该方法开采效率非常底，通常不到20％；另外该方法开采的海底富钴结壳由于混入较多的基岩，其贫化率较高；最后由于海底矿床表面复杂的环境和地形，进一步增加了相应的机械装备开采海底富钴结壳的难度。
上世纪末，利用高压脉冲在岩石内部放电破碎岩石的技术由于其效率高、环境污染小等优点，受到了广泛的关注与应用。2013年国内学者提出利用该技术开采海底富钴结壳的方法以及相应的装备，该方法不仅能够提高海底富钴结壳的开采效率，也能降低其贫化率。但由于该装备配置的破碎头为同轴电极，因此破碎范围仅仅为单个同轴电极中正、负电极之间的部分区域；另外整个破碎装置沿用了传统的机械力破碎装置结构，如履带式行走等，因此同样有其在海底矿床表面附着差和行走困难等缺点。为此，有必要从结构设计上对上述采矿装备进行改进，得到一种既能增加海底富钴结壳的开采效率，又能克服海底矿床表面的复杂地形对采矿装备的不利。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的不足和缺陷，提供一种结构合理、操作方便、开采海底富钴结壳效率高，并且可在海底矿山附近自由移动的利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备。
为解决上述问题，本发明提出的技术方案为：
一种利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，包括悬浮舱(1)、脉冲功率电源、破碎头(6)、机械手以及集矿管道(3)，其特征在于：所述破碎头(6)与所述悬浮舱(1)通过所述机械手连接，所述破碎头(6)一侧设有脉冲电极，另一侧安装有集矿管道(3)，所述脉冲功率电源放置在所述悬浮舱(1)中；
本发明中，所述机械手包括旋转臂(2)、摇臂(4)，所述摇臂(4)的一端与所述旋转臂(2)的一端铰接，另一端与破碎头(6)铰接；所述旋转臂(2)的另一端与所述悬浮舱(1)铰接，所述旋转臂(2)可在与所述悬浮舱(1)铰接点所处的水平面内360°自由旋转；所述摇臂(4)可在铰接点所处的水平面的垂直方向作180°上下摆动；
在所述摇臂(4)与破碎头(6)之间设有摇杆(5)，摇杆(5)与摇臂(4)及破碎头(6)之间的连接为铰接结构；
本发明中，所述破碎头(6)上设有正电极(9)和负电极(10)，所述正电极(9)、负电极(10)均匀分布、交叉排列；
所述正电极(9)、负电极(10)交叉排列、均匀分布在设于破碎头(6)端面的正方形网格的交叉点；在正方形网格的每一个正方形中设有一个贯穿破碎头(6)上下端面的通孔(11)；
本发明中，所述破碎头(6)包括电极固定底座(8)、电极导向支座(14)、电极固定盖板(7)；所述电极固定底座(8)、电极导向支座(14)、电极固定盖板(7)从下至上依次叠置，在电极固定底座(8)的底面设有正方形网格，正电极(9)、负电极(10)交叉排列、均匀分布在设于电极固定底座(8)底面的正方形网格的交叉点；在正方形网格的每一个正方形中设有一个贯穿电极固定底座(8)、电极导向支座(14)、电极固定盖板(7)上下端面的通孔(11)；
本发明中，在电极固定底座(8)底面设置的正方形网格的每一个交叉点，各设有一个轴线垂直于电极固定底座(8)上下端面的第一圆孔(15)，在电极导向支座(14)上设有与第一圆孔(15)对应的第二圆孔(13)，正电极(9)、负电极(10)交叉排列设置在所述第一圆孔(15)、第二圆孔(13)中；一端延伸至电极固定底座(8)底面外，另一端通过设置于第二圆孔(13)中的弹簧(12)与电极固定盖板(7)接触实现轴向定位；
所述第二圆孔(13)的直径比第一圆孔(15)的直径大，在第二圆孔(13)与第一圆孔(15)接触面形成一个定位台阶；
本发明中，正电极(9)、负电极(10)的一端为针电极(17)，另一端设有与第二圆孔(13)间隙配合的圆柱形导向滑块(16)；导向滑块(16)与第二圆孔(13)之间的间隙为1～2mm；所述电极导向圆柱形导向滑块(16)沿轴向安装在第二圆孔(13)内；在滑块(16)与电极固定盖板(7)之间设有弹簧(12)；
本发明中，贯穿破碎头(6)上下端面或贯穿电极固定底座(8)、电极导向支座(14)、电极固定盖板(7)上下端面的通孔(11)的形状选自多边形、正多边形、圆形、椭圆形中的至少一种；
所述脉冲功率电源用于向所述破碎头上的正电极和负电极提供脉冲，并使其在富钴结壳内部放电破碎富钴结壳；
所述悬浮舱用于将整个开采海底富钴结壳的装备悬浮在深海矿山附近，所述脉冲功率电源固定安装在所述悬浮舱内部；
所述集矿管道与破碎头沿周向过盈配合，用于收集脉冲触发后破碎头破碎的富钴结壳。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，利用所述悬浮舱(1)使整个利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备悬浮在深海海底，克服了传统采矿车需在海床附着以及行走的缺点，降低了开采海底富钴结壳的难度。
其破碎头采用等间隔呈正方形网格交叉分布的正负针电极，单个脉冲触发后，任意一个正负针电极均有可能与其周围任意异性电极之间形成强电场并在富钴结壳内部放电使其破碎，因此多个脉冲触发后，破碎头覆盖的富钴结壳均会发生破碎，其次正负电极可沿其轴向移动，以此来适应海底矿山复杂的表面特征，而在此过程中，破碎的富钴结壳不断通过通孔(11)、集矿管道(3)运输到目的地，从而提高了开采海底富钴结壳的效率；另外根据脉冲功率技术开采海底富钴结壳的特点，摒弃了传统的需在海床上行走的机械采矿车，采用海底悬浮装置，使其便于在开采过程中移动，进一步提高富钴结壳的开采效率。
综上所述，本发明结构合理、操作方便、开采效率高，呈正方形交叉排列的正、负电极，任意正电极或负电极附近均有四个相同间距的异性电极，脉冲作用后，任意两个异性电极之间形成强电场并破碎富钴结壳，破碎的富钴结壳通过集矿管道立即输送到中间仓；正、负电极可沿破碎头轴向移动，更好的适应海底复杂的矿山地形；悬浮舱使整个设备悬浮在深海海底，便于在开采过程中移动，而破碎头与悬浮舱之间通过机械手连接，通过控制可使破碎头多自由度移动，使其进一步适应海底复杂的矿山地形，进一步提高富钴结壳的开采效率。适于工业化应用。
附图说明
附图1为本发明脉冲功率技术开采海底富钴结壳装备的整体三维结构示意图。
附图2为附图1的A-A面侧视结构示意图。
附图3为本发明脉冲功率技术开采海底富钴结壳装备的破碎头结构示意图。
附图4为附图3的仰视图。
附图5为附图3的主剖视图。
附图6为本发明中正电极和负电极结构示意图。
图中：
1、悬浮舱；2、旋转臂；3、集矿管道；4、摇臂；5、摇杆；6、破碎头；7、电极固定盖板；8、电极固定底座；9、正电极；10、负电极；11、通孔；12、弹簧；13、第二圆孔；14、电极导向支座；15、第一圆孔。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致的描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可用过现有方法制备得到。
实施例1
参见附图1-6，本发明的一种利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，包括悬浮舱(1)、脉冲功率电源、破碎头(6)、机械手以及集矿管道(3)，其特征在于：所述破碎头(6)与所述悬浮舱(1)通过所述机械手连接，所述破碎头(6)一侧设有脉冲电极，另一侧安装有集矿管道(3)，所述脉冲功率电源放置在所述悬浮舱(1)中；
所述机械手包括旋转臂(2)、摇臂(4)，所述摇臂(4)的一端与所述旋转臂(2)的一端铰接，另一端与破碎头(6)铰接；所述旋转臂(2)的另一端与所述悬浮舱(1)铰接，所述旋转臂(2)可在与所述悬浮舱(1)铰接点所处的水平面内360°自由旋转；所述摇臂(4)可在铰接点所处的水平面的垂直方向作180°上下摆动；
在所述摇臂(4)与破碎头(6)之间设有摇杆(5)，摇杆(5)与摇臂(4)及破碎头(6)之间的连接为铰接结构；
所述破碎头(6)包括电极固定底座(8)、电极导向支座(14)、电极固定盖板(7)；所述电极固定底座(8)、电极导向支座(14)、电极固定盖板(7)从下至上依次叠置，在电极固定底座(8)的底面设有正方形网格，正电极(9)、负电极(10)交叉排列、均匀分布在设于电极固定底座(8)底面的正方形网格的交叉点；在正方形网格的每一个正方形中设有一个贯穿电极固定底座(8)、电极导向支座(14)、电极固定盖板(7)上下端面的正方形通孔(11)；
在电极固定底座(8)底面设置的正方形网格的每一个交叉点，各设有一个轴线垂直于电极固定底座(8)上下端面的第一圆孔(15)，在电极导向支座(14)上设有与第一圆孔(15)对应的第二圆孔(13)，正电极(9)、负电极(10)交叉排列设置在所述第一圆孔(15)、第二圆孔(13)中；一端延伸至电极固定底座(8)底面外，另一端通过设置于第二圆孔(13)中的弹簧(12)与电极固定盖板(7)接触实现轴向定位；
所述第二圆孔(13)的直径比第一圆孔(15)的直径大，在第二圆孔(13)与第一圆孔(15)接触面形成一个定位台阶；
正电极(9)、负电极(10)的一端为针电极(17)，另一端设有与第二圆孔(13)间隙配合的圆柱形导向滑块(16)；导向滑块(16)与第二圆孔(13)之间的间隙为1～2mm；所述电极导向圆柱形导向滑块(16)沿轴向安装在第二圆孔(13)内；在滑块(16)与电极固定盖板(7)之间设有弹簧(12)；
该开采装备依靠悬浮舱1整体悬浮在深海海底富钴结壳所在的矿山附近，破碎头6用于破碎海底富钴结壳，破碎头6通过旋转臂2、摇臂4以及摇杆5与悬浮舱1相连。单个脉冲作用后，采用集矿管道3将破碎头破碎的富钴结壳运输到指定地点。
破碎头6上安装有正电极9和负电极10，正电极9和负电极10均为相同形状和大小的针电极17，且在针电极17的另一端沿轴向固定连接圆柱形电极导向滑块16。电极导向支座14呈圆柱形，在与其轴线垂直的平面内设有相同大小和间隔的电极导向支座正方形通孔，在电极导向支座14的外圆周沿圆周方向设有相同大小和间距的电极导向支座弧形凸块，其与电极固定底座8内圆周上设置的弧形凹槽过盈配合，以使电极导向支座14安装在电极固定支座8内部，且使电极导向支座正方形通孔和电极固定支座正方形通孔对齐。同样地，电极固定盖板上设有弧形凸块和电极固定底座内圆周上的弧形凹槽过盈配合，以使电极导向支座14能够安全的固定在电极固定底座8内部，且使电极导向支座正方形通孔和电极固定盖板正方形通孔对齐。在电极固定盖板7与正电极9和负电极10的圆柱形电极导向滑块16之间，安装有弹簧12，在使用该装备开采海底富钴结壳时，由于富钴结壳所在矿山表面地形复杂，并不平整，因此一定范围内，该弹簧12保证了正电极9和负电极10始终能够与富钴结壳所在矿山表面接触并破碎富钴结壳。
本实施例中，破碎头6上安装的正电极9和负电极10等间隔交叉排列，即任意一个正电极9附近拥有四个同等间距的负电极10，而任意一个负电极10附近同样拥有四个同等间距的正电极9，该破碎头共安装有73个负电极，72个正电极。
本实施例中，破碎头6通过机械手与悬浮舱1相连，机械手包括旋转臂2、摇臂4和摇杆5，旋转臂可在相对悬浮舱1水平面内自由旋转，而摇杆和摇臂通过铰接与破碎头相连，因此通过控制可使破碎头更好地适应海底富钴结壳矿山表面的复杂环境。
本实施例中，单个脉冲作用后，采用集矿管道3收集破碎头破碎的富钴结壳，从而使正电极9和负电极10保持与待破碎的富钴结壳接触，并等待下一个脉冲作用后继续破碎富钴结壳。
Claims (10)
1.一种利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，包括悬浮舱(1)、脉冲功率电源、破碎头(6)、机械手以及集矿管道(3)，其特征在于：所述破碎头(6)与所述悬浮舱(1)通过所述机械手连接，所述破碎头(6)一侧设有脉冲电极，另一侧安装有集矿管道(3)，所述脉冲功率电源放置在所述悬浮舱(1)中。
2.根据权利要求1所述的利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，其特征在于：所述机械手包括旋转臂(2)、摇臂(4)，所述摇臂(4)的一端与所述旋转臂(2)的一端铰接，另一端与破碎头(6)铰接；所述旋转臂(2)的另一端与所述悬浮舱(1)铰接，所述旋转臂(2)可在与所述悬浮舱(1)铰接点所处的水平面内360°自由旋转；所述摇臂(4)可在铰接点所处的水平面的垂直方向作180°上下摆动。
3.根据权利要求2所述的利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，其特征在于：在所述摇臂(4)与破碎头(6)之间设有摇杆(5)，摇杆(5)与摇臂(4)及破碎头(6)之间的连接为铰接结构。
4.根据权利要求3所述的利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，其特征在于：所述破碎头(6)上设有正电极(9)和负电极(10)，所述正电极(9)、负电极(10)均匀分布、交叉排列。
5.根据权利要求4所述的利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，其特征在于：所述正电极(9)、负电极(10)交叉排列、均匀分布在设于破碎头(6)端面的正方形网格的交叉点；在正方形网格的每一个正方形中设有一个贯穿破碎头(6)上下端面的通孔(11)。
6.根据权利要求5所述的利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，其特征在于：所述破碎头(6)包括电极固定底座(8)、电极导向支座(14)、电极固定盖板(7)；所述电极固定底座(8)、电极导向支座(14)、电极固定盖板(7)从下至上依次叠置，在电极固定底座(8)的底面设有正方形网格，正电极(9)、负电极(10)交叉排列、均匀分布在设于电极固定底座(8)底面的正方形网格的交叉点；在正方形网格的每一个正方形中设有一个贯穿电极固定底座(8)、电极导向支座(14)、电极固定盖板(7)上下端面的通孔(11)。
7.根据权利要求6所述的利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，其特征在于：在电极固定底座(8)底面设置的正方形网格的每一个交叉点，各设有一个轴线垂直于电极固定底座(8)上下端面的第一圆孔(15)，在电极导向支座(14)上设有与第一圆孔(15)对应的第二圆孔(13)，正电极(9)、负电极(10)交叉排列设置在所述第一圆孔(15)、第二圆孔(13)中；一端延伸至电极固定底座(8)底面外，另一端通过设置于第二圆孔(13)中的弹簧(12)与电极固定盖板(7)接触实现轴向定位。
8.根据权利要求7所述的利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，其特征在于：所述第二圆孔(13)的直径比第一圆孔(15)的直径大，在第二圆孔(13)与第一圆孔(15)接触面形成一个定位台阶。
9.根据权利要求8所述的利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，其特征在于：正电极(9)、负电极(10)的一端为针电极(17)，另一端设有与第二圆孔(13)间隙配合的圆柱形导向滑块(16)；导向滑块(16)与第二圆孔(13)之间的间隙为1～2mm。
10.根据权利要求1‐9任意一项所述的利用脉冲功率技术开采海底富钴结壳的装备，其特征在于：贯穿破碎头(6)上下端面或贯穿电极固定底座(8)、电极导向支座(14)、电极固定盖板(7)上下端面的通孔(11)的形状选自多边形、正多边形、圆形、椭圆形中的至少一种。
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