CN108344389B - 一种深海采矿输送软管空间构型的实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海采矿输送软管空间构型的实验装置及实验方法，实验装置包括水池、管道形态采集装置、底部位移模拟装置、输送软管模拟装置和摄像头。底部位移模拟装置固定于水池的底面，管道形态采集装置固定于水池的上端。管道形态采集装置包括软管位置探测器和软管位置探测器移位装置，输送软管模拟装置连接于底部位移模拟装置和管道形态采集装置之间。通过底部位移模拟装置改变输送软管模拟装置下端的横向和纵向位置，摄像头固定于水池的侧壁用于捕捉管道在水下的空间形态，管道在水下的空间形态通过改变软管位置探测器的位置采集管道各个位置的空间坐标来体现，同时记录下该位置处管道的空间坐标，以获得管道在水下的实际空间形态。

Description

一种深海采矿输送软管空间构型的实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于深海锰结核、深海多金属硫化物以及富钴结壳等深海固体矿产资源开采领域，具体为一种深海采矿输送软管空间构型的实验装置及实验方法。

背景技术

在业已开发的深海固体矿产资源连续生产系统中，管道提升采矿系统最具有开发应用前景。输送软管是管道提升采矿系统中连接扬矿子系统和集矿子系统的关键部分。深海采矿软管输送系统设计的一项关键内容是软管采矿车端的约束反力估算和软管空间构型设计。深海采矿软管输送系统包含的零部件多，边界条件也较为复杂，理论分析方法只能采用简化分析模型，难以准确反映输送软管作业过程中的真实形态。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能准确反映输送软管作业过程中的真实形态的实验装置。

本发明提供的这种深海采矿输送软管空间构型的实验装置，包括水池、管道形态采集装置、底部位移模拟装置、输送软管模拟装置和摄像头，底部位移模拟装置固定于水池的底面，管道形态采集装置固定于水池的上端，包括软管位置探测器和软管位置探测器移位装置，输送软管模拟装置连接于底部位移模拟装置和管道形态采集装置之间，通过底部位移模拟装置改变输送软管模拟装置下端的横向和纵向位置，摄像头固定于水池的侧壁用于捕捉管道在水下的空间形态，管道在水下的空间形态通过改变软管位置探测器的位置采集管道各个位置的空间坐标来体现。

所述水池为上部开口的长方体形大型储水结构体，其上部设有进水口，下部设有排水口。

所述底部位移模拟装置包括横向和纵向移位组件，纵向移位组件有对称布置的两组，它们均为导轨、丝杠和驱动电机的装配件，丝杠的两端固定于导轨上，驱动电机连接于丝杠的一端；横向移位组件的导轨两端分别通过螺纹孔连接于纵向移位组件的丝杠上，横向位移组件上连接有滑块。

所述软管位置探测器移位装置包括与所述底部位移模拟装置结构相同的横向和纵向移位组件，还包括垂向移位组件，垂向移位组件也为导轨、丝杠和驱动电机的装配件，丝杠的两端固定于导轨上，驱动电机连接于丝杠的一端；垂向移位组件的导轨上端通过螺纹孔连接于横向移位组件的丝杠上；所述软管位置探测器为金属探测器或低照度水下摄像头，通过螺纹孔连接于垂向移位组件的丝杠上。

所述驱动电机为伺服电机。

所述输送软管模拟装置包括中间仓模拟件、所述管道、浮力块模拟件、采矿车模拟件、输送泵模拟件和测力计，管道的两端分别与中间仓模拟件和测力计连接，测力计连接于采矿车模拟件上，浮力块模拟件固定于模拟软管上，输送泵模拟件固定于中间仓模拟件的侧壁，其抽吸口与模拟软管的内腔连通。

所述中间仓模拟件为刚性连接座，其顶面固定于所述管道形态采集装置纵向移位组件的导轨底面，所述浮力块模拟件为中心带圆孔的圆柱状或球状浮体，可拆卸连接于所述模拟软管上；所述采矿车模拟件为刚性连接座，连接于所述滑块上。

所述模拟软管为双层结构，包括测量元器件附着层和强度模拟层，强度模拟层的内腔构成输送腔。

所述测量元器件附着层上沿管道轴线方向布置有标尺和水下灯带，标尺用于模拟软管形变位置的显示，水下灯带用于模拟软管形态的标识。

本发明还提供了一种采用上述实验装置较真实的反映管道行为特征的方法，包括以下步骤：

(1)检查水池水位是否贴近中间仓模拟装置的下沿；

(2)根据实验需要模拟的实际工况和缩尺比计算出底部位移模拟装置的横向和纵向偏移量；

(3)调节底部位移模拟装置的横向和纵向偏移量为步骤(2)计算得出的偏移量；

(4)移动软管位置探测器至贴近软管模拟装置的最上端，微调软管位置探测装置的位置直至其探测信号显示已探测到管道，通过软管位置探测装置移位机构的三台伺服电机的转数获得此时刻软管位置探测装置在三个方向的坐标位置；

(5)控制垂向导轨横向移动一个步长，根据摄像头拍摄的画面，控制软管位置探测器沿垂向和纵向朝管道靠近，直至其探测信号显示已探测到管道，同样通过软管位置探测器移位装置三台伺服电机的转数获得此时刻软管位置探测器的三个方向的坐标位置；

(6)重复步骤(5)，直至完成整个模拟软管段的测量；

(7)根据测点坐标和缩尺比计算实际工况的坐标；

(8)在三维坐标系中将所有测点的实际坐标依次标出，其拟合曲线即为试验实际工况的参考空间形态。

本发明在水池的顶部和底部分别设置管道形态采集装置和底部位移模拟装置，将输送软管模拟装置连接于管道形态采集装置和底部位移模拟装置之间的水中，通过底部位移模拟装置改变输送软管模拟装置下端的横向和纵向位置，通过摄像头捕捉管道在水下的空间大致形态画面，通过管道形态采集装置的管道位置探测器探测移位装置改变探测器的位置来探测到不同位置的管道，同时记录下该位置处管道的空间坐标，以获得管道在水下的实际空间形态。

附图说明

图1为本发明一个实施例的系统总成示意图。

图2为图1中管道形态采集装置的放大结构示意图。

图3为图1中底部位移模拟装置的放大结构示意图。

图4为图1中输送软管模拟装置的放大结构示意图。

图5为本实施例模拟软管的放大结构示意图。

图6为本实施例模拟软管的测量元器件附着方案。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的深海采矿输送软管空间构型的实验装置，包括水池1、管道形态采集装置2、底部位移模拟装置3、输送软管模拟装置4、侧视摄像头5和前视摄像头6。水池1为一上部开口的长方体型大型储水结构，其上部设有进水口11、下部排水口12。管道形态采集装置2固定安装于水池1上部。底部位移模拟系统3通过焊接或螺栓固定的形式固定安装于水池1底部。侧视摄像头5和前视摄像头6为水下高清摄像头，固定于水池的侧壁，分别用于捕捉管道在YOZ平面和XOZ平面的水下大致形态。

如图2所示，管道形态采集装置2包括软管位置探测器21和软管位置探测器移位机构22。软管位置探测器21为一金属探测器或低照度水下摄像头。软管位置探测器移位机构22包括纵向导轨221、纵向丝杠222、纵向丝杠驱动电机223；横向导轨224、横向丝杠225、横向丝杠驱动电机226；垂向导轨227、垂向丝杠228和垂向丝杠驱动电机229。

横向导轨224、纵向导轨221和垂向导轨227分别沿X方向、Y方向和Z方向布置。纵向丝杠驱动电机223、横向丝杠驱动电机226和垂向丝杠驱动电机229均为伺服电机。

纵向导轨221的内侧有沿其长度方向的安装槽，纵向丝杠222位于安装槽中，两端分别固定于纵向导轨的端部，纵向丝杠驱动电机223连接于纵向丝杠的一端。纵向导轨、纵向丝杠和纵向丝杠驱动电机的装配件有对称布置的两组。纵向导轨的下侧固定于水池1的顶部。

横向丝杠225平行布置于横向导轨224的上方、两端固定于横向导轨上，横向丝杠驱动电机226连接于横向丝杠的一端。横向导轨224两端分别与纵向丝杠222螺纹连接，在纵向丝杠222的驱动下，横向丝杠沿纵向导轨221在Y方向移动。

垂向导轨227垂直连接于横向导轨上，横向丝杠与垂向导轨螺纹连接，在横向丝杠的驱动下，垂向导轨沿横向导轨在X方向滑动。

软管位置探测装置21通过螺母座连接于垂向丝杠上，在垂导轨丝杠的驱动下沿垂向导轨在Z方向滑动。

如图3所示，底部位移模拟系统3包括滑块31、移动导轨32、移动丝杠33、移动丝杠驱动电机34、固定导轨35、固定丝杠36和固定丝杠驱动电机37。移动丝杠驱动电机34和固定丝杠驱动电机37均为防水伺服电机。

固定导轨35、固定丝杠36和固定丝杠驱动电机37的装配件有对称布置的两组。固定导轨的下侧固定于水池1的底部。

移动导轨32和固定导轨35分别沿X方向和Y方向布置。移动导轨两端分分别与固定丝杠螺纹连接，在固定丝杠的驱动下，移动导轨沿固定导轨在Y方向滑动。滑块31通过螺纹连接于移动丝杠上，在移动丝杠驱动下，滑块沿移动导轨在X方向滑动。

如图4所示，输送软管模拟装置4包括中间仓模拟件41、模拟软管42、浮力块模拟件43、采矿车模拟件44、输送泵模拟件45和测力计46。

中间仓模拟件41和采矿车模拟件44均为刚性连接座。模拟软管42为将实际软管根据一定相似比缩小的软管，浮力块模拟件3为中心带圆孔的圆柱状或球状浮体，输送泵模拟件45为抽吸泵，测力计46为机械式或水密型电子式测力计。

中间仓模拟件41的顶面通过螺栓固定于纵向导轨211的底面，模拟软管42的上端连接于中间仓模拟件的底面，浮力块模拟件3通过卡箍固定于模拟软管42上，实验过程中浮力块模拟件3在模拟软管上的布置数量和布置位置可随时调整。测力计46的两端分别与模拟软管42的下端及采矿车模拟件44的顶面连接，用于测量模拟软管下端与采矿车模拟件之间的作用力。采矿车模拟件44安装于滑块31上。

输送泵模拟装置45固定于中间仓模拟件41的侧壁，其抽吸口与模拟软管的内腔相通，用于模拟输送过程管道内部压力和流体扰动的模拟。

如图5所示，本实施例的模拟软管42为双层管状结构，包括测量元器件附着层421和强度模拟层422，强度模拟层422的空腔构成输送腔423。测量元器件附着层421用于附着和保护用于软管空间形态标识或测量的元器件。强度模拟层422用于模拟软管在水下的尺寸、重量、刚性等几何及力学特征参数。实体和模型满足几何相似的条件是两者的所有各项相应的线性尺度之比为常数λ，λ称为缩尺比。输送腔423用于模拟输送过程。

图6所示，测量元器件附着层上沿管道轴线方向布置有标尺424和水下灯带425，标尺用于模拟软管42形变位置的显示，水下灯带用于模拟软管形态的标识，以便于水下摄像系统拍摄。

基于本发明的深海采矿输送软管空间构型的实验装置进行软管空间构型实验的实施步骤为：

1)检查水池水位，水面位置应贴近中间仓模拟装置下沿，如水位位置不满足要求，通过注水口和排水口调节水位；

2)根据试验需要模拟的实际工况和缩尺比计算底部位移模拟机构在X和Y方向需要的偏移量，计算方法为：

偏移量＝软管在该方向实际偏移量/λ

3)调节底部位移模拟机构在X和Y方向的偏移量为步骤1)计算得出的偏移量；

4)移动软管位置探测装置至贴近软管模拟装置最上端，微调软管位置探测装置位置直至其探测信号显示已探测到管道，通过软管位置探测装置移位机构中3个伺服电机的转数获得此时刻软管位置探测装置在三个方向的坐标位置；

5)控制垂向导轨朝X轴正向移动一个步长，根据前视摄像头和侧视摄像头的画面，控制软管位置探测装置沿Z轴和Y轴向软管模型靠近，直至其探测信号显示已探测到管道，同样通过软管位置探测装置移位机构中3个伺服电机的转数获得此时刻软管位置探测装置在三个方向的坐标位置；

6)重复步奏5直至完成整个软管模型段的测量；

7)根据测点坐标和缩尺比计算实际工况的坐标，计算方法为：

实际工况的坐标＝模型实验坐标×λ

8)在三维坐标系中将所有测点的实际坐标依次标出，其拟合曲线即为试验实际工况的参考空间形态。

根据需要，实验过程中还可通过输送泵模拟装置45的抽吸来模拟管道内部压力，通过测力计46获得软管模型底部的受力。

Claims (4)

1.一种深海采矿输送软管空间构型的实验装置，其特征在于：它包括水池、管道形态采集装置、底部位移模拟装置、输送软管模拟装置和摄像头，底部位移模拟装置固定于水池的底面，管道形态采集装置固定于水池的上端，包括软管位置探测器和软管位置探测器移位装置，输送软管模拟装置连接于底部位移模拟装置和管道形态采集装置之间，通过底部位移模拟装置改变输送软管模拟装置下端的横向和纵向位置，摄像头固定于水池的侧壁用于捕捉管道在水下的空间形态，管道在水下的空间形态通过改变软管位置探测器的位置采集管道各个位置的空间坐标来体现；

所述底部位移模拟装置包括横向和纵向移位组件，纵向移位组件有对称布置的两组，它们均为导轨、丝杠和驱动电机的装配件，丝杠的两端固定于导轨上，驱动电机连接于丝杠的一端；横向移位组件的导轨两端分别通过螺纹孔连接于纵向移位组件的丝杠上，横向位移组件上连接有滑块；

所述软管位置探测器移位装置包括与所述底部位移模拟装置结构相同的横向和纵向移位组件，还包括垂向移位组件，垂向移位组件也为导轨、丝杠和驱动电机的装配件，丝杠的两端固定于导轨上，驱动电机连接于丝杠的一端；垂向移位组件的导轨上端通过螺纹孔连接于横向移位组件的丝杠上；所述软管位置探测器为金属探测器或低照度水下摄像头，通过螺纹孔连接于垂向移位组件的丝杠上；

所述输送软管模拟装置包括中间仓模拟件、所述管道、浮力块模拟件、采矿车模拟件、输送泵模拟件和测力计，管道的两端分别与中间仓模拟件和测力计连接，测力计连接于采矿车模拟件上，浮力块模拟件固定于模拟软管上，输送泵模拟件固定于中间仓模拟件的侧壁，其抽吸口与模拟软管的内腔连通；

所述中间仓模拟件为刚性连接座，其顶面固定于所述管道形态采集装置纵向移位组件的导轨底面，所述浮力块模拟件为中心带圆孔的圆柱状或球状浮体，可拆卸连接于所述模拟软管上；所述采矿车模拟件为刚性连接座，连接于所述滑块上；

所述模拟软管为双层结构，包括测量元器件附着层和强度模拟层，强度模拟层的内腔构成输送腔；

所述测量元器件附着层上沿管道轴线方向布置有标尺和水下灯带，标尺用于模拟软管形变位置的显示，水下灯带用于模拟软管形态的标识。

2.如权利要求1所述的深海采矿输送软管空间构型的实验装置，其特征在于：所述水池为上部开口的长方体形大型储水结构体，其上部设有进水口，下部设有排水口。

3.如权利要求1所述的深海采矿输送软管空间构型的实验装置，其特征在于：所述驱动电机为伺服电机。

4.一种利用权利要求3所述的实验装置进行实验的方法，包括以下步骤：

（1）检查水池水位是否贴近中间仓模拟装置的下沿；

（2）根据实验需要模拟的实际工况和缩尺比计算出底部位移模拟装置的横向和纵向偏移量；

（3）调节底部位移模拟装置的横向和纵向偏移量为步骤（2）计算得出的偏移量；

（4）移动软管位置探测器至贴近软管模拟装置的最上端，微调软管位置探测装置的位置直至其探测信号显示已探测到管道，通过软管位置探测装置移位机构的三台伺服电机的转数获得此时刻软管位置探测装置在三个方向的坐标位置；

（5）控制垂向导轨横向移动一个步长，根据摄像头拍摄的画面，控制软管位置探测器沿垂向和纵向朝管道靠近，直至其探测信号显示已探测到管道，同样通过软管位置探测器移位装置三台伺服电机的转数获得此时刻软管位置探测器的三个方向的坐标位置；

（6）重复步骤（5），直至完成整个模拟软管段的测量；

（7）根据测点坐标和缩尺比计算实际工况的坐标；

（8）在三维坐标系中将所有测点的实际坐标依次标出，其拟合曲线即为试验实际工况的参考空间形态。