CN111005726A - 能够适应不同深海表层土体的采矿车专用履齿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够适应不同深海表层土体性质的采矿车专用履齿装置，包括履带本体，履带本体的上表面上开设有多个平行设置的长条孔，每个长条孔中均设置有一个能够沿长条孔上下自由移动的长条状履带齿，所述履带齿的下端固定有宽度大于长条孔宽度的挡板，挡板下端固定有槽型安装座，相邻两块履带齿为一组将多个履带齿分为多个彼此独立的履带齿组合，每一组履带齿的安装座均与一个履齿推板通过销轴转动连接在一起，每一个履齿推板均由一个设置于履带本体中部空腔中的液压控制及推动装置控制，在履带本体中部空腔的前后端分别设置有一套十字板剪力仪，十字板剪力仪通过数据线与液压控制及推动装置的控制器相连。本发明还公开了该装置的使用方法。

Description

能够适应不同深海表层土体的采矿车专用履齿装置及方法

技术领域

本发明涉及一种海底工程作业设备技术，尤其是一种能够适应不同深海表层土体性质的采矿车专用履齿装置及方法。

背景技术

多金属结核主要赋存于4000-6000m海底表层土体中。海底表层土体性质不均匀，内聚力和内摩擦角均很小，含水率极高。基于海底表层土特殊力学性质，履带式采矿车成为海底采矿的主要设备。履带上的履齿对海底土体施加向后的水平推动力，海底土体随之发生剪切变形，产生的剪切力便构成履带式采矿车的主要前进动力。但是，海底表层土具有扰动流体化特性，对扰动敏感度极高。水力式矿石采集头利用高压水流采集矿石，采集后的区域成为采矿车的行进区，扰动后行进区的土体强度明显降低。不同区域的海底表层土体的土体性质有所差异，并且被扰动后土体性质的改变程度也无法测量，因此，需要设计一种能够实时测量海底表层土体剪切强度并根据测量的剪切强度匹配合适履齿状态的调整系统。

此外，影响履带式采矿车稳定、有效行驶的因素还有：履齿的设计不当导致履带车迎水面变大，行驶阻力变大；履齿之间因淤泥堵塞导致行驶性能欠佳；侧向水流使采矿车发生侧向位移，导致开采路径偏移，影响采集效率。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不同区域土体剪切强度不同以及扰动后海底土体强度多变而影响履带车行驶动力问题，提供一种能够适应不同深海表层土体的采矿车专用履齿装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种能够适应不同深海表层土体性质的采矿车专用履齿装置，包括履带本体，所述履带本体的上表面上开设有多个平行设置的长条孔，每个长条孔中均设置有一个能够沿长条孔上下自由移动的长条状履带齿，所述履带齿的下端固定有宽度大于长条孔宽度的挡板，挡板下端固定有槽型安装座，相邻两块履带齿为一组将多个履带齿分为多个彼此独立的履带齿组合，每一组履带齿的安装座均与一个履齿推板通过销轴转动连接在一起，每一个履齿推板均由一个设置于履带本体中部空腔中的液压控制及推动装置控制，在履带本体中部空腔的前后端分别设置有一套十字板剪力仪，十字板剪力仪通过数据线与液压控制及推动装置的控制器相连。

所述长条孔与履带本体的两侧边呈倾斜状设置。

所述液压控制及推动装置安装于履带本体中部空腔中相邻两块履带齿之间。方便履带齿的伸出及缩回，避免产生干涉。

所述液压控制及推动装置匹配四根液压杆，由中部位置固定的控制器控制，每套液压控制和推动装置匹配一块履齿推板，四根液压杆固定于履齿推板上。液压控制及推动装置与履齿推板相连接，具体连接方式通过螺丝固定连接，不可分离。履带齿通过螺丝卡箍固定于履齿推板上，不可分离。履带齿固定位置位于履带推板两边，也就是说，履带齿固定于两块相邻履带推板交界处。液压推动装置推动的位移即为履带推板移动位移，同样为履带齿伸出位移。

十字板剪力仪通过螺丝或者焊接的方式固定在前后液压控制及推动装置的横板上，此横板靠近并平行于带有方形孔的履带本体；十字板剪力仪由自身配备的控制装置伸缩，但是，所有的控制装置，包括液压控制装置，都是由履带车自身配备的数据分析及处理电脑设备进行控制。由于履带板与土体接触后，履带面与土体表面平行，而剪力仪的伸缩方向垂直于履带板。那么，当履带板与土体完全接触后，剪力仪可垂直插入土中。

所述采矿车专用履齿装置的使用方法，包括：

将专用履齿装置安装于履带齿车上，当履带车与海底表层土接触并处于稳定状态后，位于履带前侧的深海表层土体剪切强度检测装置的液压伸缩杆插入表层土体，然后其内部伸缩杆及十字剪切板继续插入至一定深度，根据十字板剪切原理测出下部土体的剪切强度，数据将处理分析传输至液压控制装置；

根据获得的剪切强度数据，液压杆将调整履带齿入土角度后，通过液压装置将履齿推板推到相应位置，相应的履带齿推出到合适位置，然后液压装置固定不动，履齿推板固定不动，相应的履带齿也就固定不动；

若下部承载层土体将为软弱，则应匹配较长的履带齿伸出长度以保证履带齿与土体间较强的剪切力，保证行驶动力；

若下部承载层土体将为坚实，则应匹配较短的履带齿伸出长度，在不损失行驶动力的前提下保护履带齿，防止行进过程中履带齿弯折损伤；

之后开始履带车采矿行进过程；

当履带车行驶至事先勘探的不同开采区域，全部履带齿收缩回履带行进机构；再进行表层土体剪切强度检测，匹配合适的履带齿入土角度和长度，履带齿伸出后固定，履带车继续作业。

本发明中的十字板剪力仪可以采用南京泰克奥科技有限公司生产的同类产品，用于测定现场饱和软粘土的天然抗剪强度。其包括数据采集及处理装置、高功率电机马达、高强度伸缩液压杆、外部可伸缩高强度金属套筒以及十字剪切板。检测原理与十字板剪切实验原理一致，运用该装置对土体扰动小，测量数据更为准确。

履带本体上的长条孔方便可动独立履带齿伸出，长条孔长边方向与履带本体边缘呈一定角度倾斜设置。

十字板剪力仪与液压推动装置均位于履带行进机构内部。在履带行进机构前后两部分都装有相同十字板剪力仪。连接于控制装置上的液压控制及推动装置与履齿推板相连接，即履齿推板是由可控制的液压装置推动，履齿推板与两片独立可动履齿相连接，转动节点固定于履齿推板，具有转动自由度。

本发明的有益效果是：

本发明充分考虑了水力式采矿车射流扰动后，不同区域深海表层土体的剪切强度变化程度不同，提出一种能够实时检测扰动后深海表层土体剪切强度装置以及根据检测的剪切强度调整履齿状态的装置：分布于整个行驶履带前后两端的十字板剪力仪，主要运行原理是十字板剪切装置原理，十字板剪力仪为耐高压装备，在检测过程当中能够最大程度的保持检测土体的原位状态，扰动小，保持数据准确；履带本体上的履带齿是可伸缩履齿，在未接地状态下为收缩状态，便于齿间堆积的淤泥清理，同时可以通过履带齿收缩减小迎水面面积，减小行驶阻力；根据检测的剪切强度，通过履带装置中的液压调整装置，确定履齿伸长长度和入土角度后，将履带齿从履带本体内推出并固定，能够为采矿车提供更为强大的推进性能，并且可以保护履带齿，防止履带齿过长或者入土角度错误导致履带齿折损。由于履齿收缩后，齿间淤泥约束状态改变，水流可清理淤泥；由于伸出履齿在履带面上是斜向分布，能够提供一定的侧面积，防止侧移。

附图说明

图1为装置未启动状态剖面图；

图2为装置启动状态剖面图；

图3为装置仰视图；

图4为装置启动状态三维立体图；

图5为单履齿伸出状态及履板三维立体图；

图6为单履齿未伸出状态及履板三维立体图；

图7为剪切强度检测装置三维立体图；

图中：1-履带齿、2-履带本体、3-十字板剪力仪、4-液压推动装置、5-长条孔、6-转动节点、7-十字剪切板、8-液压伸缩杆、9-液压伸缩套筒、10-数据采集及处理装置及高功率电机马达、11-履齿推板、12-液压数控装置、13-横板结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图7所示，适应不同深海表层土体性质的采矿车特殊履齿装置，共包括两部分：十字板剪力仪3（如图7所示）和采矿车履齿匹配装置（如图4所示）。

如图7所示，十字板剪力仪主要有五部分组成：数据采集及处理装置及高功率电机马达10，高强度伸缩液压杆8，外部可伸缩高强度金属套筒9以及十字剪切板7。

如图4所示，采矿车履齿匹配装置主要由以下几部分组成：带有转动节点的可动独立履带齿1，履齿推板11，液压推动装置4，带有长条孔的履带本体2。履带本体2上的长条孔5方便可动独立履带齿1伸出，长条孔5长边方向与履带本体边缘呈一定角度倾斜设置。

履带本体2的上表面上开设有多个平行设置的长条孔5，长条孔5与履带本体2的两侧边呈倾斜状设置。每个长条孔5中均设置有一个能够沿长条孔5上下自由移动的长条状履带齿1，所述履带齿1的下端固定有宽度大于长条孔宽度的挡板，挡板下端固定有槽型安装座，安装座上有销孔，形成与履齿推板11连接的转到节点6，相邻两块履带齿1为一组将多个履带齿1分为多个彼此独立的履带齿组合，每一组履带齿1的安装座均与一个履齿推板11通过销轴转动连接在一起，两者之间具有转动自由度，便于调整履带齿1的入土角度。每一个履齿推板11均由一个设置于履带本体2中部空腔中相邻两块履带齿之间的液压控制及推动装置4控制，方便履带齿的伸出及缩回，避免产生干涉。在履带本体2中部空腔的前后端通过液压数控装置12和液压推动装置4分别安装有一套十字板剪力仪3，十字板剪力仪3通过数据线与液压控制及推动装置4的控制器相连。

液压控制及推动装置4匹配四根液压杆，由中部位置固定的控制器控制，每套液压控制和推动装置匹配一块履齿推板11，四根液压杆固定于履齿推板11上。液压控制及推动装置4与履齿推板11相连接，具体连接方式通过螺丝固定连接，不可分离。履带齿1通过螺丝卡箍固定于履齿推板11上，不可分离。履带齿1固定位置位于履带推板11两边，也就是说，履带齿1固定于两块相邻履带推板11交界处。液压推动装置4推动的位移即为履带推板11移动位移，同样为履带齿1伸出位移。

十字板剪力仪3通过螺丝或者焊接的方式固定在前后液压控制及推动装置的横板结构13上，此横板靠近并平行于带有方形孔的履带本体2；十字板剪力仪由自身配备的控制装置伸缩，但是，所有的控制装置，包括液压控制装置，都是由履带车自身配备的数据分析及处理电脑设备进行控制。由于履带本体2与土体接触后，履带面与土体表面平行，而十字板剪力仪3的伸缩方向垂直于履带本体。那么，当履带本体2与土体完全接触后，剪力仪可垂直插入土中。

将上述装置安装于采矿用履带车上，当履带车与海底表层土接触并处于稳定状态后，位于履带本体2前侧的十字板剪力仪3的液压伸缩杆9插入表层土体，然后其内部伸缩杆8及十字剪切板7继续插入至一定深度，根据十字板剪切原理测出下部土体的剪切强度，数据经处理分析传输至通过液压数控装置12进而控制液压推动装置4。

根据获得的剪切强度数据，液压装置4将调整履带齿1入土角度后，通过液压装置4将履齿推板11推到相应位置，相应的履带齿1推出到合适位置，然后液压装置4固定不动，履带推板11固定不动，相应的履带齿1也就固定不动。若下部承载层土体将为软弱，则应匹配较长的履带齿1伸出长度以保证履齿与土体间较强的剪切力，保证行驶动力；若下部承载层土体将为坚实，则应匹配较短的履齿1伸出长度，在不损失行驶动力的前提下保护履带齿1，防止行进过程中履带齿1弯折损伤。之后开始履带车采矿行进过程。

当履带车行驶至事先勘探的不同开采区域，全部履带齿1收缩回履带行进机构（图4）。再进行表层土体剪切强度检测，匹配合适的履带齿1入土角度和长度，履带齿1伸出后固定，履带车继续作业。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种能够适应不同深海表层土体性质的采矿车专用履齿装置，其特征是，包括履带本体，所述履带本体的上表面上开设有多个平行设置的长条孔，每个长条孔中均设置有一个能够沿长条孔上下自由移动的长条状履带齿，所述履带齿的下端固定有宽度大于长条孔宽度的挡板，挡板下端固定有槽型安装座，相邻两块履带齿为一组将多个履带齿分为多个彼此独立的履带齿组合，每一组履带齿的安装座均与一个履齿推板通过销轴转动连接在一起，每一个履齿推板均由一个设置于履带本体中部空腔中的液压控制及推动装置控制，在履带本体中部空腔的前后端分别设置有一套十字板剪力仪，十字板剪力仪通过数据线与液压控制及推动装置的控制器相连。

2.如权利要求1所述的能够适应不同深海表层土体性质的采矿车专用履齿装置，其特征是，所述长条孔与履带本体的两侧边呈倾斜状设置。

3.如权利要求1所述的能够适应不同深海表层土体性质的采矿车专用履齿装置，其特征是，所述液压控制及推动装置安装于履带本体中部空腔中相邻两块履带齿之间。

4.如权利要求3所述的能够适应不同深海表层土体性质的采矿车专用履齿装置，其特征是，所述液压控制及推动装置匹配四根液压杆，由控制器控制，每套液压控制及推动装置匹配一块履齿推板，四根液压杆固定于履齿推板上。

5.如权利要求3所述的能够适应不同深海表层土体性质的采矿车专用履齿装置，其特征是，液压控制及推动装置与履齿推板通过螺丝固定连接。

6.如权利要求5所述的能够适应不同深海表层土体性质的采矿车专用履齿装置，其特征是，履带齿固定位置位于履带推板两边，也就是说，履带齿固定于两块相邻履带推板交界处；液压推动装置推动的位移即为履带推板移动位移，同样为履带齿伸出位移。

7.如权利要求1所述的能够适应不同深海表层土体性质的采矿车专用履齿装置，其特征是，十字板剪力仪通过螺丝或者焊接的方式固定在前后液压控制及推动装置的横板上，此横板靠近并平行于带有方形孔的履带板。

8.如权利要求1所述的能够适应不同深海表层土体性质的采矿车专用履齿装置，其特征是，十字板剪力仪由自身配备的控制装置伸缩，十字剪力仪的伸缩方向垂直于履带本体，由于履带本体与土体接触后，履带面与土体表面平行，当履带本体与土体完全接触后，十字板剪力仪垂直插入土中。

9.一种利用权利要求1所述采矿车专用履齿装置的使用方法，其特征是，包括：

将专用履齿装置安装于履带齿车上，当履带车与海底表层土接触并处于稳定状态后，位于履带前侧的深海表层土体剪切强度检测装置的液压伸缩杆插入表层土体，然后其内部伸缩杆及十字剪切板继续插入至一定深度，根据十字板剪切原理测出下部土体的剪切强度，数据将处理分析传输至液压控制装置；

根据获得的剪切强度数据，液压杆将调整履带齿入土角度后，通过液压装置将履齿推板推到相应位置，相应的履带齿推出到合适位置，然后液压装置固定不动，履齿推板固定不动，相应的履带齿也就固定不动；

若下部承载层土体将为软弱，则应匹配较长的履带齿伸出长度以保证履带齿与土体间较强的剪切力，保证行驶动力；

若下部承载层土体将为坚实，则应匹配较短的履带齿伸出长度，在不损失行驶动力的前提下保护履带齿，防止行进过程中履带齿弯折损伤；

之后开始履带车采矿行进过程；

当履带车行驶至事先勘探的不同开采区域，全部履带齿收缩回履带行进机构；再进行表层土体剪切强度检测，匹配合适的履带齿入土角度和长度，履带齿伸出后固定，履带车继续作业。

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