CN111017058A - 海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置及其自救方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置，包括履带行进装置，履带行进装置的外侧安装有能够展开及收起的支撑板，支撑板中心沿其长度方向开设有长条孔，履带行进装置内腔设置有液压控制装置和能够水平伸缩的动力轮，动力轮外圆周上固定安装有拨土齿轮，液压控制装置通过上下两排液压杆分别与支撑板球形铰接，形成万向节，在液压控制装置控制下，液压杆推动支撑板由竖直状态向水平状态展开，动力轮水平伸出后，拨土齿轮恰好处于支撑板的长条孔中。本发明同时还公开了利用该自救装置的自救方法。该方法及装置能够实现集矿车在沉陷后自救脱困，脱离沉陷区域，矿石漏采率低，保障采矿集矿工作的持续进行。

Description

海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置及其自救方法

技术领域

本发明涉及一种深海采矿作业技术，尤其是一种海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置及其自救方法。

背景技术

深海海底蕴含丰富的多金属结核、多金属硫化物以及钴结壳等固体矿石资源，已探明的储量达数百亿吨，是解决全球资源、能源紧缺问题的重要方向。

深海洋底多金属结核资源赋存环境恶劣，多金属结核资源呈面式分布，面富集程度约6~10 kg/m²，赋存分散，且仅赋存于海底0~25cm表层稀软土中，赋存土体抗剪强度低（0~6kPa），承载能力差。集矿车前方射流破土采矿，海底稀软底质土受到较大扰动，其承载能力大幅度下降，集矿车行走过程中极易发生沉陷。承载土体沉陷破坏类型与陆地整体剪切破坏不同，类似冲剪破坏，将会导致沉陷发生突然，使集矿车停止工作，严重影响采矿效率。

为了克服上述问题，拟研究一种履带车采矿过程中发生沉陷后脱困自救方法及装置，使集矿车在发生沉陷后有能力自行解决行车沉陷问题，同时保证采集率。

申请号为201710695314.1的中国专利申请公布了一种海底集矿车行走底盘及其自救方法，前伸缩架与后伸缩架的一端分别与所述本体的前后两侧伸缩连接，该本体的前后两侧均安装有推拉油缸，两侧推拉油缸的活塞杆分别与所述前伸缩架和后伸缩架相连，该前伸缩架及后伸缩架通过所述推拉油缸的驱动伸缩；所述前伸缩架及后伸缩架的另一端均连接有步进油缸，该步进油缸的活塞杆连接有在所述履带系统出现打滑或行走困难时完成支撑步进的支撑滑靴，该支撑滑靴通过所述步进油缸的驱动升降。该申请通过设计支撑装置，将沉陷集矿车撑起，离开沉陷土，通过伸缩装置，实现集矿车牵引前进，带离沉陷区，后收回装置，将集履带行走与支撑步进相结合。然而该过程复杂，且沉陷区一旦面积过大，将极大影响行进效率，且在由于破土过程，沉陷区往往与矿区位置重合，该设计在使集矿车脱离沉陷区过程中，无法同时进行矿产采集，这会造成极大的浪费，严重影响采矿集矿效率。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术中海底稀软土质集矿车行走沉陷问题，提供一种海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置及其自救方法，该方法及装置能够实现集矿车在沉陷后自救脱困，脱离沉陷区域，矿石漏采率低，保障采矿集矿工作的持续进行。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置，包括履带行进装置，履带行进装置的外侧安装有能够展开及收起的支撑板，支撑板中心沿其长度方向开设有长条孔，履带行进装置内腔设置有液压控制装置和能够水平伸缩的动力轮，动力轮外圆周上固定安装有拨土齿轮，液压控制装置通过上下两排液压杆分别与支撑板球形铰接，形成万向节，在液压控制装置控制下，液压杆推动支撑板由竖直状态向水平状态展开，动力轮水平伸出后，拨土齿轮恰好处于支撑板的长条孔中。

所述支撑板上设置有多条突出的与其长边平行的加固筋梁，能够避免高强度支撑板在展开过程中变形弯折破坏，且加固筋梁具有一定的高度，在高强度支撑板完全展开时插入土体中，在一定程度上能够保证车辆在脱困过程中行驶方向稳定。

所述支撑板上开设有多个排水孔。排水孔和长条孔可防止高强度支撑板在展开过程中引起的水流变化对下部承载土体进行扰动以及减小展开阻力。

所述支撑板为雪橇状，即两端向上弧形折弯，且前端翘起幅度大于尾端。防止高强度支撑板完全展开后，随着集矿车的行进，高强度支撑板插入土中，使得车辆脱困困难。

所述长条孔宽度大于动力轮宽度，方便动力轮及拨土齿轮安放于长条孔中，便于拨土。

所述支撑板面积大于集矿车履带行进装置侧面积，支撑板的前端翘起部分收起时在履带前端之前，高强度支撑板的后端翘起部分收起时在履带后端之后，避免对履带行走造成干涉影响。

所述液压杆共有六套，上下平行对应设置，将履带与支撑板的前中后端分别连接驱动，都是由液压控制装置驱动，前中后部各布置两套。

所述动力轮通过伸缩装置与液压控制装置连接，并由液压控制装置控制其伸缩动作，动力轮的动力来源于集矿车自身动力源。

所述动力轮位于履带行进装置内两端设置的履带机动轮之间，拨土齿轮直径小于履带机动轮直径，当拨土齿轮位于履带行进装置内时，拨土齿轮与履带行进装置的履带有间隙，能够避免拨土齿轮对履带行走造成干涉，

所述动力轮的尺寸小于履带内部驱动尺寸，宽度较宽，便于在其上布置拨土轮齿。

所述伸缩装置为液压装置及一切施力装置均可；伸缩装置受液压伸缩控制装置驱动，液压伸缩控制装置装有数据处理器，接受数据处理系统反馈数据，控制伸缩装置伸长与收缩，不断对动力轮位置进行反馈调节。伸缩装置数量应与动力轮数量相匹配。

上述所有技术特征，履带车左右侧履带上装置配置完全一致。

利用海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置的自救方法，包括：

1）当集矿车发生沉陷后，通过车辆自身的传感定位系统确定沉陷深度，待数据确定后，通过液压控制装置驱动液压杆将紧贴于履带侧面的支撑板以一定速率向外展开；

2）支撑板在展开过程中挤压下部土体，下部土体产生垂直于支撑板板面的反作用力，反作用力分解为向上的提升力和集矿车方向的压力，支撑板挤压土体受到的反作用力可将履带车顶起；

3）支撑板完全展开后，通过履带行进装置中的液压控制装置驱动伸缩装置将动力轮伸出至支撑板的预留长条孔中，并且动力轮向下移动达到最佳行驶位置；

4）待动力轮布置完成，集矿车履带行进装置和动力轮驱动，由于沉陷区土体强度较弱，在高强度支撑板的挤压下，土体会逐渐向长条孔移动，动力轮上的拨土齿轮向后拨土，拨土产生的空隙会被其周围的受挤压土体填充形成新的拨动区域，为拨土齿轮提供持续反作用力；

5）集矿车动力轮驱动，且前部集矿头可继续采矿，通过各系统装置一系列配合，集矿车移动出沉陷位置，实现集矿车沉陷脱困自救，同时将矿石漏采率降到最低。

本发明的矿车中有车辆自身传感定位系统，用以定位确定集矿车是否发生行走困难及沉陷等状况，进行数据处理并且向控制伸缩装置发出指令，为该发明实现所需的辅助系统，是现有技术，在此不再赘述。

本发明的有益效果是：

1、本发明解决海底集矿车稀软土沉陷脱困问题，依靠高强度支撑板与土体的相互作用反力将集矿车车体顶起，脱离沉陷坑。高强度支撑板的设计能够尽量减小对下部承载土体的扰动，高强度支撑板上的排水孔和动力轮空隙（即长条孔）能够让水流经过，防止在高强度支撑板展开过程中引起的水流扰动下部土体，引发二次沉陷。

2、在集矿车被高强度支撑板顶起脱离沉陷坑之后，履带车利用动力轮缓慢移出沉陷区域，而在移动过程中，前方集矿头可继续进行矿石采集，确保在脱困的同时采集作业继续进行，保证矿石采集率。

附图说明

图1为未沉陷时矿车三维图；

图2为沉陷后高强度支撑板展开动力轮伸展过程三维图；

图3为沉陷后高强度支撑板展开动力轮完全伸展三维图；

图4为未沉陷时矿车侧视图；

图5为沉陷时矿车侧视图；

图6为沉陷时高强度支撑板和动力轮展开时矿车侧视图；

图7为矿车移动出沉陷区域侧视图；

图中：1-支撑板、2-履带行进装置、3-动力轮、4-履带机动轮、5、转向液压杆、6-伸缩装置、7-长条孔、8-排水孔、9-液压控制装置。

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，海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置，包括履带行进装置2，履带行进装置2的外侧安装有能够展开及收起的支撑板1，支撑板1为雪橇状，即两端向上弧形折弯，且前端翘起幅度大于尾端。防止高强度支撑板1完全展开后，随着集矿车的行进，高强度支撑板插1入土中，使得车辆脱困困难。

支撑板1面积大于集矿车履带行进装置2侧面积，支撑板1前端翘起部分收起时在履带前端之前，高强度支撑板1的后端翘起部分收起时在履带后端之后，避免对履带行走造成干涉影响。

支撑板1上设置有多条突出的与其长边平行的加固筋梁，能够避免高强度支撑板1在展开过程中变形弯折破坏，且加固筋梁具有一定的高度，在高强度支撑板1完全展开时插入土体中，在一定程度上能够保证车辆在脱困过程中行驶方向稳定。

履带行进装置2内腔设置有液压控制装置9和能够水平伸缩的动力轮3，动力轮3外圆周上固定安装有拨土齿轮；动力轮3通过伸缩装置6与液压控制装置9连接，并由液压控制装置9控制其伸缩及伸缩后的小幅度上下移动，动力轮3的动力来源于集矿车自身动力源。

动力轮3位于履带行进装置2内两端设置的履带机动轮4之间，拨土齿轮直径小于履带机动轮4直径，当拨土齿轮位于履带行进装置2内时，拨土齿轮与履带行进装置2的履带有间隙，能够避免拨土齿轮对履带行走造成干涉。动力轮3的尺寸小于履带内部驱动尺寸，宽度较宽，便于在其上布置拨土轮齿。

支撑板1中心沿其长度方向开设有长条孔7，长条孔7宽度大于动力轮3宽度，方便动力轮3及拨土齿轮安放于长条孔3中，便于拨土。

支撑板1上开设有多个排水孔8。排水孔8和长条孔7可防止高强度支撑板1在展开过程中引起的水流变化对下部承载土体进行扰动以及减小展开阻力。

支撑板1的前后侧边及中间位置设置有活动连接头，支撑板1与履带行进装置2连接部分采用坚固金属材料制成的转向液压杆5；液压控制装置9通过上下两排转向液压杆5分别与支撑板1球形铰接，形成万向节，在液压控制装置9控制下，转向液压杆5推动支撑板1由竖直状态向水平状态展开，动力轮3水平伸出后，拨土齿轮恰好处于支撑板1的长条孔7中。

转向液压杆5共有六套，上下平行对应设置，将履带与支撑板1的前中后端分别连接驱动，都是由液压控制装置9驱动，前中后部各布置两套。

伸缩装置6为液压装置及一切施力装置均可；伸缩装置6受液压控制装置9驱动，液压控制装置9装有数据处理器，接受数据处理系统反馈数据，控制伸缩装置6伸长与收缩，不断对动力轮位置进行反馈调节。伸缩装置6数量应与动力轮数量相匹配。上述所有技术特征，履带车左右侧履带上装置配置完全一致。

利用海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置的自救方法，包括：

1）当集矿车发生沉陷后，通过车辆自身的传感定位系统确定沉陷深度，待数据确定后，通过液压控制装置9驱动液压杆5将紧贴于履带侧面的支撑板1以一定速率向外展开；

2）支撑板1在展开过程中挤压下部土体，下部土体产生垂直于支撑板1板面的反作用力，反作用力分解为向上的提升力和集矿车方向的压力，支撑板1挤压土体受到的反作用力可将履带车顶起；

3）支撑板1完全展开后，通过履带行进装置2中的液压控制装置9驱动伸缩装置6将动力轮3伸出至支撑板1的预留长条孔7中，并且动力轮3向下移动达到最佳行驶位置；

4）待动力轮3布置完成，集矿车履带行进装置2和动力轮3驱动，由于沉陷区土体强度较弱，在高强度支撑板1的挤压下，土体会逐渐向长条孔7移动，动力轮3上的拨土齿轮向后拨土，拨土产生的空隙会被其周围的受挤压土体填充形成新的拨动区域，为拨土齿轮提供持续反作用力。

5）集矿车动力轮3驱动，且前部集矿头可继续采矿，通过各系统装置一系列配合，集矿车移动出沉陷位置，实现集矿车沉陷脱困自救，同时将矿石漏采率降到最低。

本发明的矿车中有车辆自身传感定位系统，用以定位确定集矿车是否发生行走困难及沉陷等状况，进行数据处理并且向控制伸缩装置发出指令，为该发明实现所需的辅助系统，是现有技术，在此不再赘述。

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 (10)

1.一种海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置，包括履带行进装置，其特征是，履带行进装置的外侧安装有能够展开及收起的支撑板，支撑板中心沿其长度方向开设有长条孔，履带行进装置内腔设置有液压控制装置和能够水平伸缩的动力轮，动力轮外圆周上固定安装有拨土齿轮，液压控制装置通过上下两排液压杆分别与支撑板球形铰接，形成万向节，在液压控制装置控制下，液压杆推动支撑板由竖直状态向水平状态展开，动力轮水平伸出后，拨土齿轮恰好处于支撑板的长条孔中。

2.如权利要求1所述的海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置，其特征是，所述支撑板上设置有多条突出的与其长边平行的加固筋梁，且加固筋梁具有一定的高度。

3.如权利要求1所述的海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置，其特征是，所述支撑板上开设有多个排水孔。

4.如权利要求1所述的海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置，其特征是，所述支撑板为雪橇状，即两端向上弧形折弯，且前端翘起幅度大于尾端。

5.如权利要求1所述的海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置，其特征是，所述长条孔宽度大于动力轮宽度。

6.如权利要求1所述的海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置，其特征是，所述支撑板面积大于集矿车履带行进装置侧面积，支撑板的前端翘起部分收起时在履带前端之前，高强度支撑板的后端翘起部分收起时在履带后端之后。

7.如权利要求1所述的海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置，其特征是，所述液压杆共有六套，上下平行对应设置，将履带行走装置与支撑板的前中后端分别连接驱动，都是由液压控制装置驱动，前中后部各布置两套。

8.如权利要求1所述的海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置，其特征是，所述动力轮通过伸缩装置与液压控制装置连接，并由液压控制装置控制其伸缩动作，动力轮的动力来源于集矿车自身动力源。

9.如权利要求1所述的海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置，其特征是，所述动力轮位于履带行进装置内两端设置的履带机动轮之间，动力轮的尺寸小于履带内部驱动尺寸，其上布置拨土轮齿，拨土齿轮直径小于履带机动轮直径，当拨土齿轮位于履带行进装置内时，拨土齿轮与履带行进装置的履带有间隙，能够避免拨土齿轮对履带行走造成干涉。

10.利用海海底集矿车行走过程中沉陷脱困自救装置的自救方法，其特征是，包括：

1）当集矿车发生沉陷后，通过车辆自身的传感定位系统确定沉陷深度，待数据确定后，通过液压控制装置驱动液压杆将紧贴于履带侧面的支撑板以一定速率向外展开；

2）支撑板在展开过程中挤压下部土体，下部土体产生垂直于支撑板板面的反作用力，反作用力分解为向上的提升力和集矿车方向的压力，支撑板挤压土体受到的反作用力可将履带车顶起；

3）支撑板完全展开后，通过履带行进装置中的液压控制装置驱动伸缩装置将动力轮伸出至支撑板的预留长条孔中，并且动力轮向下移动达到最佳行驶位置；

4）待动力轮布置完成，集矿车履带行进装置和动力轮驱动，由于沉陷区土体强度较弱，在高强度支撑板的挤压下，土体会逐渐向长条孔移动，动力轮上的拨土齿轮向后拨土，拨土产生的空隙会被其周围的受挤压土体填充形成新的拨动区域，为拨土齿轮提供持续反作用力；

5）集矿车动力轮驱动，且前部集矿头可继续采矿，通过各系统装置一系列配合，集矿车移动出沉陷位置，实现集矿车沉陷脱困自救，同时将矿石漏采率降到最低。

Images