CN112747880A - 一种对深海采矿提升系统振动研究的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于深海采矿研究领域。技术方案是：一种对深海采矿提升系统振动研究的实验装置，其特征在于：包括用于混合固液两相流的混合搅拌室、通过管道与混合搅拌室相连接以提供水源的水箱、通过叶轮式给料机与混合搅拌室相连接以提供矿石颗粒的料仓、通过管道与混合搅拌室出口相连接的离心泵、用于驱动离心泵工作的电机、通过管道与离心泵出口相连接的管道箱、安装在管道箱外壁的位移传感器、与位移传感器相连接的电脑、两端分别连接管道箱与混合搅拌室的回流管以及通过分流管并联在回流管上的固液分离装置。该装置可对深海采矿中五种不同类型的管道进行振动实验，以得到最合适的提升管道，保证深海采矿作业安全、高效、可靠地运行。
Description
技术领域
本发明属于深海采矿研究领域，具体是一种对深海采矿提升系统振动研究的实验装置。
背景技术
大洋多金属结核是一种蕴藏量丰富、开采价值大、对国防工业具有重要作用的深海矿产资源，为开采这种矿产资源，世界各国已经开发出多种采矿系统。经过理论和实验研究，普遍认为矿浆泵水力管道提升开采系统最具工业应用前景，该系统主要包括集矿系统、扬矿子系统和水面支撑系统三部分。随着各国对深海采矿技术研究的加深,如何将矿石高效、节能地输送上采矿船成为研究关键。在复杂的海洋动力环境下，长达几千米的扬矿管道会受到各种作用力，产生横向振动和纵向振动。管道的振动会引起内部固液两相流体运动状态的改变，从而对管道的输送特性产生重要影响。因此，对管道的振动特性进行研究,对于深海采矿的高效、安全是很有意义的。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种对深海采矿提升系统振动研究的实验装置，该装置可对深海采矿中五种不同类型的管道进行振动实验，以得到最合适的提升管道，保证深海采矿作业安全、高效、可靠地运行。
本发明提供的技术方案是：
一种对深海采矿提升系统振动研究的实验装置，其特征在于：包括用于混合固液两相流的混合搅拌室、通过管道与混合搅拌室相连接以提供水源的水箱、通过叶轮式给料机与混合搅拌室相连接以提供矿石颗粒的料仓、通过管道与混合搅拌室出口相连接的离心泵、用于驱动离心泵工作的电机、通过管道与离心泵出口相连接的管道箱、安装在管道箱外壁的位移传感器、与位移传感器相连接的电脑、两端分别连接管道箱与混合搅拌室的回流管以及通过分流管并联在回流管上的固液分离装置；所述管道箱中设置有五组结构不同的测试管道，每组测试管道的两端分别通过阀门连接管道箱的进口和出口；所述管道箱的进口处安装有惯性式激振器；所述回流管、分流管以及水箱的出口处均安装有开关阀。
五组测试管道中，第一组测试管道由依次连接的第一组一级硬管、第一组第一单级离心泵、第一组二级硬管、第一组中间仓、第一组三级硬管、第一组第二单级离心泵和第一组四级硬管组成。
五组测试管道中，第二组测试管道由依次连接的第二组一级硬管、第二组单级离心泵和第二组二级软管组成。
五组测试管道中，第三组测试管道由依次连接的第三组一级软管、第三组单级离心泵和第三组二级软管组成。
五组测试管道中，第四组测试管道由第四组一级硬管、第四组单级离心泵和第四组二级软管组成。
五组测试管道中，第五组测试管道由依次连接的第五组一级硬管、第五组第一两级离心泵、第五组二级硬管、第五组中间仓、第五组三级硬管、第五组第二两级离心泵和第五组四级硬管组成。
五组测试管道中，各硬管和软管的外壁均安装有动力吸振器。
五组测试管道中，各离心泵与管道之间通过非线性弹性接头相连接。
所述混合搅拌室的出口处安装有电磁流量计；所述离心泵的进口处安装有进口压力传感器，离心泵的出口处安装有出口压力传感器；所述电机的转动轴上安装有扭矩计。
所述固液分离装置的中部设置有滤网，以分离固液两相流，便于回收固体矿石颗粒。
本发明的有益效果是：
本实验装置的管道箱中设置有五组不同类型的测试管道，通过控制各测试管道两端阀门的开闭，可将五组测试管道分别接入实验装置回路中；通过安装在管道箱进口处的惯性式激振器，可模拟海水波动；通过安装在管道箱外壁的位移传感器，可将管道箱的振动信号传输到电脑，对不同测试管道的振动情况进行分析，从而实现了对五种不同类型的测试管道进行振动研究，并且实验结果准确，有利于获取最适合的提升管道，以保证深海采矿作业安全、高效、可靠地运行。另外，实验结束后，通过固液分离装置可对矿石颗粒进行回收，便于循环利用。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明所述管道箱的内部结构示意图。
附图标号：
1、电机；2、扭矩计；3、离心泵；4、出口压力传感器；5、惯性式激振器；6、位移传感器；7、管道箱；7.11、第一组一级硬管；7.12、第一组第一单级离心泵；7.13、第一组二级硬管；7.14、第一组中间仓；7.15、第一组三级硬管；7.16、第一组第二单级离心泵；7.17、第一组四级硬管；7.21、第二组一级硬管；7.22、第二组单级离心泵；7.23、第二组二级软管；7.31、第三组一级软管；7.32、第三组单级离心泵；7.33、第三组二级软管；7.41、第四组一级硬管；7.42、第四组单级离心泵；7.43、第四组二级软管；7.51、第五组一级硬管；7.52、第五组第一两级离心泵；7.53、第五组二级硬管；7.54、第五组中间仓；7.55、第五组三级硬管；7.56、第五组第二两级离心泵；7.57、第五组四级硬管；7.6、阀门；7.7、动力吸振器；7.8、非线性弹性接头；8、电脑；9、回流管；10、开关阀；11、分流管；12、混合搅拌室；13、电磁流量计；14、进口压力传感器；15、叶轮式给料机；16、料仓；17、水箱；18、固液分离装置；19、滤网。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例进一步说明。
如图1所示的对深海采矿提升系统振动研究的实验装置，包括水箱17、料仓16、混合搅拌室12、离心泵3、电机1、管道箱7、位移传感器、电脑8、回流管9和固液分离装置18。所述水箱通过管道与混合搅拌室相连接，用于提供水源；水箱的出口处安装有开关阀10。所述料仓通过叶轮式给料机15与混合搅拌室相连接，用于提供矿石颗粒。所述混合搅拌室用于将水和矿石颗粒进行混合形成固液两相流(图1中的箭头方向为固液两相流在各管道内的流动方向)；混合搅拌室的出口处安装有电磁流量计13，用于控制混合搅拌室的出口流量。
所述离心泵的进口处安装有进口压力传感器14，离心泵的出口处安装有出口压力传感器4，可通过测量离心泵的进出口压力，计算出离心泵的性能；所述离心泵的进口通过管道与混合搅拌室的出口相连接。所述电机用于驱动离心泵工作，并且电机的转动轴上安装有扭矩计2，以检测电机的输出扭矩。所述管道箱通过管道与离心泵的出口相连接；管道箱中设置有五组结构不同的测试管道，每组测试管道的两端分别通过阀门7.6连接管道箱的进口和出口，通过控制各测试管道两端阀门的开闭，可将五组测试管道分别接入实验装置回路中进行振动实验。
如图2所示，五组测试管道中，第一组测试管道为四级阶梯式管道提升系统，由依次连接的第一组一级硬管7.11、第一组第一单级离心泵7.12、第一组二级硬管7.13、第一组中间仓7.14、第一组三级硬管7.15、第一组第二单级离心泵7.16和第一组四级硬管7.17组成；第二组测试管道为全硬管提升管道，由依次连接的第二组一级硬管7.21、第二组单级离心泵7.22和第二组二级软管7.23组成；第三组测试管道为全软管提升管道，由依次连接的第三组一级软管7.31、第三组单级离心泵7.32和第三组二级软管7.33组成；第四组测试管道由第四组一级硬管7.41、第四组单级离心泵7.42和第四组二级软管7.43组成；第五组测试管道为四级阶梯式管道提升系统，由依次连接的第五组一级硬管7.51、第五组第一两级离心泵7.52、第五组二级硬管7.53、第五组中间仓7.54、第五组三级硬管7.55、第五组第二两级离心泵7.56和第五组四级硬管7.57组成。五组测试管道中，各离心泵与管道之间通过非线性弹性接头7.8相连接，并且各硬管和软管的外壁均安装有动力吸振器7.7，通过共振系统吸收测试管道的振动能量，从而减小测试管道的振动。
所述管道箱的进口处安装有惯性式激振器5，用于模拟海水波动。所述管道箱的外壁安装有位移传感器6，位移传感器通过电线与电脑相连接，以便将采集的振动信号传输至电脑，对不同测试管道的振动情况进行分析。
所述回流管的两端分别连接管道箱与混合搅拌室，从而使混合搅拌室、离心泵和管道箱形成回路。所述固液分离装置通过分流管11并联在回流管上；固液分离装置的中部设置有滤网19，以分离固液两相流，回收固体矿石颗粒。所述回流管和分流管上均安装有开关阀；当需要对测试管道进行振动实验时，开启回流管开关阀，同时关闭分流管开关阀；实验结束后，关闭回流管开关阀，同时开启分流管开关阀，对矿石颗粒进行回收。
本发明的工作原理如下：
料仓经过叶轮式给料机提供实验需要的矿石颗粒，水箱提供需要的水源，矿石颗粒和水源在混合搅拌室经充分混合后，得到一定质量浓度的固液两相流；固液两相流经混合搅拌室的出口流出，并由电磁流量计控制流量，经过离心泵到达管道箱；开启管道箱中需要实验的测试管道两端的阀门，同时关闭非实验测试管道两端的阀门，可对五组测试管道分别进行振动研究；惯性式激振器通过提供低频的振动频率来模拟海水波动，位移传感器将采集到的管道箱振动数据传输至电脑上，对测试管道的振动情况进行；开启回流管开关阀，同时关闭分流管开关阀，固液两相流再次流经混合搅拌室进行循环；实验结束后，关闭回流管开关阀，同时打开分流管开关阀，固液两相流进入固液分离装置，经过滤网将矿石颗粒和水进行分离，回收矿石颗粒，以进行其它质量浓度的固液两相流对管道振动影响的实验，最终实验结束后回收矿石颗粒结束实验。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并未限制本发明的专利范围，利用本发明说明书及附图内容所述结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种对深海采矿提升系统振动研究的实验装置，其特征在于：包括用于混合固液两相流的混合搅拌室(12)、通过管道与混合搅拌室相连接以提供水源的水箱(17)、通过叶轮式给料机(15)与混合搅拌室相连接以提供矿石颗粒的料仓(16)、通过管道与混合搅拌室出口相连接的离心泵(3)、用于驱动离心泵工作的电机(1)、通过管道与离心泵出口相连接的管道箱(7)、安装在管道箱外壁的位移传感器(6)、与位移传感器相连接的电脑(8)、两端分别连接管道箱与混合搅拌室的回流管(9)以及通过分流管(11)并联在回流管上的固液分离装置(18)；所述管道箱中设置有五组结构不同的测试管道，每组测试管道的两端分别通过阀门(7.6)连接管道箱的进口和出口；所述管道箱的进口处安装有惯性式激振器(5)；所述回流管、分流管以及水箱的出口处均安装有开关阀(10)。
2.根据权利要求1所述的对深海采矿提升系统振动研究的实验装置，其特征在于：五组测试管道中，第一组测试管道由依次连接的第一组一级硬管(7.11)、第一组第一单级离心泵(7.12)、第一组二级硬管(7.13)、第一组中间仓(7.14)、第一组三级硬管(7.15)、第一组第二单级离心泵(7.16)和第一组四级硬管(7.17)组成。
3.根据权利要求2所述的对深海采矿提升系统振动研究的实验装置，其特征在于：五组测试管道中，第二组测试管道由依次连接的第二组一级硬管(7.21)、第二组单级离心泵(7.22)和第二组二级软管(7.23)组成。
4.根据权利要求3所述的对深海采矿提升系统振动研究的实验装置，其特征在于：五组测试管道中，第三组测试管道由依次连接的第三组一级软管(7.31)、第三组单级离心泵(7.32)和第三组二级软管(7.33)组成。
5.根据权利要求4所述的对深海采矿提升系统振动研究的实验装置，其特征在于：五组测试管道中，第四组测试管道由第四组一级硬管(7.41)、第四组单级离心泵(7.42)和第四组二级软管(7.43)组成。
6.根据权利要求5所述的对深海采矿提升系统振动研究的实验装置，其特征在于：五组测试管道中，第五组测试管道由依次连接的第五组一级硬管(7.51)、第五组第一两级离心泵(7.52)、第五组二级硬管(7.53)、第五组中间仓(7.54)、第五组三级硬管(7.55)、第五组第二两级离心泵(7.56)和第五组四级硬管(7.57)组成。
7.根据权利要求6所述的对深海采矿提升系统振动研究的实验装置，其特征在于：五组测试管道中，各硬管和软管的外壁均安装有动力吸振器(7.7)。
8.根据权利要求7所述的对深海采矿提升系统振动研究的实验装置，其特征在于：五组测试管道中，各离心泵与管道之间通过非线性弹性接头(7.8)相连接。
9.根据权利要求8所述的对深海采矿提升系统振动研究的实验装置，其特征在于：所述混合搅拌室的出口处安装有电磁流量计(13)；所述离心泵的进口处安装有进口压力传感器(14)，离心泵的出口处安装有出口压力传感器(5)；所述电机的转动轴上安装有扭矩计(2)。
10.根据权利要求9所述的对深海采矿提升系统振动研究的实验装置，其特征在于：所述固液分离装置的中部设置有滤网(19)，以分离固液两相流，便于回收固体矿石颗粒。
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