CN112747948A - 模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置及其方法，其技术方案是：模拟箱右端通过循环装置连接循环箱，所述模拟箱底端通过螺栓固定安装激振器，所述模拟箱内部设有海水，所述模拟箱底端中间卡接模拟测试装置，所述模拟箱内部上端套接压力装置，所述模拟箱内部底端左侧卡接压力传感器。本发明的有益效果是：本发明通过实时观察流量计、弹簧测力计和微型压力传感器，确定管道可承受的流量和压力，且测量软管需要多少浮体材料才能顺畅采矿，以解决无法确定管道材质和浮力材料的问题,达到实现模拟海底波动的效果，且达到可测量软管需要多少浮体材料才能顺畅采矿的效果，从而得到深海采矿海水波动对管道影响的效果。
Description
技术领域
本发明涉及深海采矿技术领域，特别涉及一种模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置及其方法。
背景技术
海底采矿是对海底矿产资源进行开采的工作，主要采集水深较浅的海底表层沉积物，如砂矿、磷灰石及多金属结核等；现阶段海底资源的开采关键技术主要有两个方面：一是海底矿体的采掘；二是矿石的水下提升运输；而其中的核心是技术难度较大的海底采矿设备和矿石提升设备。
现有技术存在以下不足：现有的硬管采矿系统是的输送管道是由硬管和软管组成，多台输送泵安装在硬管上对矿石混合流体接力输送，但在对深海采矿时，由于压力、浮力的不同，所采用的管道材质不同、浮力材料数量不同，确保深海采矿的成功率。
因此，发明一种模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置很有必要。
本发明内容
为此，本发明提供一种模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置及其方法，通过启动实验后，观察软管的状态，确保软管的使用情况，再实时观察流量计、弹簧测力计和微型压力传感器，确定管道可承受的流量和压力，且测量软管需要多少浮体材料才能顺畅采矿，以解决无法确定管道材质和浮力材料的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置，包括模拟箱，所述模拟箱右端通过循环装置连接循环箱，所述模拟箱底端通过螺栓固定安装激振器，所述模拟箱内部设有海水，所述模拟箱底端中间卡接模拟测试装置，所述模拟箱内部上端套接压力装置；
所述模拟箱内部底端左侧卡接压力传感器；
所述模拟测试装置包括水泵，所述水泵卡接在所述模拟箱的内部底端中间，所述水泵输出端连接软管，所述软管底端连接流量计，所述软管外壁套接浮体材料，所述浮体材料外壁底端卡接弹簧测力计，所述弹簧测力计底端套接皮绳，所述皮绳另一端套接固定座的内部，所述固定座焊接在所述模拟箱的内部底端右侧，所述软管穿过密封圈连接循环箱的顶端，所述软管内部设有微型压力传感器，所述微型压力传感器卡接在橡胶卡块的内部，所述微型压力传感器通过所述橡胶卡块卡接在所述软管内部。
优选的，所述模拟箱外壁底端左侧连接下水管，所述下水管左端连接水流循环泵的输入端，所述水流循环泵的输出端连接水流管，所述模拟箱内部底端中间通过螺栓固定安装卡座。
优选的，所述下水管外壁设有下水管阀，所述水流管外壁设有水流管阀，所述卡座内部卡接水泵。
优选的，所述循环装置包括循环管，所述循环管中间通过循环泵连接。
优选的，所述循环管外壁设有循环阀。
优选的，所述循环箱底端设有支架，所述循环箱外壁顶端左侧套接滑轮，所述滑轮外壁套接所述软管。
优选的，所述压力装置包括橡胶压块，所述橡胶压块套接在所述模拟箱的内部上端，所述橡胶压块顶端通过螺栓固定安装T型压板，所述T型压板顶端两侧通过螺栓固定安装液压缸，所述液压缸的输出端通过螺栓固定安装在所述模拟箱的外壁顶端两侧。
本发明提到的模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置的使用方法，包括以下操作步骤：
S1：在实验前，先测量浮体材料的重量；
S2：通过将压力传感器卡接在模拟箱的内部底端，将模拟测试装置卡接在卡座内部，防止压力传感器和模拟测试装置在实验时脱落移动；
S3：通过将软管底端连接的流量计连接水泵的输出端，将软管外壁套接浮体材料，再将浮体材料外壁底端卡接弹簧测力计，弹簧测力计底端套接皮绳，皮绳另一端套接固定座的内部，确保弹簧测力计的测力数值准确；
S4：通过将微型压力传感器通过橡胶卡块卡接在软管内部；
S5：将软管穿过密封圈连接循环箱的顶端，使软管缠绕滑轮，插接在循环箱的顶端；
S6：再将橡胶压块套接在模拟箱的内部顶端，再通过将T型压板两端的液压缸的输出端通过螺栓固定安装在模拟箱的外壁顶端两侧；
S7：当安装结束后，通过启动液压缸，使液压缸带动T型压板下移动，从而使橡胶压块向模拟箱内部下压，通过观察压力传感器，直到达到海底压力值时，开始采矿模拟实验；
S8：当实验开始时，通过打开下水管阀和水流管阀，在水流循环泵的作用下，使模拟箱内部的海水通过下水管和水流管进入模拟箱内部，使模拟箱内部的海水形成水流，通过控制水流循环泵的输出功率，从而来控制海水的水流流速，实现模拟海底水流速率；
S9：通过启动激振器时，使模拟箱晃动，从而实现模拟海底波动；
S10：通过启动水泵，使模拟测试装置达到模拟海底采矿的效果；
S11：当模拟测试装置进行采矿模拟操作时，开启循环泵，使抽取到循环箱内的海水循环进入模拟箱内部；
S12：通过观察软管的状态，确保软管的使用情况，再实时观察流量计，记录开采流量大小，测量软管的水流速率；
S13：通过实时观察微型压力传感器，记录实时压力值，测量软管可承受的压力值；
S14：再通过观察弹簧测力计，记录弹簧测力计的压力数值，通过将此时的压力数值减去相应浮体材料的重量，得到浮力数值，测量软管需要多少浮体材料才能顺畅采矿。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过打开下水管阀和水流管阀，在水流循环泵的作用下，使模拟箱内部的海水通过下水管和水流管进入模拟箱内部，使模拟箱内部的海水形成水流，通过控制水流循环泵的输出功率，从而来控制海水的水流流速，达到模拟海底水流速率的效果；
通过模拟箱底端通过螺栓固定安装激振器，当启动激振器时，使模拟箱晃动，从而达到实现模拟海底波动的效果；
当模拟测试装置进行采矿模拟操作时，开启循环泵，使抽取到循环箱内的海水循环进入模拟箱内部，起到循环的作用，达到增加实验时间的效果；
通过观察软管的状态，确保软管的使用情况，再实时观察流量计，记录开采流量大小，达到测量软管的水流速率的效果，通过实时观察微型压力传感器，记录实时压力值，达到测量软管可承受的压力值的效果，再通过观察弹簧测力计，记录弹簧测力计的压力数值，通过将此时的压力数值减去相应浮体材料的重量，得到浮力数值，达到可测量软管需要多少浮体材料才能顺畅采矿的效果，从而得到深海采矿海水波动对管道影响的效果；
在实验开始前，通过启动液压缸，使液压缸带动T型压板下移动，从而使橡胶压块向模拟箱内部下压，通过观察压力传感器，直到达到海底压力值时，开始采矿模拟实验，达到模拟海底压力值的效果。
附图说明
图1为本发明提供的整体结构示意图；
图2为本发明提供的压力装置结构示意图；
图3为本发明提供的模拟测试装置结构示意图；
图4为本发明提供的卡座右视结构示意图；
图5为本发明提供图3中的A区域的放大图；
图6为本发明提供的软管剖面结构示意图；
图7为本发明提供的滑轮左视结构示意图。
图中：模拟箱1、下水管11、下水管阀111、水流循环泵12、水流管13、水流管阀131、卡座14、循环装置2、循环管21、循环阀211、循环泵22、循环箱3、支架31、滑轮32、激振器4、海水5、压力传感器51、模拟测试装置6、水泵61、软管62、流量计621、浮体材料63、弹簧测力计64、皮绳65、固定座66、密封圈67、微型压力传感器68、橡胶卡块69、压力装置7、橡胶压块71、T型压板72、液压缸73。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，参照图1-图7，本发明提供的一种模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置，包括模拟箱1、循环装置2、循环箱3、激振器4、海水5、模拟测试装置6和压力装置7；
进一步地，模拟箱1内部卡接模拟测试装置6，模拟箱1包括下水管11、下水管阀111、水流循环泵12、水流管13、水流管阀131和卡座14，具体的，模拟箱1外壁底端左侧连接下水管11，下水管11左端连接水流循环泵12的输入端，水流循环泵12的输出端连接水流管13，模拟箱1内部底端中间通过螺栓固定安装卡座14，下水管11外壁设有下水管阀111，水流管13外壁设有水流管阀131，卡座14内部卡接水泵61，水流循环泵12型号设置为CYZ-A，水流循环泵12指装置中输送反应、吸收、分离、吸收液再生的循环液用泵，激振器4型号设置为JS-005，激振器4是附加在某些机械和设备上用以产生激励力的装置，是利用机械振动的重要部件，通过模拟箱1外壁底端左侧连接下水管11，下水管11左端连接水流循环泵12的输入端，水流循环泵12的输出端连接水流管13，再通过下水管11外壁设有下水管阀111，水流管13外壁设有水流管阀131，通过打开下水管阀111和水流管阀131，在水流循环泵12的作用下，使模拟箱1内部的海水5通过下水管11和水流管13进入模拟箱1内部，使模拟箱1内部的海水5形成水流，通过控制水流循环泵12的输出功率，从而来控制海水5的水流流速，达到模拟海底水流速率的效果，通过模拟箱1内部底端中间通过螺栓固定安装卡座14，再通过卡座14内部卡接模拟测试装置6，起到固定作用，达到实现模拟海底采矿的效果，通过模拟箱1底端通过螺栓固定安装激振器4，当启动激振器4时，使模拟箱1晃动，从而达到实现模拟海底波动的效果；
进一步地，循环装置2连接在模拟箱1的外壁右端，循环装置2包括循环管21、循环阀211和循环泵22，具体的，循环管21中间通过循环泵22连接，循环管21外壁设有循环阀211，循环泵22型号设置为CYZ-A，循环泵22指装置中输送反应、吸收、分离、吸收液再生的循环液用泵，通过循环管21左端连接模拟箱1，循环管21右端连接循环箱3，再通过循环管21中间通过循环泵22连接，循环管21外壁设有循环阀211，当模拟测试装置6进行采矿模拟操作时，开启循环泵22，使抽取到循环箱3内的海水5循环进入模拟箱1内部，起到循环的作用，达到增加实验时间的效果；
进一步地，模拟测试装置6卡接在卡座14内部，模拟测试装置6包括水泵61、软管62、流量计621、浮体材料63、弹簧测力计64、皮绳65、固定座66、密封圈67、微型压力传感器68和橡胶卡块69，具体的，水泵61卡接在模拟箱1的内部底端中间，水泵61输出端连接软管62，软管62底端连接流量计621，软管62外壁套接浮体材料63，浮体材料63外壁底端卡接弹簧测力计64，弹簧测力计64底端套接皮绳65，皮绳65另一端套接固定座66的内部，固定座66焊接在模拟箱1的内部底端右侧，软管62穿过密封圈67连接循环箱3的顶端，软管62内部设有微型压力传感器68，微型压力传感器68卡接在橡胶卡块69的内部，微型压力传感器68通过橡胶卡块69卡接在软管62内部，通过水泵61卡接在卡座14内部，达到模拟海底采矿的效果，通过水泵61输出端连接软管62，软管62底端连接流量计621，达到测量软管62的水流速率的效果，通过软管62外壁套接浮体材料63，浮体材料63外壁底端卡接弹簧测力计64，再通过浮体材料63的外壳由线性中密度聚乙烯塑料经滚塑成型，内充聚氨脂泡沫塑料，达到可测量软管62需要多少浮体材料63才能顺畅采矿的效果，通过弹簧测力计64底端套接皮绳65，皮绳65另一端套接固定座66的内部，固定座66焊接在模拟箱1的内部底端右侧，起到固定作用，达到对浮体材料63进行测试浮力数值的效果，通过软管62穿过密封圈67连接循环箱3的顶端，再通过密封圈67设置为阶梯型，起到密封的作用，达到防止海水在压力装置7的作用下，溢出模拟箱1的效果，通过软管62内部设有微型压力传感器68，微型压力传感器68卡接在橡胶卡块69的内部，使微型压力传感器68通过橡胶卡块69卡接在软管62内部，通过压力装置7给海水5的压力，且通过水泵61模拟开采，观察微型压力传感器68的压力数值，达到测量软管62可承受的压力值的效果，在实验开始前，通过将压力传感器51卡接在模拟箱1的内部，在压力装置7的作用下，可观察海水5实时的压力值，从而达到实现模拟海底压力值的效果；
进一步地，压力装置7套接在模拟箱1的内部上端，压力装置7包括橡胶压块71、T型压板72和液压缸73，具体的，橡胶压块71套接在模拟箱1的内部上端，橡胶压块71顶端通过螺栓固定安装T型压板72，T型压板72顶端两侧通过螺栓固定安装液压缸73，液压缸73的输出端通过螺栓固定安装在模拟箱1的外壁顶端两侧，通过橡胶压块71套接在模拟箱1的内部上端，橡胶压块71顶端通过螺栓固定安装T型压板72，T型压板72顶端两侧通过螺栓固定安装液压缸73，液压缸73的输出端通过螺栓固定安装在模拟箱1的外壁顶端两侧，在实验开始前，通过启动液压缸73，使液压缸73带动T型压板72下移动，从而使橡胶压块71向模拟箱1内部下压，通过观察压力传感器51，直到达到海底压力值时，开始采矿模拟实验，达到模拟海底压力值的效果；
本发明提到的一种模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置的使用方法，包括以下过程：本领域技术人员通过在实验前，先测量浮体材料63的重量，通过将压力传感器51卡接在模拟箱1的内部底端，将模拟测试装置6卡接在卡座14内部，防止压力传感器51和模拟测试装置6在实验时脱落移动，通过将软管62底端连接的流量计621连接水泵61的输出端，将软管62外壁套接浮体材料63，再将浮体材料63外壁底端卡接弹簧测力计64，弹簧测力计64底端套接皮绳65，皮绳65另一端套接固定座66的内部，确保弹簧测力计64的测力数值准确，通过将微型压力传感器68通过橡胶卡块69卡接在软管62内部，将软管62穿过密封圈67连接循环箱3的顶端，使软管62缠绕滑轮32，插接在循环箱3的顶端，再将橡胶压块71套接在模拟箱1的内部顶端，再通过将T型压板72两端的液压缸73的输出端通过螺栓固定安装在模拟箱1的外壁顶端两侧，当安装结束后，通过启动液压缸73，使液压缸73带动T型压板72下移动，从而使橡胶压块71向模拟箱1内部下压，通过观察压力传感器51，直到达到海底压力值时，开始采矿模拟实验，达到模拟海底压力值的效果，当实验开始时，通过打开下水管阀111和水流管阀131，在水流循环泵12的作用下，使模拟箱1内部的海水5通过下水管11和水流管13进入模拟箱1内部，使模拟箱1内部的海水5形成水流，通过控制水流循环泵12的输出功率，从而来控制海水5的水流流速，达到模拟海底水流速率的效果，通过启动激振器4时，使模拟箱1晃动，从而达到实现模拟海底波动的效果，通过启动水泵61，使模拟测试装置6达到模拟海底采矿的效果，当模拟测试装置6进行采矿模拟操作时，开启循环泵22，使抽取到循环箱3内的海水5循环进入模拟箱1内部，起到循环的作用，达到增加实验时间的效果，通过观察软管62的状态，确保软管62的使用情况，再实时观察流量计621，记录开采流量大小，达到测量软管62的水流速率的效果，通过实时观察微型压力传感器68，记录实时压力值，达到测量软管62可承受的压力值的效果，再通过观察弹簧测力计64，记录弹簧测力计64的压力数值，通过将此时的压力数值减去相应浮体材料63的重量，得到浮力数值，达到可测量软管62需要多少浮体材料63才能顺畅采矿的效果，从而得到深海采矿海水波动对管道影响的效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案对本发明加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置，包括模拟箱（1），其特征在于：所述模拟箱（1）右端通过循环装置（2）连接循环箱（3），所述模拟箱（1）底端通过螺栓固定安装激振器（4），所述模拟箱（1）内部设有海水（5），所述模拟箱（1）底端中间卡接模拟测试装置（6），所述模拟箱（1）内部上端套接压力装置（7）；
所述模拟箱（1）内部底端左侧卡接压力传感器（51）；
所述模拟测试装置（6）包括水泵（61），所述水泵（61）卡接在所述模拟箱（1）的内部底端中间，所述水泵（61）输出端连接软管（62），所述软管（62）底端连接流量计（621），所述软管（62）外壁套接浮体材料（63），所述浮体材料（63）外壁底端卡接弹簧测力计（64），所述弹簧测力计（64）底端套接皮绳（65），所述皮绳（65）另一端套接固定座（66）的内部，所述固定座（66）焊接在所述模拟箱（1）的内部底端右侧，所述软管（62）穿过密封圈（67）连接循环箱（3）的顶端，所述软管（62）内部设有微型压力传感器（68），所述微型压力传感器（68）卡接在橡胶卡块（69）的内部，所述微型压力传感器（68）通过所述橡胶卡块（69）卡接在所述软管（62）内部。
2.根据权利要求1所述的模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置，其特征在于：所述模拟箱（1）外壁底端左侧连接下水管（11），所述下水管（11）左端连接水流循环泵（12）的输入端，所述水流循环泵（12）的输出端连接水流管（13），所述模拟箱（1）内部底端中间通过螺栓固定安装卡座（14）。
3.根据权利要求2所述的模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置，其特征在于：所述下水管（11）外壁设有下水管阀（111），所述水流管（13）外壁设有水流管阀（131），所述卡座（14）内部卡接水泵（61）。
4.根据权利要求1所述的模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置，其特征在于：所述循环装置（2）包括循环管（21），所述循环管（21）中间通过循环泵（22）连接。
5.根据权利要求4所述的模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置，其特征在于：所述循环管（21）外壁设有循环阀（211）。
6.根据权利要求1所述的模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置，其特征在于：所述循环箱（3）底端设有支架（31），所述循环箱（3）外壁顶端左侧套接滑轮（32），所述滑轮（32）外壁套接所述软管（62）。
7.根据权利要求1所述的模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置，其特征在于：所述压力装置（7）包括橡胶压块（71），所述橡胶压块（71）套接在所述模拟箱（1）的内部上端，所述橡胶压块（71）顶端通过螺栓固定安装T型压板（72），所述T型压板（72）顶端两侧通过螺栓固定安装液压缸（73），所述液压缸（73）的输出端通过螺栓固定安装在所述模拟箱（1）的外壁顶端两侧。
8.根据权利要求1-7中所述的模拟深海采矿海水波动对管道影响的实验装置的使用方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
S1：在实验前，先测量浮体材料（63）的重量；
S2：通过将压力传感器（51）卡接在模拟箱（1）的内部底端，将模拟测试装置（6）卡接在卡座（14）内部，防止压力传感器（51）和模拟测试装置（6）在实验时脱落移动；
S3：通过将软管（62）底端连接的流量计（621）连接水泵（61）的输出端，将软管（62）外壁套接浮体材料（63），再将浮体材料（63）外壁底端卡接弹簧测力计（64），弹簧测力计（64）底端套接皮绳（65），皮绳（65）另一端套接固定座（66）的内部，确保弹簧测力计（64）的测力数值准确；
S4：通过将微型压力传感器（68）通过橡胶卡块（69）卡接在软管（62）内部；
S5：将软管（62）穿过密封圈（67）连接循环箱（3）的顶端，使软管（62）缠绕滑轮（32），插接在循环箱（3）的顶端；
S6：再将橡胶压块（71）套接在模拟箱（1）的内部顶端，再通过将T型压板（72）两端的液压缸（73）的输出端通过螺栓固定安装在模拟箱（1）的外壁顶端两侧；
S7：当安装结束后，通过启动液压缸（73），使液压缸（73）带动T型压板（72）下移动，从而使橡胶压块（71）向模拟箱（1）内部下压，通过观察压力传感器（51），直到达到海底压力值时，开始采矿模拟实验；
S8：当实验开始时，通过打开下水管阀（111）和水流管阀（131），在水流循环泵（12）的作用下，使模拟箱（1）内部的海水（5）通过下水管（11）和水流管（13）进入模拟箱（1）内部，使模拟箱（1）内部的海水（5）形成水流，通过控制水流循环泵（12）的输出功率，从而来控制海水（5）的水流流速，实现模拟海底水流速率；
S9：通过启动激振器（4）时，使模拟箱（1）晃动，从而实现模拟海底波动；
S10：通过启动水泵（61），使模拟测试装置（6）达到模拟海底采矿的效果；
S11：当模拟测试装置（6）进行采矿模拟操作时，开启循环泵（22），使抽取到循环箱（3）内的海水（5）循环进入模拟箱（1）内部；
S12：通过观察软管（62）的状态，确保软管（62）的使用情况，再实时观察流量计（621），记录开采流量大小，测量软管（62）的水流速率；
S13：通过实时观察微型压力传感器（68），记录实时压力值，测量软管（62）可承受的压力值；
S14：再通过观察弹簧测力计（64），记录弹簧测力计（64）的压力数值，通过将此时的压力数值减去相应浮体材料（63）的重量，得到浮力数值，测量软管（62）需要多少浮体材料（63）才能顺畅采矿。
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