CN112903241A

CN112903241A - 一种模拟深海采矿的试验系统及其操作方法

Info

Publication number: CN112903241A
Application number: CN202110085557.XA
Authority: CN
Inventors: 梁银凡; 邓旭辉; 郭小刚
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2021-06-04

Abstract

本发明公开了一种模拟深海采矿的试验系统及其操作方法。试验系统包括实验装置、数据采集系统和多刚体试验模型；实验装置包括主体框架、实验水池、轨道、滑块、步进电机、三轴拖动装置、波浪发生器；轨道包括纵向布置的第一轨道、横向布置的第二轨道、竖向布置的第三轨道和辅助轨道；数据采集系统包括传感器、面光源、高速相机、三角支架、计算机；多刚体试验模型包括集矿机、绳索、浮块、质量块、钢管。本发明可实现室内模拟采矿系统的采矿船、集矿机单独运动或同步运动对绳索三维空间运动的影响和受力特性，且可模拟绳索进行直线、圆形、椭圆、S曲线等轨迹的实际运动；本发明还具有功能多样性、测量精度高的优点。

Description

一种模拟深海采矿的试验系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及线缆测试技术领域，具体涉及一种模拟深海采矿的试验系统及其操作方法。

背景技术

深海采矿系统由集矿、扬矿、测控和水面支持（采矿船）四个子系统组成。其中，扬矿子系统由扬矿硬管、中继舱、扬矿软管等组成；扬矿硬管上端与采矿船相接，下端与中继舱相连，中继舱与集矿机之间通过扬矿软管相连接；扬矿子系统利用集矿机采集矿物经软管输送到中继舱，再利用硬管将矿物提升到海面采矿船。

深海采矿系统的工作环境非常复杂，动力学行为也极其复杂，还具有超长的几何特征，系统的可靠性通常要通过现场工程试验来检验，但现场工程试验又存在代价昂贵，试验不能重复，现场数据少等一系列问题。为深入研究深海采矿系统的动力学行为，基于相似理论开展缩比模型试验是一种可行的方法，但因其几何尺度大，做全系统的缩比试验又存在理论上的困难。因此有必要开展深海采矿系统模拟实验研究，探索新的试验方法和试验技术，为深海采矿工程相关研究提供必要的实验方法和技术的支持。

发明内容

针对现有技术中的测试装置很难检测不同状态下拖曳模式下线缆空间形态与力学行为，本发明提供一种模拟深海采矿的试验系统及其操作方法和系统，本发明可以模拟出使用过程中拖曳模式下线缆空间形态与力学行为；同时，可以测试出静态管线系统的空间构形及力学特性和动态情况下管线系统的空间构形及力学特性，此外，也可测试采矿船采用不同的拖航速度、升沉幅值；而管线由于作业需要会有长度的变化，这些都对管线具体的空间形态特性和集矿机的动力学行为产生影响；通过拖曳装置的运动速度来模拟不同的水流相对速度，还可测试出管线具体的空间形态特性和集矿机的动力学行为产生影响。该装置和方法通过模拟测试，可测出不同状态时拖曳模式下线缆空间形态与力学行为，本发明简单高效，精度高。

为了实现上述目的，本发明的一技术方案是：

一种模拟深海采矿的试验系统，包括实验装置、数据采集系统和多刚体试验模型；所述实验装置包括主体框架、实验水池、轨道、滑块、步进电机、三轴拖动装置、波浪发生器；所述轨道包括纵向布置的第一轨道、横向布置的第二轨道、竖向布置的第三轨道和辅助轨道；所述第一轨道和辅助轨道平行设置于主体框架上；所述第二轨道通过滑块横向连接在第一轨道和辅助轨道上；所述第三轨道通过滑块与第二轨道竖向相接；所述步进电机设置于第一轨道、第二轨道和第三轨道的端部；所述三轴拖动装置安装在第三轨道的滑块上；所述波浪发生器设置于实验水池侧壁；

所述数据采集系统包括传感器、面光源、高速相机、三角支架、计算机；所述高速相机放置于三角支架上；所述计算机通过电缆与步进电机、波浪发生器、传感器、高速相机相连接；

所述多刚体试验模型包括集矿机、绳索、浮块、质量块、钢管；所述集矿机放置于实验水池底部；所述绳索一端与集矿机相连接，另一端与质量块相连接，并均在连接处设置有传感器；所述绳索还绑有浮块；所述钢管一端与质量块相连接，另一端与三轴拖动装置相连接，并均在连接处设置有传感器。

进一步的改进，所述主体框架通过销钉与地面固定连接；所述主体框架各个结点通过型钢螺栓连接。

进一步的改进，所述实验水池由镶嵌于主体框架的平面透明玻璃围筑而成；所述实验水池的边框设置有读数用的刻度。

进一步的改进，所述轨道的截面均为矩形；所述轨道由铝合金材料制作而成。

进一步的改进，所述第一轨道、辅助轨道和主体框架之间通过螺栓连接。

进一步的改进，所述步进电机通过电缆与计算机连接；所述步进电机可推动滑块在轨道上运动。

进一步的改进，所述滑块的运动方式根据滑块的有效行程和模拟试验所用材料的质量等因素确定。

进一步的改进，所述波浪发生器用于在实验水池内产生水波。

为了实现上述目的，本发明的另一技术方案是：一种模拟深海采矿的试验系统的操作方法，包括以下步骤：

S1：首先在绳索上绑好浮块，再用绳索将集矿机与质量块连接起来，并在连接处均设置传感器；然后采用钢管将质量块与三轴拖动装置连接起来，并在连接处均设置传感器；即可完成所述多刚体试验模型与实验装置的连接；

S2：往实验水池内注满海水；

S3：试验开始，通过计算机控制波浪发生器在实验水池内产生水波，同时根据滑块的有效行程和模拟试验所用材料的质量等因素确定滑块的运动方式，由计算机控制步进电机推动滑块在轨道上实现空间运动，从而带动了三轴拖动装置的运动，进而带动多刚体实验模型的运动；

S4：开启面光源，发出平行光照射多刚体试验模型，进而高速相机可以摄取多刚体试验模型的三维运动信息；

S5：同时通过传感器记录多刚体运动模型的力学信息；

S6：通过计算机收集数据即可将多刚体运动模型的三维运动信息与力学信息录入电脑并进行数据处理，并最终完成深海采矿的模拟试验。

进一步的改进，所述绳索上绑好浮块是为了防止绳索触及实验水池侧壁及底部。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

本发明可实现室内模拟采矿系统的采矿船、集矿机单独运动或同步运动对绳索三维空间运动的影响和受力特性，且可模拟绳索进行直线、圆形、椭圆、S曲线等轨迹的实际运动；具有功能多样性、测量精度高的优点。

附图说明

图1为本发明试验系统的结构示意图；

图2为本发明试验系统的俯视图；

图3为本发明多刚体实验模型的结构示意图。

其中，1为主体框架、2为实验水池、3为轨道、301为第一轨道、302为第二轨道、303为第三轨道、304为辅助轨道、4为滑块、5为步进电机、6为三轴拖动装置、7为波浪发生器、8为传感器、9为面光源、10为高速相机、11为三角支架、12为计算机、13为集矿机、14为绳索、15为浮块、16为质量块、17为钢管、18为销钉。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，一种模拟深海采矿的试验系统包括实验装置、数据采集系统和多刚体试验模型；实验装置包括主体框架1、实验水池2、轨道3、滑块4、步进电机5、三轴拖动装置6、波浪发生器7；轨道3包括纵向布置的第一轨道301、横向布置的第二轨道302、竖向布置的第三轨道303和辅助轨道304；第一轨道301和辅助轨道304平行设置于主体框架1上；第二轨道302通过滑块4横向连接在第一轨道301和辅助轨道304上；第三轨道303通过滑块4与第二轨道302竖向相接；步进电机5设置于第一轨道301、第二轨道302和第三轨道303的端部；三轴拖动装置6安装在第三轨道303的滑块4上；波浪发生器7设置于实验水池2侧壁；

数据采集系统包括传感器8、面光源9、高速相机10、三角支架11、计算机12；高速相机10放置于三角支架11上；计算机12通过电缆与步进电机5、波浪发生器7、传感器8、高速相机10相连接；

多刚体试验模型包括集矿机13、绳索14、浮块15、质量块16、钢管17；集矿机13放置于实验水池2底部；绳索14一端与集矿机13相连接，另一端与质量块16相连接，并均在连接处设置有传感器8；绳索14还绑有浮块15；钢管17一端与质量块16相连接，另一端与三轴拖动装置6相连接，并均在连接处设置有传感器8。

在本实施例中，主体框架1通过销钉18与地面固定连接；主体框架1各个结点通过型钢螺栓连接。

在本实施例中，实验水池2由镶嵌于主体框架1的平面透明玻璃围筑而成；实验水池2的边框设置有读数用的刻度。

在本实施例中，轨道3的截面均为矩形；轨道3由铝合金材料制作而成。

在本实施例中，第一轨道301、辅助轨道304和主体框架1之间通过螺栓连接。

在本实施例中，步进电机5通过电缆与计算机12连接；步进电机5可推动滑块4在轨道3上运动；滑块4的运动方式根据滑块4的有效行程和模拟试验所用材料的质量等因素确定。

在本实施例中，波浪发生器7用于在实验水池2内产生水波。

如图1-3所示，本发明提供了一种模拟深海采矿的试验系统的操作方法，包括以下步骤：

S1：首先在绳索14上绑好浮块15，再用绳索14将集矿机13与质量块16连接起来，并在连接处均设置传感器8；然后采用钢管17将质量块16与三轴拖动装置6连接起来，并在连接处均设置传感器8；即可完成所述多刚体试验模型与实验装置的连接；

S2：往实验水池2内注满海水；

S3：试验开始，通过计算机12控制波浪发生器7在实验水池2内产生水波，同时根据滑块4的有效行程和模拟试验所用材料的质量等因素确定滑块4的运动方式，由计算机12控制步进电机5推动滑块4在轨道3上实现空间运动，从而带动了三轴拖动装置6的运动，进而带动多刚体实验模型的运动；

S5：同时通过传感器8记录多刚体运动模型的力学信息；

S6：通过计算机12收集数据即可将多刚体运动模型的三维运动信息与力学信息录入电脑并进行数据处理，并最终完成深海采矿的模拟试验。

在本实施例中，绳索14上绑好浮块15是为了防止绳索14触及实验水池2侧壁及底部。

Claims

1.一种模拟深海采矿的试验系统，其特征在于：试验系统包括实验装置、数据采集系统和多刚体试验模型；所述实验装置包括主体框架（1）、实验水池（2）、轨道（3）、滑块（4）、步进电机（5）、三轴拖动装置（6）、波浪发生器（7）；所述轨道（3）包括纵向布置的第一轨道（301）、横向布置的第二轨道（302）、竖向布置的第三轨道（303）和辅助轨道（304）；所述第一轨道（301）和辅助轨道（304）平行设置于主体框架（1）上；所述第二轨道（302）通过滑块（4）横向连接在第一轨道（301）和辅助轨道（304）上；所述第三轨道（303）通过滑块（4）与第二轨道（302）竖向相接；所述步进电机（5）设置于第一轨道（301）、第二轨道（302）和第三轨道（303）的端部；所述三轴拖动装置（6）安装在第三轨道（303）的滑块（4）上；所述波浪发生器（7）设置于实验水池（2）侧壁；

所述数据采集系统包括传感器（8）、面光源（9）、高速相机（10）、三角支架（11）、计算机（12）；所述高速相机（10）放置于三角支架（11）上；所述计算机（12）通过电缆与步进电机（5）、波浪发生器（7）、传感器（8）、高速相机（10）相连接；

所述多刚体试验模型包括集矿机（13）、绳索（14）、浮块（15）、质量块（16）、钢管（17）；所述集矿机（13）放置于实验水池（2）底部；所述绳索（14）一端与集矿机（13）相连接，另一端与质量块（16）相连接，并均在连接处设置有传感器（8）；所述绳索（14）还绑有浮块（15）；所述钢管（17）一端与质量块（16）相连接，另一端与三轴拖动装置（6）相连接，并均在连接处设置有传感器（8）。

2.根据权利要求1所述的一种模拟深海采矿的试验系统，其特征在于：所述主体框架（1）通过销钉（18）与地面固定连接；所述主体框架（1）各个结点通过型钢螺栓连接。

3.根据权利要求1所述的一种模拟深海采矿的试验系统，其特征在于：所述实验水池（2）由镶嵌于主体框架（1）的平面透明玻璃围筑而成；所述实验水池（2）的边框设置有读数用的刻度。

4.根据权利要求1所述的一种模拟深海采矿的试验系统，其特征在于：所述轨道（3）的截面均为矩形；所述轨道（3）由铝合金材料制作而成。

5.根据权利要求1所述的一种模拟深海采矿的试验系统，其特征在于：所述第一轨道（301）、辅助轨道（304）和主体框架（1）之间通过螺栓连接。

6.根据权利要求1所述的一种模拟深海采矿的试验系统，其特征在于：所述步进电机（5）通过电缆与计算机（12）连接；所述步进电机（5）可推动滑块（4）在轨道（3）上运动；所述滑块（4）的运动方式根据滑块（4）的有效行程和模拟试验所用材料的质量等因素确定。

7.根据权利要求1所述的一种模拟深海采矿的试验系统，其特征在于：所述波浪发生器（7）用于在实验水池（2）内产生水波。

8.一种模拟深海采矿的试验系统的操作方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：首先在绳索（14）上绑好浮块（15），再用绳索（14）将集矿机（13）与质量块（16）连接起来，并在连接处均设置传感器（8）；然后采用钢管（17）将质量块（16）与三轴拖动装置（6）连接起来，并在连接处均设置传感器（8）；即可完成所述多刚体试验模型与实验装置的连接；

S2：往实验水池（2）内注满海水；

S3：试验开始，通过计算机（12）控制波浪发生器（7）在实验水池（2）内产生水波，同时根据滑块（4）的有效行程和模拟试验所用材料的质量等因素确定滑块（4）的运动方式，由计算机（12）控制步进电机（5）推动滑块（4）在轨道（3）上实现空间运动，从而带动了三轴拖动装置（6）的运动，进而带动多刚体实验模型的运动；

S5：同时通过传感器（8）记录多刚体运动模型的力学信息；

S6：通过计算机（12）收集数据即可将多刚体运动模型的三维运动信息与力学信息录入电脑并进行数据处理，并最终完成深海采矿的模拟试验。

9.根据权利要求8所述的一种模拟深海采矿的试验系统的操作方法，其特征在于：所述绳索（14）上绑好浮块（15）是为了防止绳索（14）触及实验水池（2）侧壁及底部。