CN112963151B - 一种海底多金属结核采矿车及其采矿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深海采矿设备技术领域，尤其涉及一种海底多金属结核采矿车及其采矿方法。该海底多金属结核采矿车包括车体、履带行走装置、车头、矿物富集装置、转运装置、储矿卸矿装置及海底地形自适应系统，矿物富集装置对称设置于车体前端两侧，转运装置设置在矿物富集装置后方，储矿卸矿装置安装在车体后部，上述装置配合实现海底多金属结核的采集和转运。该海底多金属结核采矿车是适用于海底恶劣条件和复杂地形的大范围、高效率、具有海底地形自适应调节功能的海底多金属结核采矿车，能够实现海底高效可靠作业，同时减少海底采矿过程对深海环境的破坏。

Description

一种海底多金属结核采矿车及其采矿方法

技术领域

本发明涉及深海采矿设备技术领域，尤其涉及一种海底多金属结核采矿车及其采矿方法。

背景技术

深海海底分布有丰富的矿产资源，如多金属结核、多金属硫化物及富钴结壳等，深海资源的开采是弥补陆地资源枯竭的有效方式，也是未来的必然选择。

多金属结核分布范围广、金属含量高，是未来的一种极为重要的矿产资源。它常常分布在世界大洋底部水深3500-6000米海底表层的海底沉积物上，往往处于半埋藏状态，有些完全被沉积物掩埋，并且粒径大小不一。深海采矿面对的是深海底的特殊条件和复杂环境,要把赋存于极稀软的海底沉积物表层上的多金属结核以扰动小的方式采集起来，无论在开采工艺和设备方面,还是作业环境上都完全不同,有着更高的要求,存在着更大的难度。

目前采集海底多金属结核的方式主要有三种：一是机械式，采用机械装置来收集海底的结核，具有笨重、结构复杂、对沉积物破坏严重和挖起的沉积物太多、采集效率低并对离地高度变化敏感等缺点；二是水力式，利用泵的原理将采集管入口处附近的结核直接吸进采集管,或者利用康达效应产生的流场将结核带入采集管，具有结构简单、工作可靠、采集范围小、采集效率对离地高度变化敏感等特点；三是水力—机械复合式，水力捕捉系统和机械输送系统相结合，具有对海底沉积物扰动小、机械输送系统笨重复杂且部件数量多特点。

综上所述，为改善原有采集范围小、采集效率低、海底地形适应能力差等不足，本发明提出了一种海底多金属结核采矿车及其采矿方法。

发明内容

本发明提供了一种海底多金属结核采矿车及其采矿方法，适用于海底恶劣条件和复杂地形，效率高、具有海底地形自适应调节功能，能够实现海底高效可靠作业，同时减少海底采矿过程对深海环境的破坏，解决了现有技术中存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案之一是：

一种海底多金属结核采矿车,包括车体，在车体上设置有:

车头(2),在车头内设置控制系统；所述控制系统包括海底地形自适应控制系统和驱动器；

履带行走装置(1),与所述驱动器电连接,用于驱动海底多金属结核采矿车行走；

矿物富集装置(4),设于车头前侧，包括对称设置的两个，两矿物富集装置相配合用于采集分散分布于海底的多金属结核并富集至车体下方中部区域；

储矿卸矿装置，设于车头后方的车体上，包括储矿仓和卸矿驱动系统，所述卸矿驱动系统通过提升储矿仓完成卸矿工作；

转运装置，包括转运装置框架，在转运装置框架上设置机械输送装置和吸矿转运装置；机械输送装置将矿物富集装置富集的多金属结核输送至吸矿转运装置、由吸矿转运装置将多金属结核转运至储矿卸矿装置的储矿仓中；

在矿物富集装置和转运装置上均设置海底地形勘探设备，用于对海底地形进行实时勘探，所述海底地形勘探设备与海底地形自适应控制系统电连接。

进一步地，在车头内设置密封圆柱形筒，所述海底地形自适应控制系统和驱动器设于圆柱形筒内。

进一步地，所述海底地形自适应控制系统包括矿物富集装置自适应系统和转运装置自适应系统；所述矿物富集装置自适应系统接受矿物富集装置上设置的海底地形勘探设备信息、用于控制矿物富集装置距离海底的高度；所述转运装置自适应系统接受转运装置上设置的海底地形勘探设备信息、用于控制转运装置的高度以适应海底地形。

进一步地，所述海底地形勘探设备包括位移传感器；设于矿物富集装置上的位移传感器与所述矿物富集装置自适应系统电连接；设于转运装置上的位移传感器与转运装置自适应系统电连接。

进一步地，所述矿物富集装置包括摆臂、摆臂液压缸、地形适应液压缸A、驱动液压马达A、驱动液压马达支架、集矿轮及轮罩；所述摆臂液压缸的两端分别与车头和摆臂铰接；所述地形适应液压缸的缸筒与摆臂固连，所述地形适应液压缸A的活塞杆与驱动液压马达支架固连；所述轮罩安装于驱动液压马达支架上；在集矿轮上设置轮齿；两矿物富集装置的集矿轮转向相反且轮齿分布相对称；所述驱动液压马达的输出轴与集矿轮固连。

进一步地，所述摆臂液压缸、地形适应液压缸A分别与所述矿物富集装置自适应系统电连接。

进一步地，所述机械输送装置包括拨矿轮、集矿铲、驱动液压马达B和地形适应液压缸B，地形适应液压缸B为旋转液压缸；驱动液压马达B和地形适应液压缸B均固定在所述转运装置框架上，所述拨矿轮与驱动液压马达B相连；所述吸矿转运装置包括吸矿头装置、地形适应液压缸C、离心泵和管路，所述地形适应液压缸C的缸筒与转运装置框架固连，地形适应液压缸C的活塞杆与吸矿头装置相连。

进一步地，所述地形适应液压缸B、地形适应液压缸C分别与所述转运装置自适应系统电连接；拨矿轮的细齿末端与设于集矿铲上的轮齿间隙配合构成半密封区域。

进一步地，所述驱动液压马达B(17)与所述驱动器电连接。

进一步地，海底地形勘探设备将距离信息传输给矿物富集装置自适应系统和转运装置自适应系统，各系统根据距离信息以闭环运行的方式实时控制地形适应液压缸A、地形适应液压缸B、地形适应液压缸C活塞杆的伸出长度和转角实时适应海底地形，保证各装置与海底保持正常的工作距离。

进一步地，所述机械输送装置为水射流集矿装置，所述水射流集矿装置前排水射流喷管和后排水射流喷管，前排水射流喷管和后排水射流喷管呈一定角度相对安装于所述转运装置框架上；所述吸矿转运装置包括吸矿头、离心泵和管路。

进一步地，在所述储矿卸矿装置的储矿仓底部设有泥沙过滤网，在储矿仓后部设置舱盖；所述卸矿驱动系统包括抬升液压缸和舱门起闭液压缸；所述抬升液压缸分别与车体和储矿仓底面铰接，所述储矿仓与车体铰接；所述舱门起闭液压缸一端与储矿仓顶面铰接，所述舱门起闭液压缸另一端与舱盖铰接。

本发明所采用的技术方案之二是：

一种采用如上所述的海底多金属结核采矿车的集矿方法，包括如下操作步骤：

S1、海底多金属结核采矿车在运行过程中，通过海底多金属结核采矿车前端带有的海底地形勘探设备对海底地形进行实时勘探，并将海底地形信息传输给海底地形自适应控制系统，海底地形自适应控制系统做出相应的控制指令以实时适应海底地形，保证各装置与海底保持正常的工作距离；

S2、海底多金属结核采矿车随履带行走装置行走的同时，车体前端两侧的两矿物富集装置配合，将在海底分散分布的矿物拔出并由外向内富集到车体前方中间区域；

S3、转运装置将富集后的矿物带动到吸矿转运装置，同时分离部分泥沙；

S4、吸矿转运装置通过离心泵和管路将矿物输送到储矿卸矿装置内；

S5、储矿卸矿装置将输送到储矿仓内矿物和泥沙进一步分离；卸矿驱动装置将储矿仓顶起，将矿物转运到中继集矿舱内，进行后续扬矿处理，将矿物运送至水面母船。

进一步地，步骤S1通过矿物富集装置和转运装置上设置的位移传感器实时探测矿物复制装置和转运装置到海底的距离，并将距离信息传输给海底地形自适应控制系统，海底地形自适应控制系统根据距离信息，以闭环运行的方式实时控制矿物富集装置和转运装置上设置的液压缸的活塞杆伸出长度及转角，实现实时适应海底地形，保证各装置与海底保持正常的工作距离。

进一步地，步骤S2车体前端两侧的两矿物富集装置的集矿轮在驱动液压马达A的驱动下，分别以顺时针和逆时针转动，将再海底分散分布的矿物拔出并由外向内富集到车体前方中间区域。

进一步地，步骤S3转运装置的机械输送装置在驱动液压马达B的驱动下，将富集后的矿物带动至吸矿转运装置。

本发明的有益效果：

本发明的海底多金属结核采矿车，采矿车作业时，通过对称分布且转向不同的矿物富集装置，将矿区的多金属结核由外向内富集到车体前方中间区域，经过转运装置运输到储矿卸矿装置内，泥沙和矿物在储矿卸矿装置内分离，然后储矿卸矿装置将矿物转运到中继储矿舱内，最后通过泵送装置或中继储矿舱提升装置等扬矿系统将矿物运送至水面母船。本发明的海底多金属结核采矿车可较好的适用于海底恶劣条件和复杂地形，采集范围大、采矿效率高，具有海底地形自适应调节功能，能够实现海底高效可靠作业，同时减少海底采矿过程对深海环境的破坏。

附图说明

图1为本发明海底多金属结核采矿车的结构示意图；

图2为本发明矿物富集装置结构示意图；

图3为图2中集矿轮结构示意图；

图4为本发明转运装置结构示意图；

图5为本发明吸矿转运装置示意图；

图6为本发明水射流集矿装置结构示意图；

图7为图6另一角度的结构示意图；

图8为本发明储矿卸矿装置结构示意图；

图9为本发明所述的扬矿过程示意图；

图10为本发明海底多金属结核采矿方法流程图；

其中，1、履带行走装置，2、车头，3、车体，4、矿物富集装置，5、转运装置，6、储矿卸矿装置，7、摆臂，8、摆臂液压缸，9、地形适应液压缸A，10、驱动液压马达A，11、驱动液压马达支架，12、集矿轮，13、轮罩，14、转运装置框架，15、拨矿轮，16、集矿铲，17、驱动液压马达B，18、地形适应液压缸B，19、吸矿头装置，20、地形适应液压缸C，21、管路，22、离心泵，23、前排水射流喷管，24、后排水射流喷管，25、吸矿头，26、储矿舱，27、泥沙过滤网，28、后舱盖，29、抬升液压缸，30、舱门启闭液压缸。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，结合附图,对本发明进行详细阐述。

如图1-5、8-10所示,该海底多金属结核采矿车包括履带行走装置1、车头2、车体3、矿物富集装置4、转运装置5、储矿卸矿装置6及海底地形自适应控制系统。其中：矿物富集装置4对称设置于车体3前端两侧，转运装置5设置在矿物富集装置4后方，储矿卸矿装置6安装在车体3后部。所述履带行走装置1带动海底采矿车行走；所述车头2内有密封圆柱形筒，在圆柱形筒内设有海底地形自适应控制系统、驱动器及相关电气元件；所述车体3是采矿车的支撑结构，满足深海作业的刚度、强度、稳定性的要求。

所述的矿物富集装置4包括摆臂7、摆臂液压缸8、地形适应液压缸A 9、驱动液压马达A 10、驱动液压马达支架11、集矿轮12及轮罩13；所述摆臂液压缸8两端分别与车头2、摆臂7铰接；所述地形自适应液压A 9的缸筒、活塞杆分别与摆臂7、驱动液压马达支架11固接；所述轮罩13安装在驱动液压马达支架11上；所述集矿轮12底端安装有轮齿，轮齿在集矿轮底面呈辐射状排列，两集矿轮12转向相反且轮齿分布相对称；所述驱动液压马达A 10输出轴与集矿轮12固接；驱动液压马达A 10驱动两集矿轮12分别顺时针、逆时针转动，分散分布在海底的多金属结核在集矿轮12轮齿的驱动下脱离海底，并在转向不同的两集矿轮12的带动下和轮罩13的约束下富集到车体3中间区域。

所述的转运装置5包括机械输送装置、吸矿转运装置和转运装置框架14，所述机械输送装置、吸矿转运装置安装在转运装置框架14上。所述机械输送装置包括拨矿轮15、集矿铲16、驱动液压马达B 17、地形适应液压缸B 18，所述集矿铲16固定在吸矿头装置19上，所述拨矿轮15与驱动液压马达B 17相接，所述驱动液压马达B 17固定在转运装置框架14上，所述地形适应液压缸B 18固定在转运装置框架14上。所述吸矿转运装置包括吸矿头装置19、地形适应液压缸C 20、离心泵22和管路21，所述地形适应液压缸C 20缸筒固接在转运装置框架14上，地形适应液压缸C的活塞杆与吸矿头装置19相接；吸矿头装置可经地形适应液压缸C的调节沿转运装置框架4上、下移动，以使吸矿头装置与集矿铲距离海底一定的工作距离，以此适应地形变化。吸矿头装置包括沿转运装置框架宽度方向连续设置的多个，在各吸矿头装置后方的转运装置框架14对应设置一地形适应液压缸C。拨矿轮15在驱动液压马达B 17的驱动下，将富集到车体前中间区域的矿物拨起到吸矿头装置19处，同时分离部分泥沙，然后在离心泵22的驱动下吸矿头装置19通过管路21将矿物转运到储矿卸矿装置6中。被拨矿轮拨起的矿物如果没有被吸矿头装置19吸走转运，将掉落到集矿铲16上，拨矿轮15的细齿末端设计为穿过集矿铲16的轮齿间隙构成半密封区域，以防掉落到集矿铲16上的矿物掉落到海底，同时保证掉落到集矿铲16上的矿石能够再被拨矿轮15拨起到吸矿头装置处完成矿物的转运。

所述储矿卸矿装置6包括：储矿舱26和卸矿驱动系统；所述储矿舱26底部带有泥沙过滤网27，后部为舱盖28；所述卸矿驱动系统包括抬升液压缸29和舱门启闭液压缸30；所述抬升液压缸29的活塞杆、缸体分别与车体3、储矿舱26铰接，储矿舱26与车体3铰接，以实现储矿舱26的升降；所述舱门启闭液压缸30一端与储矿装置主体铰接，另一端与舱盖28铰接，以控制舱盖28的启闭。当需要卸矿时，储矿舱26前端在抬升液压缸29下抬升，然后后舱盖28在舱门启闭液压缸30驱动下打开舱盖，完成卸矿工作。

所述海底地形自适应系统包括矿物富集自适应系统和转运自适应系统；所述矿物富集自适应系统接收其上设置的位移传感器测定的地形信息，通过控制摆臂液压缸8和集矿轮的地形适应液压缸A的活塞杆伸出长度控制两集矿轮12之间的间距以及集矿轮的高度，以适应海底地形，实现富集能力最大化；所述转运自适应系统接收其上设置的位移传感器测定的地形信息，通过控制转运装置地形适应液压缸C的活塞杆伸出长度或地形适应液压缸B旋转角度控制转运装置的高度，以适应海底地形，实现富集矿物的转运。摆臂液压缸8可以调节摆臂7的角度以适应海底地形和调节采矿区域；地形适应液压缸A 9可以带动集矿轮装置上、下运动以适应海底地形；地形适应液压缸B 18为旋转液压缸，通过控制其旋转角度带动机械转运装置转动以适应海底地形；地形适应液压缸C 20可带动吸矿头装置上、下运动以适应海底地形。

上述海底多金属结核采矿车的采矿方法，包括如下操作步骤：

S1、海底多金属结核采矿车在运行过程中，通过矿物富集装置4和转运装置5上带有的位移传感器，实时探测矿物富集装置和转运装置到海底的距离，并将距离信息传输给控制系统，控制系统根据距离信息，以闭环运行的方式实时控制海底地形自适应系统的液压缸活塞杆的伸出长度和转角以实时适应海底地形，保证各装置与海底保持正常的工作距离；

S2、海底采矿车通过履带行走装置1行走，同时设置在车体3前端两侧的两组集矿轮12在其驱动液压马达A 10的驱动下分别以顺时针和逆时针转动，将在海底分散分布的矿物拨出并由外向内富集到车身前方中间区域；

S3、机械输送装置中的拨矿轮15在其驱动液压马达B 17的驱动下旋转，将富集后的矿物带动到吸矿转运装置吸矿头装置19处，同时由集矿铲16实现了分离部分泥沙；

S4、吸矿转运装置通过离心泵22和管路21，将输送到吸矿头装置19位置处的矿物输送到储矿卸矿装置6内；

S5、储矿舱26底部的泥沙过滤网27将输送到储矿舱26内矿物和泥沙进一步分离；卸矿驱动装置的抬升液压缸29将储矿舱26顶起，然后舱门启闭液压缸30控制储矿舱的后舱盖28打开，将矿物转运到中继储矿舱内；

S6、通过泵送装置或中继储矿舱提升装置等扬矿系统将矿物运送至水面母船。

实施例2

如图6-7所示，该海底多金属结核采矿车同实施例1的海底多金属结核采矿车，所不同的是，所述转运装置的机械输送装置可以采用带有水射流喷管的水射流集矿装置替代。所述带有水射流喷管的水射流集矿装置包括前排水射流喷管23、后排水射流喷管24、吸矿头25、离心泵22和管路21，所述前排水射流喷管23和后排水射流喷管24呈一定角度相对安装于转运装置框架14上，在前排水射流喷管23和后排水射流喷管24中间安装有吸矿头25。前排水射流喷管23和后排水射流喷管24包括沿转运装置框架14宽度方向间隔设置的多组水射流喷管，各组水射流喷管的前排水射流喷管23和后排水射流喷管24在后方汇合为一主管，在主管外支撑套设支框，所述地形适应液压缸C 20的活塞杆与支框底壁固连，在地形适应液压缸C的活塞杆伸缩下，前排水射流喷管23和后排水射流喷管24随支框沿转运装置框架14上下运动，以此实现对前排水射流喷管23和后排水射流喷管24整体高度的适应性调节。富集到车体中间区域的矿物在前、后排水射流喷管23、24的喷射下随着形成的向上的流场到吸矿头25处，然后在离心泵22的驱动下将矿物通过管道21转运到储矿卸矿装置6中。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种海底多金属结核采矿车的集矿方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

S1、海底多金属结核采矿车在运行过程中，通过海底多金属结核采矿车前端带有的海底地形勘探设备对海底地形进行实时勘探，并将海底地形信息传输给海底地形自适应控制系统，海底地形自适应控制系统做出相应的控制指令以实时适应海底地形，保证各装置与海底保持正常的工作距离；

S2、海底多金属结核采矿车随履带行走装置行走的同时，车体前端两侧的两矿物富集装置配合，将在海底分散分布的矿物拔出并由外向内富集到车体前方中间区域；

S3、转运装置将富集后的矿物带动到吸矿转运装置，同时分离部分泥沙；

S4、吸矿转运装置通过离心泵和管路将矿物输送到储矿卸矿装置内；

S5、储矿卸矿装置将输送到储矿仓内矿物和泥沙进一步分离；卸矿驱动系统将储矿仓顶起，将矿物转运到中继集矿舱内，进行后续扬矿处理，将矿物运送至水面母船。

2.根据权利要求1所述的一种海底多金属结核采矿车的集矿方法,其特征在于,所述海底多金属结核采矿车包括车体（3），在车体（3）上设置有:

车头（2）,在车头内设置控制系统；所述控制系统包括海底地形自适应控制系统和驱动器；

履带行走装置（1）,与所述驱动器电连接,用于驱动海底多金属结核采矿车行走;

矿物富集装置（4）,设于车头前侧，包括对称设置的两个，两矿物富集装置相配合用于采集分散分布于海底的多金属结核并富集至车体下方中部区域；

储矿卸矿装置（6），设于车头后方的车体（3）上，包括储矿仓（26）和卸矿驱动系统，所述卸矿驱动系统通过提升储矿仓完成卸矿工作；

转运装置（5），包括转运装置框架，在转运装置框架上设置机械输送装置和吸矿转运装置；机械输送装置将矿物富集装置富集的多金属结核输送至吸矿转运装置、由吸矿转运装置将多金属结核转运至储矿卸矿装置的储矿仓中；

在矿物富集装置和转运装置上均设置海底地形勘探设备，所述海底地形勘探设备与海底地形自适应控制系统电连接。

3.根据权利要求2所述的一种海底多金属结核采矿车的集矿方法，其特征在于，所述海底地形自适应控制系统包括矿物富集装置自适应系统和转运装置自适应系统；所述矿物富集装置自适应系统接受矿物富集装置上设置的海底地形勘探设备信息、用于控制矿物富集装置距离海底的高度；所述转运装置自适应系统接受转运装置上设置的海底地形勘探设备信息、用于控制转运装置的高度以适应海底地形。

4.根据权利要求3所述的一种海底多金属结核采矿车的集矿方法，其特征在于，所述海底地形勘探设备包括位移传感器；设于矿物富集装置上的位移传感器与所述矿物富集装置自适应系统电连接；设于转运装置上的位移传感器与转运装置自适应系统电连接。

5.根据权利要求3所述的一种海底多金属结核采矿车的集矿方法，其特征在于，所述矿物富集装置包括摆臂（7）、摆臂液压缸（8）、地形适应液压缸A（9）、驱动液压马达A（10）、驱动液压马达支架（11）、集矿轮（12）及轮罩（13）；所述摆臂液压缸（8）的两端分别与车头（2）和摆臂（7）铰接；所述地形适应液压缸A（9）的缸筒与摆臂（7）固连，所述地形适应液压缸A（9）的活塞杆与驱动液压马达支架固连；所述轮罩（13）安装于驱动液压马达支架（11）上；在集矿轮（12）上设置轮齿；两矿物富集装置的集矿轮转向相反且轮齿分布相对称；所述驱动液压马达A（10）的输出轴与集矿轮（12）固连。

6.根据权利要求5所述的一种海底多金属结核采矿车的集矿方法，其特征在于，所述摆臂液压缸（8）、地形适应液压缸A（9）分别与所述矿物富集装置自适应系统电连接。

7.根据权利要求3所述的一种海底多金属结核采矿车的集矿方法，其特征在于，所述机械输送装置包括拨矿轮（15）、集矿铲（16）、驱动液压马达B（17）和地形适应液压缸B（18），地形适应液压缸B为旋转液压缸；驱动液压马达B（17）和地形适应液压缸B（18）均固定在所述转运装置框架（14）上，所述拨矿轮（15）与驱动液压马达B（17）相连；所述吸矿转运装置包括吸矿头装置（19）、地形适应液压缸C（20）、离心泵（22）和管路（21），所述地形适应液压缸C（20）的缸筒与转运装置框架（14）固连，地形适应液压缸C的活塞杆与吸矿头装置相连。

8.根据权利要求7所述的一种海底多金属结核采矿车的集矿方法，其特征在于，所述地形适应液压缸B（18）、地形适应液压缸C（20）分别与所述转运装置自适应系统电连接；拨矿轮的细齿末端与设于集矿铲上的轮齿间隙配合构成半密封区域。

9.根据权利要求2所述的一种海底多金属结核采矿车的集矿方法，其特征在于，在所述储矿卸矿装置的储矿仓（26）底部设有泥沙过滤网（27），在储矿仓后部设置舱盖（28）；所述卸矿驱动系统包括抬升液压缸（29）和舱门起闭液压缸（30）；所述抬升液压缸（29）分别与车体（3）和储矿仓（26）底面铰接，所述储矿仓（26）与车体（3）铰接；所述舱门起闭液压缸（30）一端与储矿仓（26）顶面铰接，所述舱门起闭液压缸（30）另一端与舱盖（28）铰接。

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