CN114135289A - 全悬浮式地形跟踪海底采矿机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全悬浮式地形跟踪海底采矿机，包括安装支架、漂浮结构、驱动结构、控制系统、动力系统、地形底高测量系统、集矿输矿结构；所述集矿输矿结构包括集矿头。所述地形底高测量系统用于测量所述海底采矿机距离海底的高度，所述控制系统能够根据地形底高测量系统测量的数值通过调节动力系统控制所述驱动结构使所述海底采矿机运动；所述控制系统能够根据地形底高测量系统测量的数值控制所述集矿输矿结构运动。本发明采用采矿机整体与采矿机中的集矿头同时进行调高的设计，在采矿机整体初步调节高度以后，利用质量轻的集矿头精准调节高度，避免了由于集矿机整体质量大，难以快速精确调整距底高度的问题。

Description

全悬浮式地形跟踪海底采矿机

技术领域

本发明涉及海底集矿装备，具体地，涉及一种全悬浮式地形跟踪海底采矿机。

背景技术

在人类对金属矿产资源的需求不断增加、陆地金属资源越来越匮乏的迫切情势下，各国将目光投向了海洋。海洋中的矿产资源种类繁多、储量充足。在深海底处，更是蕴藏着丰富的多金属结核和稀土等矿产资源。其中，多金属锰结核是最具有经济价值的海底矿产之一。据估计整个大洋底锰结核的蕴藏量约3万亿吨，如果开采得当，其将成为新能源的重要组成部分，极大地缓解现有的能源危机。因此，如何在不破坏海洋生态的情况下，高采集率低扰动地开采海底矿石，已经成为世界各国争抢的技术高地。现有集矿装备行进装置大多数为履带式坐底行走，压陷深、易打滑，且行进过程对海底沉积物破坏严重。

专利文献CN106812529B公开了基于旋涡水动力特性的集群式深海海底集矿装备，包括设备主体、多个海底适应性集矿器及各自输矿管；输矿管将设备主体与海底适应性集矿器连接，输矿管能够受控调节伸出设备主体的长度；海底适应性集矿器具有履带行走机构，能够受控自主行走。但该方案仍然采用履带行走机构并不能结局行进过程对海底沉积物破坏严重的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种全悬浮式地形跟踪海底采矿机。

根据本发明提供的一种全悬浮式地形跟踪海底采矿机，包括、驱动结构、控制系统、动力系统、地形底高测量系统、集矿输矿结构；

所述动力系统能够驱使所述驱动结构工作；

所述地形底高测量系统用于测量所述海底采矿机距离海底的高度，所述控制系统能够根据地形底高测量系统测量的数值通过调节动力系统控制所述驱动结构使所述海底采矿机运动；所述控制系统能够根据地形底高测量系统测量的数值控制所述集矿输矿结构运动。

优选的，还包括安装支架、漂浮结构；

所述漂浮结构、驱动结构、控制系统、动力系统、地形底高测量系统、集矿输矿结构均安装在所述安装支架上；

或驱动结构安装在漂浮结构上；控制系统、动力系统、地形底高测量系统、集矿输矿结构均安装在所述安装支架上。

优选的，所述集矿输矿结构包括扬矿水泵、扬矿高压水管、矿物分离舱、废水泵、采矿摆臂、采矿摆臂驱动缸、吸矿管、集矿头、输矿管、输矿口连接器；

所述矿物分离舱设置有容纳空间，所述集矿头设置有内外腔室，所述内腔室通过吸矿管与所述容纳空间相连通；所述容纳空间通过输矿管与所述输矿口连接器连接，所述容纳空间还与所述废水泵相连通；

所述扬矿水泵与所述扬矿高压水管的进水口连接，所述扬矿高压水管的出水口与所述集矿头的外腔室相连；

所述采矿摆臂的一端可旋转的安装在所述矿物分离舱的外壁，另一端与所述集矿头连接；所述采矿摆臂驱动缸安装在所述采矿摆臂上，且能够驱动所述采矿摆臂靠近集矿头的一端沿竖直方向运动。

优选的，集矿输矿结构还包括集矿头调整马达所述采矿摆臂的另一端通过所述集矿头调整马达与所述集矿头连接；所述集矿头能够在所述集矿头调整马达的驱动下摆动。

优选的，所述动力系统为液压系统，所述采矿摆臂驱动缸与所述驱动结构均通过管道与所述液压系统连接。

优选的，所述漂浮结构包括浮体材料。

优选的，驱动结构包括多个推进器，一部分推进器安装在所述漂浮结构上，另一部分一部分推进器在所述安装支架左右两侧；还有一部分推进器安装在所述安装支架前后两侧。

优选的，所述扬矿高压水管的出口、采矿摆臂、采矿摆臂驱动缸、集矿头以及吸矿管的数量均为多个，且一一对应，每个集矿头能够在对应的矿摆臂、采矿摆臂驱动缸的作用下独立运动；

所述扬矿高压水管的出口、采矿摆臂、采矿摆臂驱动缸、集矿头以及吸矿管的数量均为2个。

优选的，所述地形底高测量系统为图像声呐系统或激光系统，且所述地形底高测量系统安装在采矿机前方。

优选的，所述漂浮结构上设置有4个安装槽，所述4个安装槽沿所述漂浮结构的中轴周向布置，4个所述推进器分别安装在所述4个安装槽内，所述4个所述推进器的推进方向均为竖直方向。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过采矿机与海底完全不接触的全悬浮工作方式，解决了履带式和滑橇式采矿机对海底环境干扰大的问题。

2、本发明通过设置多个推进器，每个推进器均可由控制系统单独控制的设计，使所述采矿机在面对横倾较大的海底环境时，可通过不同垂直推进器间的相互配合，调整整个采矿机在水中的横倾角度，达到更好的采矿效果。

3、本发明采用采矿机整体与采矿机中的集矿头同时进行调高的设计，在采矿机整体初步调节高度以后，利用质量轻的集矿头精准调节高度，避免了由于集矿机整体质量大，难以快速精确调整距底高度的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明能够观察到动力系统角度的结构示意图；

图3为本发明的右视示意图；

图4为本发明的主视示意图；

图5为本发明的左视示意图；

图6为本发明的俯视示意图；

图7为本发明的集矿输矿结构示意图；

图8为本发明的集矿输矿结构侧视示意图；

图9为本发明的集矿输矿结构能观察到吸矿管及扬矿高压水管的示意图；

图10为本发明的集矿头结构示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种全悬浮式地形跟踪海底采矿机，包括安装支架01、漂浮结构02、驱动结构03、控制系统04、动力系统05、地形底高测量系统06、集矿输矿结构07；所述安装支架01是其他部件设备的安装骨架，是整个装备的结构框架，所述漂浮结构02包括浮体材料。

如图1-图6所示，所述漂浮结构02、驱动结构03、控制系统04、动力系统05、地形底高测量系统06、集矿输矿结构07均安装在所述安装支架01上；或驱动结构03安装在漂浮结构02上；控制系统04、动力系统05、地形底高测量系统06、集矿输矿结构07均安装在所述安装支架01上。

所述控制系统04用于信号处理和采矿机控制，在一个优选例中，所述漂浮结构02安装在所述安装支架01顶端，所述控制系统04安装于安装支架01左侧。

所述动力系统能够驱使所述驱动结构03工作；在一个优选例中，所述动力系统05、地形底高测量系统06以及集矿输矿结构07均与所述控制系统04电连接，在另一个优选例中，所述全悬浮式地形跟踪海底采矿机还包括控制中心，所述控制中心可以设置在全悬浮式地形跟踪海底采矿机上、岸边或其他船舶上，所述控制系统04、动力系统05、地形底高测量系统06以及集矿输矿结构07均与所述控制中心信号连接。

所述地形底高测量系统06用于测量所述海底采矿机距离海底的高度，并完成地形跟踪的功能，在一个优选例中，所述地形底高测量系统06为图像声呐系统，且所述地形底高测量系统06安装在采矿机前方。所述控制系统04能够根据地形底高测量系统06测量的数值通过调节动力系统05控制所述驱动结构03使所述海底采矿机运动，优选的，所述控制系统04能够根据地形底高测量系统06测量的数值通过调节动力系统05控制所述驱动结构03使所述海底采矿机粗略调整距底高度；所述控制系统04能够根据地形底高测量系统06测量的数值控制所述集矿输矿结构07运动，优选的，所述控制系统04能够根据地形底高测量系统06测量的数值控制所述集矿输矿结构07精确调整距底高度。

所述集矿输矿结构07是集矿的核心部件，布置于安装支架01的腹部，根据图7-图10所述，所述集矿输矿结构07包括扬矿水泵0701、扬矿高压水管0702、矿物分离舱0703、废水泵0704、采矿摆臂0705、采矿摆臂驱动缸0706、吸矿管0707、集矿头0708、输矿管0710、输矿口连接器0711；所述矿物分离舱0703设置有容纳空间，所述集矿头0708设置有内外腔室，所述内腔室通过吸矿管0707与所述容纳空间相连通；所述容纳空间通过输矿管0710与所述输矿口连接器0711连接，所述容纳空间还与所述废水泵0704相连通；

所述扬矿水泵0701与所述扬矿高压水管0702的进水口连接，所述扬矿高压水管0702的出水口与所述集矿头0708的外腔室相连；扬矿水泵0701的水最终从集矿头0708所具有的喷口喷出。在一个优选例中，所述集矿头0708上具有2个喷口。

所述采矿摆臂0705的一端可旋转的安装在所述矿物分离舱0703的外壁，另一端与所述集矿头0708连接；所述采矿摆臂驱动缸0706安装在所述采矿摆臂0705上，且能够驱动所述采矿摆臂0705靠近集矿头0708的一端沿竖直方向运动。具体的，所述控制系统04能够根据地形底高测量系统06测量的数值控制所述采矿摆臂驱动缸0706可伸缩的驱动采矿摆臂0705上下动作。在一个优选例中，所述采矿摆臂0705上设置有凹槽，所述凹槽延所述采矿摆臂0705的长度方向延伸，所述0702扬矿高压水管的一部分及所述0707吸矿管的一部分均安装在所述凹槽内。

具体的，扬矿水泵0701连接于0702扬矿高压水管上端，扬矿高压水管0702的出水口经过采矿摆臂0705上的凹槽连接集矿头0708的外腔室。采矿摆臂0705的一端铰接于矿物分离舱0703外壳，采矿摆臂0705的另一端上部安装有采矿摆臂驱动缸0706，集矿头0708内腔室上方设置有吸矿管口，所述吸矿管口连接吸矿管0707的一端，所述吸矿管0707的另一端经过采矿摆臂0705上的凹槽连接于矿物分离舱0703，矿物分离舱0703还与出水通道连接废水泵0704。

集矿输矿结构07还包括集矿头调整马达0709所述采矿摆臂0705的另一端通过所述集矿头调整马达0709与所述集矿头0708连接；所述集矿头0708能够在所述集矿头调整马达0709的驱动下摆动。

在一个优选例中，所述动力系统05为液压系统，所述采矿摆臂驱动缸0706与所述驱动结构03均通过管道与所述液压系统连接。所述液压系统在控制系统04的调节下，为驱动结构03及其他液压执行机构提供驱动力。

驱动结构03包括多个推进器，一部分推进器安装在所述漂浮结构02上，且推进方向为竖直方向，定义为垂直推进器，另一部分一部分推进器在所述安装支架01左右两侧且推进方向为水平左右方向，定义为横向推进器；还有一部分推进器安装在所述安装支架01前后两侧且推进方向为水平前后方向，定义为纵向推进器。在一个优选例中，所述漂浮结构02上设置有4个安装槽，所述4个安装槽沿所述漂浮结构02的中轴周向布置，4个所述垂直推进器分别安装在所述4个安装槽内，每个推进器均可由控制系统单独控制，所述采矿机在面对横倾较大的海底环境时，可通过不同垂直推进器间的相互配合，调整整个采矿机在水中的横倾角度，达到更好的采矿效果。所述图像声呐系统不仅可以测量所述海底采矿机距离海底的高度，还能测量海底平面的倾斜，所述控制系统便由所述图像声呐系统收集到的信息控制采矿机在水中的横倾角度。所述地形底高测量系统06还可以为其他满足使用功能的系统，如激光传感器等。

所述扬矿高压水管0702的出口、采矿摆臂0705、采矿摆臂驱动缸0706、集矿头0708以及吸矿管0707的数量均为多个且一一对应，每个集矿头0708能够在对应的矿摆臂0705、采矿摆臂驱动缸0706的作用下独立运动。此设计以应对同一横截面处不同横向位置处的海底起伏，确保每个集矿头均与海底保持最佳工作高度。优选的，所述扬矿高压水管0702的出口、采矿摆臂0705、采矿摆臂驱动缸0706、集矿头0708以及吸矿管0707的数量为2个。

本发明的工作原理与如下：

本发明所述采矿机在工作状态时，通过垂直推进器悬浮于海底上方，不与海底接触，在行进采矿时依据地形的起伏与海底粗略的保持适当的高度，集矿头0708也不与海底接触，根据地形起伏精确匹配，与海底保持一定的距离。这样的工作方法在保证采矿效率的同时可以最大限度的降低采矿对海底环境的影响；所述全悬浮式地形跟踪海底采矿机的工作包括调高步骤以及集矿步骤。

调高步骤：

所述采矿机整体通过安装在漂浮结构02上的推进器依据地形底高测量系统06的测量数据调整距离海底高度，所述采矿机中的集矿头0709也依据该数据通过采矿摆臂驱动缸0706调整距底高度，此过程中，由于集矿机整体质量大，难以快速精确调整距底高度，因此垂直推进器只需粗略调整距底高度，集矿头0709和采矿摆臂0705质量较小，采矿摆臂驱动缸0706可快速精确的控制集矿头0709距底间隙。

集矿步骤：

集矿时水流从集矿头0708所具有的喷口喷出将海底的矿物冲起，便于集矿。矿物和废水被混合采集进入矿物分离舱0703后，矿物和废水被分离，废水经废水泵0704被排放至集矿机后方。矿物则通过输矿管0710输送至输矿口连接器0711，输矿口连接器0711后方可连接其他转移工具完成矿物转移。

本发明通过设置多个集矿头，并且不同集矿头之间可以独立升降的工作方式，解决了横向海底起伏引发的采集效率下降问题。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种全悬浮式地形跟踪海底采矿机，其特征在于，包括、驱动结构(03)、控制系统(04)、动力系统(05)、地形底高测量系统(06)、集矿输矿结构(07)；

所述动力系统能够驱使所述驱动结构(03)工作；

所述地形底高测量系统(06)用于测量所述海底采矿机距离海底的高度，所述控制系统(04)能够根据地形底高测量系统(06)测量的数值通过调节动力系统(05)控制所述驱动结构(03)使所述海底采矿机运动；所述控制系统(04)能够根据地形底高测量系统(06)测量的数值控制所述集矿输矿结构(07)运动。

2.根据权利要求1所述的全悬浮式地形跟踪海底采矿机，其特征在于，还包括安装支架(01)、漂浮结构(02)；

所述漂浮结构(02)、驱动结构(03)、控制系统(04)、动力系统(05)、地形底高测量系统(06)、集矿输矿结构(07)均安装在所述安装支架(01)上；

或驱动结构(03)安装在漂浮结构(02)上；控制系统(04)、动力系统(05)、地形底高测量系统(06)、集矿输矿结构(07)均安装在所述安装支架(01)上。

3.根据权利要求1所述的全悬浮式地形跟踪海底采矿机，其特征在于，所述集矿输矿结构(07)包括扬矿水泵(0701)、扬矿高压水管(0702)、矿物分离舱(0703)、废水泵(0704)、采矿摆臂(0705)、采矿摆臂驱动缸(0706)、吸矿管(0707)、集矿头(0708)、输矿管(0710)、输矿口连接器(0711)；

所述矿物分离舱(0703)设置有容纳空间，所述集矿头(0708)设置有内外腔室，所述内腔室通过吸矿管(0707)与所述容纳空间相连通；所述容纳空间通过输矿管(0710)与所述输矿口连接器(0711)连接，所述容纳空间还与所述废水泵(0704)相连通；

所述扬矿水泵(0701)与所述扬矿高压水管(0702)的进水口连接，所述扬矿高压水管(0702)的出水口与所述集矿头(0708)的外腔室相连；

所述采矿摆臂(0705)的一端可旋转的安装在所述矿物分离舱(0703)的外壁，另一端与所述集矿头(0708)连接；所述采矿摆臂驱动缸(0706)安装在所述采矿摆臂(0705)上，且能够驱动所述采矿摆臂(0705)靠近集矿头(0708)的一端沿竖直方向运动。

4.根据权利要求1所述的全悬浮式地形跟踪海底采矿机，其特征在于，集矿输矿结构(07)还包括集矿头调整马达(0709)所述采矿摆臂(0705)的另一端通过所述集矿头调整马达(0709)与所述集矿头(0708)连接；所述集矿头(0708)能够在所述集矿头调整马达(0709)的驱动下摆动。

5.根据权利要求1所述的全悬浮式地形跟踪海底采矿机，其特征在于，所述动力系统(05)为液压系统，所述采矿摆臂驱动缸(0706)与所述驱动结构(03)均通过管道与所述液压系统连接。

6.根据权利要求2所述的全悬浮式地形跟踪海底采矿机，其特征在于，所述漂浮结构(02)包括浮体材料。

7.根据权利要求2所述的全悬浮式地形跟踪海底采矿机，其特征在于，驱动结构(03)包括多个推进器，一部分推进器安装在所述漂浮结构(02)上，另一部分一部分推进器在所述安装支架(01)左右两侧；还有一部分推进器安装在所述安装支架(01)前后两侧。

8.根据权利要求3所述的全悬浮式地形跟踪海底采矿机，其特征在于，所述扬矿高压水管(0702)的出口、采矿摆臂(0705)、采矿摆臂驱动缸(0706)、集矿头(0708)以及吸矿管(0707)的数量均为多个，且一一对应，每个集矿头(0708)能够在对应的矿摆臂(0705)、采矿摆臂驱动缸(0706)的作用下独立运动；

所述扬矿高压水管(0702)的出口、采矿摆臂(0705)、采矿摆臂驱动缸(0706)、集矿头(0708)以及吸矿管(0707)的数量均为2个。

9.根据权利要求1所述的全悬浮式地形跟踪海底采矿机，其特征在于，所述地形底高测量系统(06)为图像声呐系统或激光系统，且所述地形底高测量系统(06)安装在采矿机前方。

10.根据权利要求7所述的全悬浮式地形跟踪海底采矿机，其特征在于，所述漂浮结构(02)上设置有4个安装槽，所述4个安装槽沿所述漂浮结构(02)的中轴周向布置，4个所述推进器分别安装在所述4个安装槽内，所述4个所述推进器的推进方向均为竖直方向。

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