CN115387792B - 多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备，包括采集头主体装置、罩型遮挡装置、多向联动调节装置与自感应装置。所述罩型遮挡装置安装于采集头主体下部，包括径向遮挡装置、侧面遮挡装置、拉伸连接遮挡装置及连接组件A；所述自感应装置包括羽状流自感应装置与距离自感应装置。自感应装置自动感应采集作业产生的羽状流、罩型遮挡装置与采集头主体间距、采集头主体与沉积物间距。多向联动调节装置包括多向联动液压杆、固定平板及多向连接组件B。通过多向联动调节装置与罩型遮挡装置配合，实现采集头主体多向转动调节，同时能够有效解决采集时羽状流对海底生态环境的不良影响，增强海底地形适应能力，提高采集效率。

Description

多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备

技术领域

本发明涉及海洋采矿工程技术与装备领域，尤其涉及一种多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备。

背景技术

随着工业化发展、陆地矿产资源减少和人们对于海洋认识的日益深化，丰富的海洋矿产资源将成为人类新的替代资源。我国太平洋C-C区多金属结核资源专属区拥有矿产总量预计能够形成年产300万吨干结核、开采周期20年的深海产业。深海矿产资源开发研究自上世纪50年代末开始，越来越多的国家加入矿产资源开发研究队伍，探索开采系统方案并积极海试。其中，深海矿产资源开采装备研发在深海矿产资源竞争中具有重大战略意义。

由于海底矿产资源的特征及赋存条件各异，多金属结核矿区多集中在深海层平原地形（4000 m以下），其地形复杂，与一般陆地条件差异性较大，并不完全平坦，也存在低洼、坑陷等情况，且多金属结核分布并不规律。同时，大多数微生物生存在海底沉积物约2 cm位置，因此只要有深海作业，不可避免地对海底生物造成不利影响。现有高效多金属结核采集方法（水射流法）会大量扰动沉积物，并演化形成羽状流，会引起海水理化性质改变、影响底栖生物的栖息地、破坏深海生态系统。

因为复杂海底地形环境，现有履带式深海采矿车采集头射流采集的距离无法控制，导致采集效率低。同时，水射流采集将会导致严重的羽状流，目前尚未有很好的解决方法。因此亟需一种既能够适应海底复杂环境、根据不同地形保证采集头与沉积物表面适宜的距离，同时又能够控制羽状流的形成与发展，以提高采矿车采集效率，降低对海底环境影响，最终满足实际海底采矿作业需求。

发明内容

本发明目的为提供一种多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备，该装置可自动探测海底复杂环境，结合现有水射流采集技术，实现采集距离精准把控、采集效率大幅提高，并有效解决因射流扰动采集导致的羽状流生态环境问题。

一种多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备，其特征在于，包括采集头主体装置、罩型遮挡装置、多向联动调节装置与自感应装置。所述罩型遮挡装置安装于采集头下部，包括径向遮挡装置、侧面遮挡装置、拉伸连接遮挡装置及连接组件A；所述自感应装置包括羽状流自感应装置与距离自感应装置；所述多向联动调节装置包括多向联动液压杆、固定平板及多向连接组件B。

优选的，所述采集头主体装置包含射流装置、结核过渡腔以及结核输出口。

优选的，采集头主体下部表面装有距离自感应装置，用以感应采集头主体与海底沉积物表面的距离反馈控制系统，在行走及采集作业时始终保持二者距离在既定范围（5-15 cm）内。

优选的，罩型遮挡装置包含2个径向（采矿车行进方向）遮挡装置、2个侧面遮挡装置及1个拉伸连接遮挡装置。单个径向遮挡装置通过2个连接组件A与采集头主体相连接；单个侧面遮挡装置通过1个连接组件A与采集头主体相连接；径向遮挡装置与侧面遮挡装置、采集头主体装置与径向（侧面）遮挡装置通过拉伸连接遮挡装置形成罩型整体。

优选的，所述径向（侧面）遮挡装置包含遮挡外板、复合遮挡网与更换装置；其中复合遮挡网与更换装置位于遮挡外板内部，更换装置对称位于两侧，更换装置包含转动装置与自动开合夹具。所述复合遮挡网为致密柔性材料，伸展开后两侧固定于自动开合夹具，复合遮挡网上覆化学涂层材料，能够对海底沉积物絮状结构破坏形成的颗粒悬浮物进行高效吸附遮挡，阻止后续演化形成羽状流，任一径向（侧面）遮挡装置可携带多张复合遮挡网。

优选的，所述拉伸连接遮挡装置具有波纹设计，能够在径向遮挡装置、侧面遮挡装置与采集头主体装置产生多向变化时产生联动伸缩，用以保证整体罩型遮挡装置的完整性与包裹性。

优选的，所述遮挡外板表面安装有羽状流自感应装置与距离自感应装置。羽状流自感应装置能够有效捕捉海水浊度，向控制系统动态反馈罩型遮挡装置及附近海底沉积物颗粒再悬浮程度，便于控制系统评价沉积物羽状流遮挡效应；距离自感应装置能够对径向（侧面）遮挡装置与采集头主体间距、径向（侧面）遮挡装置与海底沉积物表面间距进行测量，并能及时反馈控制系统，进而控制径向（侧面）遮挡装置与采集头主体、径向（侧面）遮挡装置与沉积物表面之间的距离。

优选的，两种自感应装置与控制系统的协同配合，保证沉积物絮状结构破坏后处于“再悬浮颗粒”状态被遮挡吸附且不阻碍采矿车的行进与采集头主体的多向调节。

优选的，所述多向联动调节装置中固定平板安装于深海采矿行走机构主体上，为单独部件，不对采集头主体产生影响；所述多向联动液压杆为异型端头，且与固定平板通过3个多向连接组件B进行连接，与采集头主体装置通过3个多向连接组件B进行连接。

优选的，所述连接组件A包括两个螺旋升降部件与一个双向伸缩连接杆件，双向伸缩连接杆件任一端可在螺旋升降部件上完成旋转、升降指令；所述多向连接组件B包括弧形固定部件与螺旋平动部件，多向联动液压杆任一异型端头可在螺旋平动部件上完成旋转、平动指令。

优选的，所述采集头主体装置在多向联动调节装置作用下，能够沿X、Y、Z坐标轴方向（以采矿车行进方向为X轴）进行一定距离（5-15 cm）的调节，且能够沿X、Y、Z坐标轴进行一定角度（±15°）的旋转，更加适应海底表面复杂地形，同时能够增加射流成功率，扩大射流面积，提升采集作业效率。

优选的，所述罩型遮挡装置在距离自感应装置与连接组件A的作用下能够在采矿车行走及采集作业时尽可能保证罩型遮挡装置底部与沉积物表面为：接触非沉陷状态，最大程度保证采集时射流引起的沉积物悬浮颗粒依附于复合遮挡网上。

优选的，所述羽状流感应器感应海水浊度上升时，即代表当前复合遮挡网已达遮挡上限；所述自动开合夹具在复合遮挡网至其遮挡上限时进行工作，主动开启放弃当前复合遮挡网；所述转动装置在前一复合遮挡网被放弃时进行转动，使下一张未使用复合遮挡网代替前一复合遮挡网工作。

优选的，所述罩型遮挡装置完全包裹采集头主体装置下部，且与多向联动调节装置能够协同作用，在采集头主体装置进行角度或距离调节时，罩型遮挡装置能够自动根据采集头多向调节的结果，通过连接组件A调节径向（侧面）遮挡装置，带动整个拉伸连接遮挡装置拉伸变化，从而保证罩型遮挡装置对采集头主体装置的包裹效果，保证对于沉积物悬浮颗粒遮挡、羽状流防控效果。

复合遮挡网为致密柔性材料，网格大小为1600-2500目，上覆化学涂层材料应具备以下特点：

1)在深海环境中能够保持稳定，不被水破坏，不与水相溶，能够长时间不固化；

2)具有高强粘度，对于扬起沉积物吸附率高于98%；

本发明拟采用高粘度、低固化胶粘剂作为上覆化学涂层材料，具体采用中等环氧值0.35-0.45的环氧树脂。

本发明的有益效果：

1、本发明充分考虑海底复杂地形环境，结合深海采矿车常用射流采集法，能够对与采集头与沉积物表面距离进行探测，通过多向联动调节装置，保证采集时采集头主体与沉积物表面的距离保持在5-15 cm以内，同时能够对于凸起、凹陷等不利情况及时进行调整，不阻碍车辆的行进。

2、本发明充分考虑采矿车行进路径中多金属结核散布的不规律性，通过多向联动调节装置使得射流装置的中心点尽可能靠近多金属结核，同时能够采集射流装置边缘外部一定范围内的结核，有效的提高采集装置的采集成功率与采集范围，提高整体采集效率。

3、本发明充分考虑射流采集方法对沉积物的扰动与伴随演化而成的羽状流，通过罩型遮挡装置使沉积物絮状结构破坏造成的颗粒再悬浮情况被控制在其形成的内部空间内，最终附着在复合遮挡网上，抑制再悬浮颗粒进一步演化扩散形成羽状流，尽可能降低海底采矿对于海底生态环境的影响，同时不影响采矿车的行驶。另一方面，罩型遮挡装置为海底采矿车作业提供了更加友善的环境，便于母船对于海底环境的观测。

4、本发明的距离探测及遮挡装置的工作实现全自动，实施方便快捷，对于射流扰动破坏形成的悬浮颗粒能够快速、高效的阻拦，抑制演化形成羽状流，同时多向联动调节装置与罩型遮挡装置互不干扰，协同工作，在多向联动调节装置对采集头主体装置进行调节时，罩型遮挡装置也能够做出响应，保障罩型遮挡装置对于采集头主体的包覆性，对于海底的复杂环境适应性较强。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构爆炸视角图。

图2为本发明的整体结构分散示意图。

图3为本发明的径向与侧面遮挡装置整体示意图。

图4为本发明的整体示意图。

图5为本发明的正面与侧面示意图。

图6为本发明的采集头主体装置结构示意图。

图7为本发明的径向遮挡装置结构示意图。

图8为本发明的侧面遮挡装置结构示意图。

图9为本发明的多向联动调节装置结构示意图。

图10为本发明的连接组件A结构示意图。

图11为本发明的多向联动调节装置效果（角度调节）示意图。

图12为本发明的多向联动调节装置效果（距离调节）示意图。

图中，1、采集头主体装置，2、结核输出口，3、结核过渡腔，4、射流装置，5、径向遮挡装置，6、侧面遮挡装置，7、拉伸连接遮挡装置，8、遮挡外板，9、复合遮挡网，10、更换装置，11、转动装置，12、自动开合夹具，13、连接组件A，14、双向伸缩连接杆件，15、螺旋升降部件，16、羽状流自感应装置，17、距离自感应装置，18、多向联动调节装置，19、固定平板；20、多向联动液压杆，21、弧形固定部件，22、螺旋平动部件，23、多向连接组件B。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，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他实施例，都 属于本申请保护的范围。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示为一种多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备的整体结构爆炸视角图，图中所示箭头为整体装置爆炸视图分解方向。

如图2-图5所示，一种多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备，罩型遮挡装置安装于采集头主体装置（1）下部，分为径向遮挡装置（5）、侧面遮挡装置（6）、拉伸连接遮挡装置（7）及连接组件A（13）。径向（侧面）遮挡装置包括遮挡外板（8）、复合遮挡网（9）与更换装置（10）；自感应装置包括羽状流自感应装置（16）与距离自感应装置（17）；多向联动调节装置包括固定平板（19）、多向联动液压杆（20）及多向连接组件B（23）；连接组件A（13）包括双向伸缩连接杆件（14）与螺旋升降部件（15），多向连接组件B（23）包括弧形固定部件（21）与螺旋平动部件（22）。

如图6所示为采集头主体装置结构示意图，采集头主体装置1包括结核输出口（2）、结核过渡腔（3）、射流装置（4）与距离自感应装置（17）。

如图7所示为径向遮挡装置结构示意图， 径向遮挡装置（5）中羽状流自感应装置（16）、距离自感应装置（17）与两个螺旋升降部件（15）位于遮挡外板（8）上，复合遮挡网（9）与更换装置（10）位于遮挡外板（8）内部，更换装置（10）对称位于两侧，更换装置（10）包含转动装置（11）与自动开合夹具（12），复合遮挡网（9）为致密柔性材料，伸展开后两侧固定于自动开合夹具（12）。

自动开合夹具（12）在复合遮挡网（9）至其遮挡上限时进行工作，主动开启放弃当前复合遮挡网（9）；转动装置（11）在前一复合遮挡网（9）被放弃时可沿图示箭头方向转动，使下一张未使用复合遮挡网（9）代替工作。

如图8所示为侧面遮挡装置结构示意图，与图7所示径向遮挡装置结构示意图除尺寸不同，另其遮挡外板（8）外侧螺旋升降部件（15）数量为一个。

如图9所示为多向联动调节装置结构示意图，固定平板（19）安装于深海采矿车主体上，为单独部件，不对采集头主体装置（1）产生影响；多向联动液压杆（20）为异型端头，且与固定平板（19）通过3个多向连接组件B（23）进行连接，与采集头主体装置（1）通过3个多向连接组件B（23）进行连接。通过多向联动液压杆（20）与多向连接组件B（23）的配合，采集头主体装置（1）能够沿图示X、Y、Z坐标轴方向进行一定距离的调节，且能够沿X、Y、Z坐标轴进行一定角度的旋转。

如图10所示为连接组件A（13）结构示意图，连接组件A（13）包括两个螺旋升降部件（15）与一个双向伸缩连接杆件（14）。 两个螺旋升降部件（15）分别位于采集头主体装置（1）与径向（侧面）遮挡装置（5/6）上，用以将径向（侧面）遮挡装置（5/6）与采集头主体装置（1）相连接。

如图11与图12所示为多向联动调节装置效果（角度调节/距离调节）示意图，通过多向联动调节装置中多向联动液压杆（20）与多向连接组件B（23）的协同作用下，通过多向联动液压杆（20）的伸缩及其异型端头在多向连接组件B（23）上的辅助旋转，能够使得采集头主体装置（1）产生如图箭头所示的角度调节与距离调节，更加适应深海复杂多变的环境，同时在行进路径上能够增加采集成功率与采集面积。

实施例1：

深海采矿车在海底沉积物上行驶作业时，采集头主体上的距离感应装置即开始作业，精准控制采集头主体与沉积物的距离。当遇到复杂地形（凸起、低洼），最初的水平状态不足以支持采矿车采集头通过或采集头射流装置超出作用距离时，通过多向联动调节装置，多向联动液压杆的伸缩及其异型端头在多向连接组件B上的辅助旋转，协同作用下能够对采集头主体进行升降调节，使得采集头安全通过或顺利进行采集作业。

在深海采矿车在预定路径上进行射流采集作业时，出现超过射流采集范围的结核或在采集范围边缘，采集成功率不高的结核时，通过多向联动调节装置，多向联动液压杆的伸缩及其异型端头在多向连接组件B上的辅助旋转，协同作用下能够对采集头主体进行水平调节，使得被采集结核尽量处于射流装置中心，提高采集效率与采集范围。

当射流装置开始工作，对多金属结核进行开采时，破坏沉积物絮状结构，使得沉积物再悬浮，罩型遮挡装置上的羽状流自感应装置感知沉积物再悬浮情况反馈控制系统，这时罩型遮挡装置整体开始工作，通过距离自感应装置反馈控制系统调节连接组件A，调整径向（侧面）遮挡装置与采集头主体装置的位置，带动拉伸连接遮挡装置伸缩，保证整体罩型遮挡装置对于采集头主体装置下部的包覆，同时根据径向（侧面）遮挡装置底部距离自感应装置的反馈与连接组件A的调节，也将不影响采矿车的正常行进，最大程度保证采集时射流引起的沉积物再悬浮颗粒依附于复合遮挡网上，达到羽状流防控的效果。

当羽状流自感应器感应海水浊度短时间内再次大幅上升时，即当前复合遮挡网已达遮挡上限。这时自动开合夹具在复合遮挡网至其遮挡上限时进行工作，主动开启放弃当前复合遮挡网；转动装置在前一复合遮挡网被放弃时进行转动，使下一张未使用复合遮挡网代替前一复合遮挡网工作。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备，其特征在于，包括采集头主体装置、罩型遮挡装置、多向联动调节装置与自感应装置；

所述罩型遮挡装置安装于采集头下部，包括径向遮挡装置、侧面遮挡装置、拉伸连接遮挡装置及连接组件A，所述径向遮挡装置与侧面遮挡装置包含遮挡外板、复合遮挡网与更换装置；其中复合遮挡网与更换装置位于遮挡外板内部，更换装置对称位于两侧，更换装置包含转动装置与自动开合夹具；所述复合遮挡网为致密柔性材料，伸展开后两侧固定于自动开合夹具，复合遮挡网上覆化学涂层材料，能够对海底沉积物絮状结构破坏形成的颗粒悬浮物进行高效吸附遮挡，阻止后续演化形成羽状流，任一径向遮挡装置与侧面遮挡装置可携带多张复合遮挡网；所述拉伸连接遮挡装置具有波纹设计，能够在径向遮挡装置、侧面遮挡装置与采集头主体装置产生多向变化时产生联动伸缩，用以保证整体罩型遮挡装置的完整性与包裹性；

所述自感应装置包括羽状流自感应装置与距离自感应装置，且都位于遮挡外板表面；羽状流自感应装置能够有效捕捉海水浊度，向控制系统动态反馈罩型遮挡装置及附近海底沉积物颗粒再悬浮程度，便于控制系统评价沉积物羽状流遮挡效应；距离自感应装置能够对径向遮挡装置和侧面遮挡装置与采集头主体装置间距、径向遮挡装置和侧面遮挡装置与海底沉积物表面间距进行测量，并能及时反馈控制系统，进而控制径向遮挡装置和侧面遮挡装置与采集头主体装置、径向遮挡装置和侧面遮挡装置与沉积物表面之间的距离；两种自感应装置与控制系统的协同配合，保证沉积物絮状结构破坏后处于“再悬浮颗粒”状态被遮挡吸附且不阻碍采矿车的行进与采集头主体装置的多向调节；

所述多向联动调节装置包括多向联动液压杆、固定平板及多向连接组件B，多向联动调节装置中固定平板安装于深海采矿行走机构主体上，为单独部件，不对采集头主体产生影响；所述多向联动液压杆为异型端头，且与固定平板通过3个多向连接组件B进行连接，与采集头主体装置通过3个多向连接组件B进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备，其特征在于，所述采集头主体装置包含射流装置、结核过渡腔以及结核输出口。采集头主体下部表面装有距离自感应装置，用以感应采集头主体与海底沉积物表面的距离反馈控制系统，在行走及采集作业时始终保持二者距离在既定范围内。

3.根据权利要求1所述的一种多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备，其特征在于，所述罩型遮挡装置包含2个径向遮挡装置、2个侧面遮挡装置及1个拉伸连接遮挡装置。单个径向遮挡装置通过2个连接组件A与采集头主体装置相连接；单个侧面遮挡装置通过1个连接组件A与采集头主体装置相连接；径向遮挡装置与侧面遮挡装置、采集头主体装置与径向遮挡装置、采集头主体装置与侧面遮挡装置通过拉伸连接遮挡装置形成罩型整体。

4.根据权利要求1所述的一种多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备，其特征在于，所述连接组件A包括两个螺旋升降部件与一个双向伸缩连接杆件，双向伸缩连接杆件任一端可在螺旋升降部件上完成旋转、升降指令；所述多向连接组件B包括弧形固定部件与螺旋平动部件，多向联动液压杆任一异型端头可在螺旋平动部件上完成旋转、平动指令。

5.根据权利要求1所述的一种多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备，其特征在于，以采矿车行进方向为X轴方向，所述采集头主体装置在多向联动调节装置作用下，能够沿X、Y、Z坐标轴方向进行一定距离的调节，且能够沿X、Y、Z坐标轴进行一定角度的旋转，更加适应海底表面复杂地形，同时能够增加射流成功率，扩大射流面积，提升采集作业效率。

6.根据权利要求1所述的一种多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备，其特征在于，所述罩型遮挡装置在距离自感应装置与连接组件A的作用下能够在采矿车行走及采集作业时尽可能保证罩型遮挡装置底部与沉积物表面为：接触非沉陷状态，最大程度保证采集时射流引起的沉积物悬浮颗粒依附于复合遮挡网上；所述羽状流自感应装置感应海水浊度上升时，即代表当前复合遮挡网已达遮挡上限；所述自动开合夹具在复合遮挡网至其遮挡上限时进行工作，主动开启放弃当前复合遮挡网；所述转动装置在前一复合遮挡网被放弃时进行转动，使下一张未使用复合遮挡网代替前一复合遮挡网工作。

7.根据权利要求1所述的一种多向调节及羽状流防控复合式海底采矿采集装备，其特征在于，所述罩型遮挡装置完全包裹采集头主体装置下部，且与多向联动调节装置能够协同作用，在采集头主体装置进行角度或距离调节时，罩型遮挡装置能够自动根据采集头多向调节的结果，通过连接组件A调节径向遮挡装置与侧面遮挡装置，带动整个拉伸连接遮挡装置拉伸变化，从而保证罩型遮挡装置对采集头主体装置的包裹效果，保证对于沉积物悬浮颗粒遮挡、羽状流防控效果。