CN116163734B - 利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统，涉及海洋装备技术领域，其包括车架、射流装置、电控系统及两个履带行走单元，车架上方安装有箱体，箱体内部设有中继加压装置。两个履带行走单元对称设置在车架左右两侧，履带行走单元包括履带梁、主动轮、从动轮及履带。履带包括多个履带板，履带板外侧具有球形底面的凹槽。射流装置包括高压罐体及一组射流喷头，射流喷头通过高压罐体与中继加压装置管路相连，中继加压装置可由水面母船提供二氧化碳。本发明利用液态二氧化碳射流去除履带板上的黏土底质并减少履带板与黏土底质的接触量，保持履带的抓地力，避免打滑，履带板空腔内的二氧化碳与水形成二氧化碳水合物，实现对二氧化碳封存的效果。

Description

利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统

技术领域

本发明涉及海洋装备技术领域，具体涉及一种利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统。

背景技术

多金属结核赋存的深海表层粘土是工程性质较为特殊的土体，它是以粉粒为主的粘质土。目前深海集矿车主要采用履带行走装置，当深海集矿车在行进采集多金属结核矿物的过程中，履带板压紧稀软粘性底质，粘性底质沿履齿内表面向两侧流出，履带板继续压陷，粘性底质颗粒压实，挤压排水，含水率持续降低，进而加剧粘性底质与履带板与履齿的黏附，导致两块履带板之间及与履带板内侧富集大量黏性底质，进而导致履带式深海集矿车行进牵引力降低、行进效率低下，使得履带式深海集矿车产生打滑、沉陷的严重事故。

二氧化碳排放过多，加剧温室效应，导致海平面会上升，影响水汽循环，导致区域降水不平衡，进而导致了各种自然灾害。碳捕捉与封存技术是指将大型发电厂所产生的二氧化碳收集起来，并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。这种技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。

二氧化碳封存的方法有多种，一般说来可分为地质封存和海洋封存两类。一方面，二氧化碳在常温常压下是一种无色无味或无色无臭而其水溶液气体。但当所处环境压力大于7.39Mpa、温度低于31℃时，二氧化碳便会处于液态。液态二氧化碳密度1.101g/cm³，大于海水1.02～1.07g/cm³的密度。在多金属结核赋存的3000-5000米的深海环境中，低温高压的外部条件致使二氧化碳处于液相，且由于密度问题将会持续向海底沉降另一方面，二氧化碳在低温高压环境下与水充分混合会形成固态二氧化碳水合物，它是一种非化学计量关系的包络形化合物。最新研究发现在0.5％～3.5％范围内的氯化钠溶液可缩短凝结时间，提高水合物生成速率。在多金属结核赋存的深海低温高压的外部环境，以及深海海水NaCl平均3.5％的含量，为二氧化碳水合物的生成提供良好的天然条件。因此，深海储存便成为最优解。

中国专利公开号CN113309167A公开了一种水底疏浚清淤车履齿及其制造方法，所述水底疏浚清淤车履齿包括顶板和履齿，所述履齿具有竖直部和弯曲部。通过履齿的特殊构造，降低履齿与深海沉积物之间的粘附力，通过改造履齿形状可以降低深海沉积物与履齿之间的粘附力，但履带与深海沉积物在履带行进过程中会反复挤压，履带行进过程仍使得履齿与履带板区域赋存粘性底质，不能有效清除履带赋存粘性底质。

中国专利公开号CN102182462A公开了一种深海集矿机的履带除粘方法及装置,所述方法是在深海集矿机上设置一高压水射流装置,将该射流装置的喷嘴从行走方向的后端对准深海集矿机的行走履带,在行进中抽取海水通过喷嘴清除行走履带粘附的底质。该方法采用海水射流冲击履带齿，水射流冲击破坏效果较差，并且海水冲击对履齿腐蚀危害大，难以持续高效稳定清除履带赋存粘性底质。因此，现有技术亟待进一步改进和提高，用于快速高效稳定去除履带黏附底质以及实现对于二氧化碳的深海封存。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统，解决现有海底集矿车行走过程中由于履带板黏附黏土底质导致打滑、沉陷，机动性差，以及二氧化碳难以稳定储存，温室效应加剧的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统，包括车架、射流装置、电控系统及两个履带行走单元，所述车架的上方安装有箱体，箱体的内部设置有中继加压装置。

两个履带行走单元对称设置在车架的左右两侧，履带行走单元包括履带梁、主动轮、从动轮及履带，履带梁纵向水平布置，主动轮和从动轮分别设在履带梁的前后两端，所述履带设在主、从动轮的外部。

所述履带是由多个履带板首尾依次相连构成的，履带板的外侧具有贯通其左右两端的凹槽，所述凹槽的底面为球形面。

所述射流装置有两个且左右对称布置，每个射流装置均包括高压罐体及向凹槽内喷射液态二氧化碳的一组射流喷头，射流喷头与高压罐体的出口端管路连接。

中继加压装置的出口端与高压罐体的入口端管路相连，中继加压装置由水面母船提供二氧化碳。

进一步地，所述主动轮和从动轮均为齿轮结构，履带的内侧设有与其相匹配的橡胶齿带，橡胶齿带的内壁上具有与主、从动轮相配合的齿槽。

各履带板背离凹槽一侧的中部均与橡胶齿带固定相连，工作状态下，主动轮通过橡胶齿带驱动履带运动。

进一步地，履带板包括履带板本体及两个履齿，所述履带板本体及履齿均为长方形板体，两个履齿分别设置在履带板本体外表面的前后两侧，且为一体结构。

所述凹槽的底面为履带板本体的外表面，两个履齿的相邻侧壁与履带板本体的外表面配合形成所述凹槽。

进一步地，各履带板沿其运动方向前后两端的分别具有一组容纳槽，每组容纳槽包括横向依次间隔布置的多个容纳槽。

任意相邻两个履带板相互靠近的一端通过与每组容纳槽数量相等且位置一一对应的连接块转动相连，各连接块的两端分别位于两个履带板对应的容纳槽内，通过销轴与履带板铰接。

进一步地，每组射流喷头均包括同轴相对布置的两个射流喷头，每个射流喷头的入口端均连接有第一支管，所述第一支管与履带梁固定相连。

两个支管远离射流喷头的一端均与第一主管的一端相连，所述第一主管的另一端通过电磁阀与高压罐体的出口端相连相通，所述电磁阀的信号端与电控系统通讯相连。

工作状态下，同组的两个射流喷头由左右两侧向运动至履带前端的履带板凹槽内射流液态二氧化碳。

进一步地，中继加压装置包括中继仓和加压泵，加压泵设置在中继仓内，其入口端与中继仓的内部相通，出口端通过第二主管分别与两个高压罐体相连相通。

所述中继仓的入口端通过管道与水面母船的二氧化碳制备装置相连接。

通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：

1、本发明利用高压液态二氧化碳射流底黏增渗特性，根据康达效应液态二氧化碳射流可对履带板内侧彻底、全面冲刷进而实现高效除黏。同时，通过改变履带板形状，在履带板内侧的空腔集聚液态二氧化碳，使得形成一层液态二氧化碳隔膜，减少履带板与黏土底质的接触量，达到深海矿车行进过程中减少黏土黏附履齿的效果，保持履带的抓地力，避免打滑。

2、本发明利用深海高压低温环境与深海矿车行驶时压力的震荡变化，使得履带板空腔内的二氧化碳与海水作用形成二氧化碳水合物，利用二氧化碳水合物的稳定性，实现履带无黏附高效行驶以及对二氧化碳封存的效果。

附图说明

图1是本发明利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统的结构示意图。

图2是发明利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统的右视示意图。

图3是图1中本发明履带板的内部结构简图。

图4是图1中本发明履带板的结构示意图。

图5是图1中本发明两个履带板的组合结构示意图。

图6是本发明两个履带板组合结构的侧视图。

图7是本发明的履带板在射流状态下的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

实施例，结合图1至图7，一种利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统，可用于深海海底行走的履带式探测设备、采样机器人以及深海集矿车，尤其适用于履带式深海矿车。其包括车架1、射流装置、电控系统及两个履带行走单元2，所述车架1的上方安装有箱体11，箱体11的内部设置有中继加压装置。电控系统安装在箱体11内部，采用现有技术已有的控制系统，对深海集矿车的用电设备进行程序控制。

两个履带行走单元2对称设置在车架1的左右两侧，履带行走单元2包括履带梁21、主动轮22、从动轮23及履带，履带梁21纵向水平布置，主动轮22和从动轮23分别设在履带梁21的前后两端，所述履带设在主、从动轮23的外部。

所述主动轮22和从动轮23均为齿轮结构，履带的内侧设有与其相匹配的橡胶齿带24，橡胶齿带24的内壁上具有与主动轮22、从动轮23相配合的齿槽。所述主动轮22的轮轴与深海集矿车的动力装置相连，并由动力装置驱动主动轮22转动，主动轮22通过橡胶齿带24和履带驱动从动轮23转动，实现深海集矿车在海床上的行走。

所述履带是由多个履带板3首尾依次相连构成的环形结构，履带板3的外侧具有贯通其左右两端的凹槽33，所述凹槽33的底面为球形曲面。各履带板3背离凹槽33一侧的中部均与橡胶齿带24固定相连，工作状态下，主动轮22通过橡胶齿带24驱动履带运动。

各履带板3沿其运动方向前后两端的分别具有一组容纳槽34，每组容纳槽34包括横向依次间隔布置的多个容纳槽34。任意相邻两个履带板3相互靠近的一端通过与每组容纳槽数量相等且位置一一对应的连接块4转动相连，各连接块4的两端分别位于两个履带板3对应的容纳槽内，通过销轴与履带板3铰接。同一履带上的各履带板3之间通过多组连接块4转动相连，当履带板3运动至主动轮22或从动轮23的外侧对应位置时，相邻两个履带板3之间可相对转动。

履带板3包括履带板本体31及两个履齿32，所述履带板本体31及履齿32均为长方形板体，两个履齿32分别设置在履带板本体31外表面的前后两侧，且为一体结构。履齿32的设置可使履带板3具有较好的抓力能力，能够避免行走过程中打滑，提高其行走过程中的机动性能。所述凹槽33的底面为履带板本体31的外表面，此处所指的外表面是履带板本体31背离橡胶齿带24一侧的表面，两个履齿32的相邻侧壁与履带板本体31的外表面配合形成所述凹槽33。

所述射流装置有两个且左右对称布置，每个射流装置均包括高压罐体51及可向凹槽33内喷射液态二氧化碳的一组射流喷头52，射流喷头52与高压罐体51的出口端管路连接。

中继加压装置的出口端与高压罐体51的入口端管路相连，中继加压装置可由水面母船提供二氧化碳。中继加压装置包括中继仓61和加压泵62，加压泵62设置在中继仓61内，其入口端与中继仓61的内部相通，出口端通过第二主管63分别与两个高压罐体51相连相通。所述中继仓61的入口端可通过管道与水面母船的二氧化碳制备装置相连接。

工作状态下，集矿车位于深海的底部在海床面上行走，用于收集海底的多金属结核和多金属硫化物，水面母船通过管道向中继仓61内持续供入二氧化碳，由于海底的低温环境及压强条件，二氧化碳到达中继仓61前呈低压液态，液态二氧化碳进入中继仓61内暂存并经过加压泵62进一步加压后成为高压液态二氧化碳，并送入高压罐体51内储存。

每组射流喷头52均包括同轴相对布置的两个射流喷头52，每个射流喷头52的入口端均连接有第一支管53，所述第一支管53与履带梁21固定相连。两个射流喷头52的连线可通过最前侧履带板3的凹槽内，两个射流喷头52位于履带板3左右两端外侧，可有两端向最前侧履带板3的凹槽内对射液态二氧化碳，双向对射的射流方式可最大程度清除粘附于履带板3上的黏土底质。

两个支管远离射流喷头52的一端均与第一主管54的一端相连，所述第一主管54的另一端通过电磁阀55与高压罐体51的出口端相连相通，所述电磁阀55的信号端与电控系统通讯相连。工作状态下，同组的两个射流喷头52可由左右两侧向运动至履带前端的履带板3凹槽33内射流液态二氧化碳。

深海集矿车在海底行走过程中，履带的各履带板3运动至最前端时，高压罐体51内储存的液态二氧化碳经由电磁阀55控制流量，相对布置的两个射流喷头52由两侧向履带板3的凹槽33内对射液态二氧化碳，履带板3内侧液态二氧化碳的流场可见图7，根据康达效应可知液态二氧化碳会沿凹槽33的底面向中间流动，并充满履带板3的凹槽33内部。履带板3继续向下运动与海底黏土底质接触后，履齿32进入黏土底质，凹槽33底部的两端与黏土底质接触，将履带板3内部的部分液态二氧化碳封存，同时，液态二氧化碳会赋存在履带板3的凹槽33底面形成一层二氧化碳隔膜，隔离黏土底质与履带板凹槽33底面的接触量，进而减少履带板与黏土底质的接触，进而实现履带减黏的效果，位于履带板凹槽33底面与黏土底质表面之间的液态二氧化碳与海水作用形成包络状的固态水合物，固态水合物外表面黏度极低，极易与履带板的凹槽33表面脱离。

另外，液态二氧化碳具有低黏度、强扩散以及可压缩的性质,可进入深层孔隙,黏土底质产生微裂隙并扩展已有裂缝，部分液态二氧化碳渗入黏土底质内并与海水结合形成二氧化碳水合物。

当下层履带板3到达从动轮23位置并向上运动时，大部分的黏土底质从履带板3上脱离，少量黏土底质留在履带板3的凹槽33内，到达最前端时，两个射流喷头52再次由两侧向履带板3的凹槽33内对射液态二氧化碳，液态二氧化碳的粘性仅为海水粘性的几分之一至十分之一之间，液态二氧化碳射流阻力较小，冲击力度大，利用液态二氧化碳的低黏度、强扩散可将履带板3尤其是履齿上粘附的黏土底质冲刷干净，使履带的履带板再次接触黏土底质时，始终保持较好的抓地力、机动性，避免打滑。另外，当履带板3旋转行进至与黏土底质接触时，在深海高压低温环境与车辆行驶时压力的振荡变化下，赋存在凹槽33内部的液态二氧化碳被黏土底质封闭，液态二氧化碳与海水作用形成二氧化碳水合物，二氧化碳水合物性质稳定，可达到二氧化碳在深海永久封存的效果。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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发明和简化描述，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发明的限制。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统，其特征在于，包括车架、射流装置、电控系统及两个履带行走单元，所述车架的上方安装有箱体，箱体的内部设置有中继加压装置；

两个履带行走单元对称设置在车架的左右两侧，履带行走单元包括履带梁、主动轮、从动轮及履带，履带梁纵向水平布置，主动轮和从动轮分别设在履带梁的前后两端，所述履带设在主、从动轮的外部；

所述履带是由多个履带板首尾依次相连构成的，履带板的外侧具有贯通其左右两端的凹槽，所述凹槽的底面为球形面；

所述射流装置有两个且左右对称布置，每个射流装置均包括高压罐体及向凹槽内喷射液态二氧化碳的一组射流喷头，射流喷头与高压罐体的出口端管路连接；

中继加压装置的出口端与高压罐体的入口端管路相连，中继加压装置由水面母船提供二氧化碳。

2.根据权利要求1所述的利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统，其特征在于，所述主动轮和从动轮均为齿轮结构，履带的内侧设有与其相匹配的橡胶齿带，橡胶齿带的内壁上具有与主、从动轮相配合的齿槽；

各履带板背离凹槽一侧的中部均与橡胶齿带固定相连，工作状态下，主动轮通过橡胶齿带驱动履带运动。

3.根据权利要求1所述的利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统，其特征在于，履带板包括履带板本体及两个履齿，所述履带板本体及履齿均为长方形板体，两个履齿分别设置在履带板本体外表面的前后两侧，且为一体结构；

所述凹槽的底面为履带板本体的外表面，两个履齿的相邻侧壁与履带板本体的外表面配合形成所述凹槽。

4.根据权利要求1或3所述的利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统，其特征在于，各履带板沿其运动方向前后两端的分别具有一组容纳槽，每组容纳槽包括横向依次间隔布置的多个容纳槽；

任意相邻两个履带板相互靠近的一端通过与每组容纳槽数量相等且位置一一对应的连接块转动相连，各连接块的两端分别位于两个履带板对应的容纳槽内，通过销轴与履带板铰接。

5.根据权利要求1所述的利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统，其特征在于，每组射流喷头均包括同轴相对布置的两个射流喷头，每个射流喷头的入口端均连接有第一支管，所述第一支管与履带梁固定相连；

两个支管远离射流喷头的一端均与第一主管的一端相连，所述第一主管的另一端通过电磁阀与高压罐体的出口端相连相通，所述电磁阀的信号端与电控系统通讯相连；

工作状态下，同组的两个射流喷头由左右两侧向运动至履带前端的履带板凹槽内射流液态二氧化碳。

6.根据权利要求1所述的利用二氧化碳射流的深海矿车履带除黏系统，其特征在于，中继加压装置包括中继仓和加压泵，加压泵设置在中继仓内，其入口端与中继仓的内部相通，出口端通过第二主管分别与两个高压罐体相连相通；

所述中继仓的入口端通过管道与水面母船的二氧化碳制备装置相连接。