CN116291459A - 动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置及行走方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，包括设置在集矿头两侧的各一个泥橇板，泥橇板上部与若干减震连杆固定连接，若干减震连杆顶部汇聚一个铰接点，集矿头与铰接点铰接；两个铰接点各与向后引出一铰接二连杆，铰接二连杆包括与采矿车主体铰接的铰接连杆上级及与铰接点铰接的铰接连杆下级；铰接连杆上级与铰接连杆下级之间具有一小于90度的夹角，铰接连杆上级具有一向上弯曲部，使得：采矿车主体向前行驶时，铰接连杆下级对于铰接点施加向前的拉力；集矿头的底部距离泥橇板的底部具有一设定的间距，铰接二连杆对所述间距不产生影响。

Description

动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置及行走方法

技术领域

本发明涉及一种海底矿粒采集装置，尤其涉及一种动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置及方法，属于海底采矿技术领域。

背景技术

现今，环境扰动与成本效益成为深海采矿的两大热点话题，因此，设计研发高效率、低扰动采集海底矿石的采矿装备具有重要战略价值。

现有技术的不足及原因：

1)现有自调节装置由于忽视了表层沉积物的脆弱程度，对海床的压陷过于暴力，不但集矿头的位置姿态调节不到位，反而增加了沉积物的悬浮量，造成环境的破坏。

2)现有的集矿装备的设计，难以避免表层的稀软沉积物经常会使采矿车发生滑动，同时忽视了履带对沉积物的扰动。

3)现有设计方案虽然考虑到了对集矿装置的结构优化，但针对集矿头与采矿车之间的配合却缺乏优化，造成空间资源的浪费。

4)现有部分集矿机虽采用悬浮式结构，避免了履带对沉积物的扰动，但在采矿过程中的振动与重量变化会使其发生位移或旋转，很难保证作业的稳定性。

对比专利文件列表：

1)CN110671111A，一种深海自调节集矿机构，公开日2022-09-30；

2)CN209100040U，一种海底集矿作业车的集矿机构，公开日2019-07-12；

3)CN214007151U，基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头，公开日2021-08-20；

4)CN114135289A，全悬浮式地形跟踪海底采矿机，公开日2022-03-04。

发明内容

本发明提出一种动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置及方法，具备高集矿效率，低环境扰动的优点，解决了传统采矿车履带对沉积物扰动较大且容易打滑，集矿头离底高度不稳定,采集效率低下的问题。

一种动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，包括设置在集矿头3两侧的各一个泥橇板4，泥橇板4上部与若干减震连杆7固定连接，所述若干减震连杆7顶部汇聚一个铰接点，集矿头3与所述铰接点铰接；两个所述铰接点各与向后引出一铰接二连杆，所述铰接二连杆包括与采矿车主体8铰接的铰接连杆上级1及与所述铰接点铰接的铰接连杆下级2；所述铰接连杆上级1与铰接连杆下级2之间具有一小于90度的夹角，所述铰接连杆上级1具有一向上弯曲部，使得：所述采矿车主体8向前行驶时，铰接连杆下级2对于所述铰接点施加向前的拉力；所述集矿头3的底部距离泥橇板4的底部具有一设定的间距，所述铰接二连杆对所述间距不产生影响。

优选的，所述采矿车主体8与所述铰接连杆上级1之间设有一用于缓冲作用的第一液压缸，所述铰接连杆上级1与铰接连杆下级2之间设有另一用于缓冲作用的第二液压缸。

优选的，所述泥橇板4的长度方向与所述采矿车主体8的履带5的长度方向位于统一直线上，且两者宽度相同。

优选的，输矿金属软管6作为集矿头3与采矿车主体8的矿粒通道，会随二者之间的位置变化而产生弯曲、伸缩变形，保证矿粒能及时向上输送。

优选的，两个泥橇板4分别布置在集矿头3的两端，其底部为矩形平面，沿行进方向向前伸展，并在前端翘起约45°，在地形变化时，可以迅速切入。

优选的，还包括：矿粒富集机构，其包括在集矿头前方的两侧对称安装的一对外扩式射流喷嘴，一对外扩式射流喷嘴的方向为：水平面视角下，各自对准二者之间的斜后方的方向；立面视角下，各自倾斜向下；双侧凸曲壁集矿机构，其包括设于集矿头的前后侧的各一排的射流喷嘴07、08，两排射流喷嘴07、08的方向为：水平视角下，相向设置；立面视角下，各自倾斜向下；所述矿粒富集机构与双侧凸曲壁集矿机构之间形成对称的两路集矿水流循环。

进一步的，还包括供水管路系统，其上设有第一流量分配阀05和第二流量分配阀06；所述第一流量分配阀05分为两个出水口，分别对应：位于一侧的外扩式射流喷嘴和位于另一侧的外扩式射流喷嘴；所述第二流量分配阀06分为两个出水口，分别对应：位于集矿头后方的第一射流喷嘴08，位于集矿头前方的第二射流喷嘴07。

更进一步的，所述一对外扩式射流喷嘴的喷射方向的上方设有对喷射水流起到导向作用的挡板013。

再进一步的，所述挡板13固定在一对泥橇板上，所述泥橇板通过弹性装置与集矿头固定连接，且使得所述挡板13与海底接触时，所述集矿头与海底具有一可调的间距。

再进一步的，所述供水管路系统包括水泵04，所述供水管路系统的水泵04采用脉动式射流的方式；所述水泵04采用一对，各自作为所述两路集矿水流循环中其中一路中的一个环节。

再进一步的，所述水泵04的进水口设有一滤网03，在滤网07的作用下，矿物颗粒和海水-沉积物混合物实现分离：矿物颗粒向下落入储矿箱中，海水-沉积物混合物穿过滤网07后沿着水泵04两侧的排水管道向所述流量分配阀05输送；所述排水管道各自作为所述两路集矿水流循环的其中一路中的一个环节。

进一步的，所述第一射流喷嘴08、第二射流喷嘴07的出口上方的集矿管壁设计为向下凸起的流线型凸曲壁结构，当矿粒被富集到集矿头的作业区域后，集矿头前后两处的第一射流喷嘴08、第二射流喷嘴07按设定的流速比喷出高速射流，利用康达效应对赋存于海床表面的矿粒进行冲刷、松动、剥离、推移、抬升，高速水流在流线型凸曲壁结构的近壁面和远壁面处形成高低压力差，使矿粒具有沿着曲壁向集矿出口移动的趋势。

优选的，还包括：一滑板装置002；设于其两侧的两组履带装置001；所述履带装置001为包括一由杆件构成的轻型机架007，两组链轮装置固定在所述轻型机架007的两侧；所述链轮装置包括前后各一个双头链轮，所述前后各一个双头链轮上固定两条平行的链条005，所述两条平行的链条005之间间隔固定多个仿生履齿004；使得：整个所述履带装置001内部为中空的轻型结构；所述滑板装置002包括泥橇板009、无极升降装置003；所述无极升降装置003的本体与两侧的所述轻型机架007固定为一体，其顶杆向下连接所述泥橇板009，可通过将泥橇板009向下顶，使得所述履带装置001向上抬起。

进一步的，所述滑板装置002还包括上底板0015、下底板0011、滑动丝杆0010，所述下底板0011下端与泥橇板009固定连接，上端通过所述滑动丝杆0010与所述上底板0015固定连接，所述上底板0015与其两侧的轻型机架007固定连接。

进一步的，所述前后各一个双头链轮其中之一为驱动轮8。

进一步的，所述无极升降装置003包括防水电机Ⅰ0012；所述无极升降装置003由防水电机I0012供电，带动八根滑动丝杆0010伸缩，进而控制上底板0011与下底板0015的距离，实现泥橇板009的升降功能。

进一步的，仿生履齿004与链条之间为可拆卸式结构；仿生履齿004由根部直板部分及端部圆弧部分组成，其中圆弧部分向后弯曲。

一种上述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置的行走方法，

当集矿机行驶在下坡或平底工况时，泥橇板009通过无极升降装置003下放，下降高度满足使履带装置001离地；此时全部动力由集矿机自身重力及推进器提供；

当集矿机行驶在上坡或易打滑路段时，泥橇板009通过无极升降装置003上升，上升高度满足使泥橇板009与地面贴合接触，此时全部动力由仿生履齿004推土和推进器提供；

当集矿机已经处于打滑甚至沉陷的工况时，泥橇板009通过无极升降装置003下压，抬高履带装置001的高度，通过履齿推土和推进器的作用，实现脱困自救的效果。

本发明的有益效果在于：

1)【降低履带的滑转率，减少沉积物的悬浮量】研究表明，沉积物土的孔隙比越小，颗粒越紧密，咬合摩擦力越大，受剪破坏时所需要的能量也越大。因此，通过集矿头两侧的泥橇板预先对海床施加载荷，沉积物表层的饱和土内的水会承受超孔隙水压力。随着超孔隙水压力的消散，表层沉积物土中的孔隙水排出，土体中的孔隙体积与其固体颗粒体积之比，即孔隙比随之减小，从而发生渗透固结作用。海床的局部抗剪切应力增大，因此能更有效地抵抗来自后方履带的剪切应力，既能够防止履带的打滑，又能够抑制沉积物的悬浮扩散。

2)【采集效率稳定】利用铰接连杆机构将集矿头与采矿车相连，使得集矿头可以根据地形被动调节。避免集矿装置高度过低或过高。当集矿头离底高度过低时，一方面沉积物被大量吸入集矿装置，既增加了集矿系统的负担，又扰动了海底环境；另一方面，由于集矿头的几何结构，特别是水力式集矿头，其结构对于集矿流场的形成至关重要，本发明采用独特的铰接二连杆的结构，实现变推力为拉力，集矿头的底部距离泥橇板的底部具有一设定的间距，且铰接二连杆对所述间距不产生影响；可以有效防止集矿头与海底岩石发生碰撞，造成变形，进而影响集矿效率。此外，当集矿头距离海床过高时，集矿效率会大幅缩减。研究表明，水力集矿装置对离底高度十分敏感，10mm的离底差距可使采集率相差超过80％，本发明设计的拖曳式矿粒采集装置可以有效将离底高度控制在微小范围内，从而使集矿效率稳定保持在较高水平。

3)【可以应对海底复杂多变的地形】由于泥橇板独特的设计，其前端向上翘起，在前方地形变化时，可以在不发生碰撞的情况下及时调整姿态。并且泥橇板可以相对集矿头旋转，在行进过程中始终贴紧海床表面，从而使整个集矿装置更加轻松地应对复杂多变的海底地形。

附图说明

图1是本发明动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置的立体示意图一。

图2是本发明动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置的立体示意图二。

图3是本发明动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置的俯视图一。

图4是本发明动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置的俯视图二。

图5是本发明动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置的侧视图一。

图6是本发明动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置的侧视图二。

图7是先聚后采双侧附壁脉动射流式海底矿粒采集装置的示意图(去除了集矿箱)。

图8是先聚后采双侧附壁脉动射流式海底矿粒采集装置的矿粒富集机构与双侧凸曲壁集矿机构之间形成对称的两路集矿水流循环的示意图(去除了集矿箱)。

图9是先聚后采双侧附壁脉动射流式海底矿粒采集装置的示意图(保留了集矿箱)。

图10是附壁射流集矿模块的示意图。

图11是采矿车的俯视图。

图12是采矿车的立体图。

图13是仿生履带的结构示意图。

图14是履带装置的结构示意图。

图15是滑板装置和无极升降装置的示意图。

图中，1-铰接连杆上级，2-铰接连杆下级，3-集矿头，4-泥橇板，5-履带，6-输矿金属软管，7-减震连杆，8-采矿车主体；

图中，03.滤网，04.水泵，05.第一流量分配阀，06.第二流量分配阀，07.第二射流喷嘴，08.第一射流喷嘴，013.挡板；

图中，001.履带装置，002.滑板装置，003.无极升降装置，004.仿生履齿，005.链条，006.支重轮，007.轻型机架，008.驱动轮，009.泥橇板，0010.滑动丝杆，0011.下底板，0012.防水电机Ⅰ，0013.防水电机Ⅱ，0014.涡轮蜗杆减速机，0015.上底板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

本实施例分为以下三个部分：

第一部分：

参见图1-6，一种动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，包括设置在集矿头3两侧的各一个泥橇板4，泥橇板4上部与若干减震连杆7固定连接，所述若干减震连杆7顶部汇聚一个铰接点，集矿头3与所述铰接点铰接；两个所述铰接点各与向后引出一铰接二连杆，所述铰接二连杆包括与采矿车主体8铰接的铰接连杆上级1及与所述铰接点铰接的铰接连杆下级2；所述铰接连杆上级1与铰接连杆下级2之间具有一小于90度的夹角，所述铰接连杆上级1具有一向上弯曲部，使得：所述采矿车主体8向前行驶时，铰接连杆下级2对于所述铰接点施加向前的拉力；所述集矿头3的底部距离泥橇板4的底部具有一设定的间距，所述铰接二连杆对所述间距不产生影响。

在此实施例中，所述采矿车主体8与所述铰接连杆上级1之间设有一用于缓冲作用的第一液压缸，所述铰接连杆上级1与铰接连杆下级2之间设有另一用于缓冲作用的第二液压缸。

在此实施例中，所述泥橇板4的长度方向与所述采矿车主体8的履带5的长度方向位于统一直线上，且两者宽度相同。

在此实施例中，输矿金属软管6作为集矿头3与采矿车主体8的矿粒通道，会随二者之间的位置变化而产生弯曲、伸缩变形，保证矿粒能及时向上输送。

在此实施例中，两个泥橇板4分别布置在集矿头3的两端，其底部为矩形平面，沿行进方向向前伸展，并在前端翘起约45°，在地形变化时，可以迅速切入。

深海采矿集矿装置距离海床的离底高度对采集效率往往起着决定性作用。离底高度过高，矿石的采集效率会大幅降低；离底高度过低，集矿装置会与海床表层沉积物或海底岩石发生接触，前者会引起海底沉积物的大范围扰动和悬浮，后者极有可能造成集矿装置的损坏。因此，保证集矿装置在采矿车行进过程中具有恒定的离底高度十分重要。而现有集矿装置与采矿车多为刚性连接，采矿车自身的位置和角度变化，会引起集矿装置离底高度的强烈起伏，从而造成多种上述问题。本发明设计一种铰接结构的拖曳式集矿装置，将集矿头与采矿车通过铰接机构相连，为集矿头提供斜向上的拉力，为集矿头在竖直方向提供充足的自由度，使得集矿头的离底高度保持稳定，显著改善了集矿效果。

履带的行进会造成沉积物的扰动与悬浮，悬浮量与海底沉积物的固结程度有关，本发明设计的集矿头两侧的泥橇板结构，一方面控制集矿装置的离底高度不变；另一方面利用集矿装置在集矿作业过程中对海床的吸附效果，预先对将要被履带压陷的沉积物施加均布载荷，使其产生固结作用，增大沉积物的局部抗剪切强度，以降低履带的滑转率。

集矿头3通过两侧各两根铰接连杆1、2与采矿车主体8相连，铰接连杆上级与铰接连杆下级的夹角为锐角，对集矿头3施加向前的驱动力和向上的拉力。此机构在竖直方向上不会对集矿头3产生位移限制。地形变化时，随着集矿头3的上下起伏，铰接连杆1、2之间的夹角会减小或增大，保持集矿头3始终受到斜向上的驱动拉力，但不会对其离底高度产生影响。同时，输矿金属软管6作为集矿头3与采矿车主体8的矿粒通道，也会随二者之间的位置变化而产生弯曲、伸缩等变形，保证矿粒能及时向上输送。

两个泥橇板4分别布置在集矿头3的两端，其底部为矩形平面，沿行进方向向前伸展，并在前端翘起约45°，在地形变化时，可以迅速切入，而不发生较大碰撞。

每一侧泥橇板4与集矿头3分别通过三根减震连杆7连接，减震连杆7仅可在其长度方向上产生伸缩变形。需要说明的是，减震连杆7的刚度较大，一般情况下在采矿车作业时，总保持一定长度，从而保证集矿头的离底高度不变。

采矿车的两条履带5分别布置在集矿头3两侧的泥橇板4的正后方，二者的宽度相同。

采矿车工作时，集矿头3在铰接连杆2的牵引力下向前滑动，首先进入矿区对矿石进行收集。采集的同时，泥橇板4压过稀软的海床表面，其驶过的沉积物发生渗透固结作用，后方履带5随后驶入被压实的固结区域。

综上可以看出本发明：

“降低履带的滑转率，减少沉积物的悬浮量”，研究表明，沉积物土的孔隙比越小，颗粒越紧密，咬合摩擦力越大，受剪破坏时所需要的能量也越大。因此，通过集矿头两侧的泥橇板预先对海床施加载荷，沉积物表层的饱和土内的水会承受超孔隙水压力。随着超孔隙水压力的消散，表层沉积物土中的孔隙水排出，土体中的孔隙体积与其固体颗粒体积之比，即孔隙比随之减小，从而发生渗透固结作用。海床的局部抗剪切应力增大，因此能更有效地抵抗来自后方履带的剪切应力，既能够防止履带的打滑，又能够抑制沉积物的悬浮扩散。

“采集效率稳定”，利用铰接连杆机构将集矿头与采矿车相连，使得集矿头可以根据地形被动调节。避免集矿装置高度过低或过高。当集矿头离底高度过低时，一方面沉积物被大量吸入集矿装置，既增加了集矿系统的负担，又扰动了海底环境；另一方面，由于集矿头的几何结构，特别是水力式集矿头，其结构对于集矿流场的形成至关重要，本发明采用独特的铰接二连杆的结构，实现变推力为拉力，集矿头的底部距离泥橇板的底部具有一设定的间距，且铰接二连杆对所述间距不产生影响；可以有效防止集矿头与海底岩石发生碰撞，造成变形，进而影响集矿效率。此外，当集矿头距离海床过高时，集矿效率会大幅缩减。研究表明，水力集矿装置对离底高度十分敏感，10mm的离底差距可使采集率相差超过80％，本发明设计的拖曳式矿粒采集装置可以有效将离底高度控制在微小范围内，从而使集矿效率稳定保持在较高水平。

“可以应对海底复杂多变的地形”，由于泥橇板独特的设计，其前端向上翘起，在前方地形变化时，可以在不发生碰撞的情况下及时调整姿态。并且泥橇板可以相对集矿头旋转，在行进过程中始终贴紧海床表面，从而使整个集矿装置更加轻松地应对复杂多变的海底地形。

第二部分：

参见图7-图12，一种先聚后采双侧附壁脉动射流式海底矿粒采集装置，包括：矿粒富集机构，其包括在集矿头前方的两侧对称安装的一对外扩式射流喷嘴，一对外扩式射流喷嘴的方向为：水平面视角下，各自对准二者之间的斜后方的方向；立面视角下，各自倾斜向下；双侧凸曲壁集矿机构，其包括设于集矿头的前后侧的各一排的射流喷嘴07、08，两排射流喷嘴07、08的方向为：水平视角下，相向设置；立面视角下，各自倾斜向下；所述矿粒富集机构与双侧凸曲壁集矿机构之间形成对称的两路集矿水流循环。

参见图7和图10，还包括供水管路系统，其上设有流量分配阀5，所述流量分配阀5分为四个出水口，四个出水口分别对应：位于集矿头后方的第一射流喷嘴8；位于集矿头前方的第二射流喷嘴7；位于一侧的外扩式射流喷嘴；位于另一侧的外扩式射流喷嘴。

参见图7和图11，所述一对外扩式射流喷嘴的喷射方向的上方设有对喷射水流起到导向作用的挡板013。

参见图11，所述挡板013固定在一对橇板上，所述橇板通过弹性装置与集矿头固定连接，且使得所述挡板013与海底接触时，所述集矿头与海底具有一可调的间距。

参见图7，所述供水管路系统包括水泵04，所述供水管路系统的水泵04采用脉动式射流的方式。

结合图7和图8，所述水泵04采用一对，各自作为所述两路集矿水流循环中其中一路中的一个环节。

结合图7和图9，所述水泵04的进水口设有一滤网03，在滤网07的作用下，矿物颗粒和海水-沉积物混合物实现分离：矿物颗粒向下落入储矿箱中，海水-沉积物混合物穿过滤网07后沿着水泵04两侧的排水管道向所述流量分配阀05输送；所述排水管道各自作为所述两路集矿水流循环的其中一路中的一个环节。

参见图10，所述第一射流喷嘴08、第二射流喷嘴07的出口上方的集矿管壁设计为向下凸起的流线型凸曲壁结构，当矿粒被富集到集矿头的作业区域后，集矿头前后两处的第一射流喷嘴08、第二射流喷嘴07按设定的流速比喷出高速射流，利用康达效应对赋存于海床表面的矿粒进行冲刷、松动、剥离、推移、抬升，高速水流在流线型凸曲壁结构的近壁面和远壁面处形成高低压力差，使矿粒具有沿着曲壁向集矿出口移动的趋势。

双侧凸曲壁附壁脉动射流式集矿原理：

根据双侧凸曲壁附壁射流式集矿原理，其基础为基于康达效应(

effect)的附壁射流水力集矿方式，主要原理为：射流贴附凸曲壁面流动，靠近凸曲壁的区域流速大压力小，远离凸曲壁的区域流速小压力大，粗矿粒在压力梯度下受力起动。该集矿方法的特点在于：集矿装置的矿粒入口与海底不直接接触，且水射流贴附集矿装置固体壁面，对海底表层沉积物的冲刷扰动程度较弱。

根据康达效应，矿物颗粒在两排射流喷嘴07,08的射流作用下起动，在压力梯度作用下沿着集矿头凸曲壁运动，在集矿车内部水泵04作用下，通过管道与海水-沉积物混合物一同被吸入集矿车中。在滤网03的作用下，矿物颗粒和海水-沉积物混合物实现分离。矿物颗粒进入储矿箱中(图9中展示了集矿箱)，而海水-沉积物混合物沿着两侧管道汇集在循环出水点(即流量分配阀05)，其内部有电动阀门。第一流量分配阀05中的电动阀门可以控制流向一对外扩式射流喷嘴循环水流量，第二流量分配阀06中的电动阀门可以控制流向两排射流喷嘴07、08中循环水流量。最后巧妙实现循环流作业。

富集模块工作时，决策系统会基于当前矿区矿粒的种类、形状、密度等信息，调节喷嘴处射出的射流强度，带动矿粒向中间富集；同时可根据环境的不同，通过高度调节装置调整喷射高度，以实现富集效率最大化。

由此可以看出以下几个创新点：

“双侧凸曲壁集矿头设计”——几何结构创新

对集矿头进行了几何结构的优化，以解决目前国内、国际上主流集矿方式存在的问题：射流冲采式的矿粒采集率较高，但能耗较大、对海底沉积物扰动较大；单侧附壁射流式会产生漩涡扰动流场，导致采集率不够理想，采矿过程中所需流量大，颗粒轨迹有待优化。本发明设计了线形更加流畅的双侧凸曲壁集矿头，替代原有单侧凸曲壁，采集效率更高、有效消除了漩涡、优化了颗粒运动轨迹。在相同流量下，双侧凸曲壁集矿头的矿粒采集率总大于单侧凸曲壁。并且，双侧凸曲壁的采集率增大速率随流量的增大有减小的趋势。同时，本发明解决了单侧凸曲壁集矿模型中输矿方管内回流区域附近存在较大局部低压区的问题，使得矿粒运动轨迹更优。本发明可实现高效率、低能耗、低扰动的海底矿粒采集，所需流量更少，采集性能更加稳定。

“矿粒富集装置设计”——功能性拓展

在传统采矿车设计方案中，采矿车行进时只能采集位于集矿头宽度范围内的矿粒，在矿粒分布密度较低的矿区工作时规划的行进路线较长，经济性较差。而本发明通过前置矿粒富集装置，基于一对对称的外扩式射流喷嘴，将集矿头宽度范围外的矿粒预先富集到集矿头作业宽度范围内，再进行采集，能够增加矿粒开采的实际宽度范围。同时，本发明将集矿装置与富集装置划分为高、低能量密度区两部分。富集装置工作区水泵输出的射流能量密度较小，既能保证起到矿粒富集的效果，又能避免富集过程造成底质稀散致使履带压陷等问题的发生。集矿装置工作区输出高能量密度的射流，可有效提高集矿头的采集率。两者互相配合工作，实现了能量的合理分配，可有效节约能耗。

“采用循环流开展作业”

本发明利用循环流进行作业，进一步降低了对环境的扰动程度。集矿装置中的水泵会通过管道将已经与矿粒分离的海水-沉积物混合物反复循环流动，在集矿头附近保持较高的沉积物颗粒浓度，促进沉积物的絮凝沉淀，降低颗粒扩散程度，最大程度减少污染。

第三部分：

参见图13-图15，基于仿生设计，提取水牛蹄表面的几何形貌，对履带进行了优化设计，理论和仿真结果表明，仿生履带相比直板履带具有更高的牵引力，能够有效提高集矿机的牵引力，防止其打滑、沉陷。

基于上述仿生设计履带，利用滑板与泥的低摩擦力特性，加装了一种升降装置，可以根据地形随意切换行走模式。下坡时，滑行板下降，将履带抬离地面，利用滑板滑行前进；上坡或在平地时，结合轻量化仿生履带及推进器提供的更大的牵引力，稳步前进，提供了深海集矿中适应复杂地形行走的解决方案。

基于轻量化的思想，设计了一款空心履带板，通过挖空履带之间的大量金属结构，不但减轻了负重，减小了对沉积物的扰动，同时也大大降低了履带缝隙容易粘附沉积物的风险。

整体介绍：

如图13-15所示，结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置，主要由履带装置001、滑板装置002和无极升降装置003三部分组成。

其中履带装置001由仿生履齿004、链条005、支重轮006、机架007和驱动轮008等组成。

滑板装置002由泥橇板009、滑动丝杆10、下底板11、上底板15等组成。

无极升降装置003由防水电机I 0012、防水电机Ⅱ0013、涡轮蜗杆减速机14等组成。

履带部分介绍：

履带装置001由防水电机Ⅱ0013供电，涡轮蜗杆减速机0014转动驱动轮008实现链条005的周期性运动，进而带动固定在链条005上以一定间隔排列的仿生履齿004前行，实现集矿机整体的行走效果。

同一侧履带装置001的两根链条005之间采用镂空设计，大大降低集矿机自重。

仿生履齿004与链条之间采用可拆卸式设计，方便集矿作业完成后的损耗更换。

仿生履齿004由直线为长度为L的直板部分以及半径为R的圆弧部分组成，圆弧的方向向后弯曲。根据理论、实验和仿真结果显示，这样的结构能给集矿机带来更大的牵引力。

支重轮006和驱动轮008采用高强度低重量机架007连接，保持整体强度、刚度和稳定性。

升降装置部分介绍:

无极升降装置003由防水电机I 0012供电，带动八根滑动丝杆0010伸缩，进而控制上底板0011与下底板0015的距离，实现泥橇板009的升降功能。

为防止当泥橇板009滑行与履带行走时，不同的接地重心导致偏心距不同，滑板装置002的前端应与机架007底部的前端持平。

当集矿机行驶在下坡或平底工况时，泥橇板9通过无极升降装置3下放，下降高度应满足使履带装置001离地，全部动力由集矿机自身重力及推进器提供。

当集矿机行驶在上坡或易打滑路段时，泥橇板009通过无极升降装置003上升，上升高度应满足使泥橇板009与地面贴合接触，尽可能增加集矿机的接地面积，减少打滑沉陷，此时全部动力由仿生履齿004推土和推进器提供。

当集矿机已经处于打滑甚至沉陷的工况时，泥橇板009通过无极升降装置003下压，抬高机身的高度，通过履齿推土和推进器的作用，实现脱困自救的效果。

综上可见，以下两大创新的设计要点：

“保持集矿机行走稳定性及低扰动性”：集矿机在以往的海试作业过程中出现了打滑甚至沉陷等现象，严重影响了采矿效率，土体对集矿机的粘滞力甚至导致集矿机回收困难的现象。为解决这一难题，一方面，本发明基于仿生学原理，设计了一种仿生增力履齿，理论、实验和仿真结果显示该结构能给履带提供更大的牵引力，防止集矿机打滑沉陷。另一方面，轻量化的镂空履带设计，能够在减轻履带车自重的同时，有效防止沉积物粘附在履带上，进一步改善牵引力不足的现象，并能有效减少对沉积物的扰动。

“提高集矿机全地形适应性”：据以往研究表明，不同区域深海沉积物的物理参数和力学性能差距显著，且矿区海底存在一定的坡度，这些因素导致了集矿机研发的难度陡增。为解决这一问题，本发明充分考虑了不同区域、不同地形的底部边界对集矿机的影响，提出了一种滑板-履带切换的行走模式，在平地或下坡时采用低阻力滑板与推进器动力组合，在上坡或易沉陷地区采用仿生增力履齿推土产生的牵引力前进，当集矿机已经处于沉陷状态时，可利用滑板的升降功能，将集矿机整体抬高，实现脱困自救的功能。本发明能够帮助集矿机适应集矿工作时的海底复杂地形环境。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (18)

1.一种动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：

包括设置在集矿头(3)两侧的各一个泥橇板(4)，

泥橇板(4)上部与若干减震连杆(7)固定连接，所述若干减震连杆(7)顶部汇聚一个铰接点，集矿头(3)与所述铰接点铰接；

两个所述铰接点各与向后引出一铰接二连杆，所述铰接二连杆包括与采矿车主体(8)铰接的铰接连杆上级(1)及与所述铰接点铰接的铰接连杆下级(2)；

所述铰接连杆上级(1)与铰接连杆下级(2)之间具有一小于90度的夹角，所述铰接连杆上级(1)具有一向上弯曲部，使得：所述采矿车主体(8)向前行驶时，铰接连杆下级(2)对于所述铰接点施加向前的拉力；

所述集矿头(3)的底部距离泥橇板(4)的底部具有一设定的间距，所述铰接二连杆对所述间距不产生影响。

2.如权利要求1所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：所述采矿车主体(8)与所述铰接连杆上级(1)之间设有一用于缓冲作用的第一液压缸，所述铰接连杆上级(1)与铰接连杆下级(2)之间设有另一用于缓冲作用的第二液压缸。

3.如权利要求1所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：所述泥橇板(4)的长度方向与所述采矿车主体(8)的履带(5)的长度方向位于统一直线上，且两者宽度相同。

4.如权利要求1所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：输矿金属软管(6)作为集矿头(3)与采矿车主体(8)的矿粒通道，会随二者之间的位置变化而产生弯曲、伸缩变形，保证矿粒能及时向上输送。

5.如权利要求1所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：两个泥橇板(4)分别布置在集矿头(3)的两端，其底部为矩形平面，沿行进方向向前伸展，并在前端翘起约45°，在地形变化时，可以迅速切入。

6.如权利要求1所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：还包括：

矿粒富集机构，其包括在集矿头前方的两侧对称安装的一对外扩式射流喷嘴，一对外扩式射流喷嘴的方向为：水平面视角下，各自对准二者之间的斜后方的方向；立面视角下，各自倾斜向下；

双侧凸曲壁集矿机构，其包括设于集矿头的前后侧的各一排的射流喷嘴(07、08)，两排射流喷嘴(07、08)的方向为：水平视角下，相向设置；立面视角下，各自倾斜向下；

所述矿粒富集机构与双侧凸曲壁集矿机构之间形成对称的两路集矿水流循环。

7.如权利要求6所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：

还包括供水管路系统，其上设有第一流量分配阀(05)和第二流量分配阀(06)；

所述第一流量分配阀(05)分为两个出水口，分别对应：位于一侧的外扩式射流喷嘴和位于另一侧的外扩式射流喷嘴；

所述第二流量分配阀(06)分为两个出水口，分别对应：位于集矿头后方的第一射流喷嘴(08)，位于集矿头前方的第二射流喷嘴(07)。

8.如权利要求7所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：所述一对外扩式射流喷嘴的喷射方向的上方设有对喷射水流起到导向作用的挡板(013)。

9.如权利要求8所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：所述挡板(13)固定在一对泥橇板上，所述泥橇板通过弹性装置与集矿头固定连接，且使得所述挡板(13)与海底接触时，所述集矿头与海底具有一可调的间距。

10.如权利要求8所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：所述供水管路系统包括水泵(04)，所述供水管路系统的水泵(04)采用脉动式射流的方式；所述水泵(04)采用一对，各自作为所述两路集矿水流循环中其中一路中的一个环节。

11.如权利要求10所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：所述水泵(04)的进水口设有一滤网(03)，在滤网(07)的作用下，矿物颗粒和海水-沉积物混合物实现分离：矿物颗粒向下落入储矿箱中，海水-沉积物混合物穿过滤网(07)后沿着水泵(04)两侧的排水管道向所述流量分配阀(05)输送；所述排水管道各自作为所述两路集矿水流循环的其中一路中的一个环节。

12.如权利要求7所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：所述第一射流喷嘴(08)、第二射流喷嘴(07)的出口上方的集矿管壁设计为向下凸起的流线型凸曲壁结构，当矿粒被富集到集矿头的作业区域后，集矿头前后两处的第一射流喷嘴(08)、第二射流喷嘴(07)按设定的流速比喷出高速射流，利用康达效应对赋存于海床表面的矿粒进行冲刷、松动、剥离、推移、抬升，高速水流在流线型凸曲壁结构的近壁面和远壁面处形成高低压力差，使矿粒具有沿着曲壁向集矿出口移动的趋势。

13.如权利要求1所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：

还包括：一滑板装置(002)；设于其两侧的两组履带装置(001)；

所述履带装置(001)为包括一由杆件构成的轻型机架(007)，两组链轮装置固定在所述轻型机架(007)的两侧；所述链轮装置包括前后各一个双头链轮，所述前后各一个双头链轮上固定两条平行的链条(005)，所述两条平行的链条(005)之间间隔固定多个仿生履齿(004)；使得：整个所述履带装置(001)内部为中空的轻型结构；

所述滑板装置(002)包括泥橇板(009)、无极升降装置(003)；所述无极升降装置(003)的本体与两侧的所述轻型机架(007)固定为一体，其顶杆向下连接所述泥橇板(009)，可通过将泥橇板(009)向下顶，使得所述履带装置(001)向上抬起。

14.如权利要求13所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：所述滑板装置(002)还包括上底板(0015)、下底板(0011)、滑动丝杆(0010)，所述下底板(0011)下端与泥橇板(009)固定连接，上端通过所述滑动丝杆(0010)与所述上底板(0015)固定连接，所述上底板(0015)与其两侧的轻型机架(007)固定连接。

15.如权利要求13所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：所述前后各一个双头链轮其中之一为驱动轮(8)。

16.如权利要求13所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：所述无极升降装置(003)包括防水电机Ⅰ(0012)；所述无极升降装置(003)由防水电机I(0012)供电，带动八根滑动丝杆(0010)伸缩，进而控制上底板(0011)与下底板(0015)的距离，实现泥橇板(009)的升降功能。

17.如权利要求13所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置，其特征在于：仿生履齿(004)与链条之间为可拆卸式结构；仿生履齿(004)由根部直板部分及端部圆弧部分组成，其中圆弧部分向后弯曲。

18.一种权利要求13所述的动态贴附海底微地形的拖曳式矿粒采集装置的行走方法，其特征在于：

当集矿机行驶在下坡或平底工况时，泥橇板(009)通过无极升降装置(003)下放，下降高度满足使履带装置(001)离地；此时全部动力由集矿机自身重力及推进器提供；

当集矿机行驶在上坡或易打滑路段时，泥橇板(009)通过无极升降装置(003)上升，上升高度满足使泥橇板(009)与地面贴合接触，此时全部动力由仿生履齿(004)推土和推进器提供；

当集矿机已经处于打滑甚至沉陷的工况时，泥橇板(009)通过无极升降装置(003)下压，抬高履带装置(001)的高度，通过履齿推土和推进器的作用，实现脱困自救的效果。

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