CN117104890A - 一种变质量稳态输送中间仓及其实现的依速变量控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种变质量稳态输送中间仓及其实现的依速变量控制方法。本发明中外壳体和内壳体从外至内依次设置，外壳体和内壳体之间形成有贮水舱室，通放水控制组件设置在外壳体和内壳体之间，贮水舱室通过通放水控制组件与内壳体的内部相连通，矿石破碎仓和传料仓从上至下依次设置在内壳体内，矿石破碎仓的顶端设置有第一进料口，矿石破碎仓的底端设置有第一出料口，传料仓的顶端设置有第二进料口，传料仓的底端设置有第二出料口，第一出料口与第二进料口相连通，第二出料口通过运输泵与主管的下端相连通，主管的上端与垂直提升管道的下端相连通，贮水舱室在通放水控制组件的控制下做出通气排水或排气吸水动作。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种变质量稳态输送中间仓及其实现的依速变量控制方法。
背景技术
随着全球经济的快速发展和人口的不断增长，各国对矿产资源的需求量越来越大。大规模的对陆地矿产资源的开采导致陆地矿产资源日益减少，世界各国逐渐将矿产资源开采投到了海洋上。近几十年的大洋勘探发现，大洋海底蕴藏着丰富的矿产资源，在这些矿产资源中，多金属结核、富钴铁锰结壳以及多金属硫化物这三种矿产资源最具有开采价值。其中，多金属结核在不同深度海底均有分布；富钴铁锰结壳主要分布于水深400-4000米的海山、海脊和海台的斜坡和顶部；多金属硫化物则一般分布于水深350-5000米的大洋中脊、弧后脊和活火山弧的构造板块边界处。大洋海底的矿产资源具备储量巨大以及品味极高的特征，为陆地矿产资源的日益枯竭带来新的生机。
水力提升式采矿系统是目前国际上公认的深海矿产资源开发领域最具有实用价值和发展前景的开采系统，主要由集矿机、输送软管、中间仓、垂直提升管道、水下大功率提升泵以及采矿船等部分组成，其工作原理是：将集矿机收集的矿物通过软管输送至水下中间仓，在中间仓内对矿物进行破碎处理，然后在提升泵的作用下将矿水混合流体通过垂直提升管道输送至水面采矿船。在深海矿产资源开采过程中，具有大细长比的垂直提升管道是整个采矿系统中最为薄弱、把控难度最大的的管体，当矿水混合流体流过垂直提升管道时，会对垂直提升管道的稳定性产生重要影响，当管内流体速度达到临界流速时，管道便会发生失稳，从而严重威胁到管道的稳定输送，未有相关措施保证矿石能够在管内进行稳定输送，未有能够及时调整管内流速的主动措施。
发明内容
为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种变质量稳态输送中间仓及其实现的依速变量控制方法，以解决上述问题。
一种变质量稳态输送中间仓，包括外壳体、内壳体、通放水控制组件、矿石破碎仓、传料仓、运输泵和主管，外壳体和内壳体从外至内依次设置，外壳体和内壳体之间形成有贮水舱室，通放水控制组件设置在外壳体和内壳体之间，贮水舱室通过通放水控制组件与内壳体的内部相连通，矿石破碎仓和传料仓从上至下依次设置在内壳体内，矿石破碎仓的顶端设置有第一进料口，矿石破碎仓的底端设置有第一出料口，传料仓的顶端设置有第二进料口，传料仓的底端设置有第二出料口，第一出料口与第二进料口相连通，第二出料口通过运输泵与主管的下端相连通，主管的上端与垂直提升管道的下端相连通，贮水舱室在通放水控制组件的控制下做出通气排水或排气吸水动作。
利用具体实施方式一、二、三、四、五或六所述的变质量稳态输送中间仓实现的依速变量控制方法，所述依速变量控制方法为：
根据超声波液位计获取的贮水舱室中水位高度hz，计算变质量稳态输送中间仓的质量me为：
me＝mj+mc(1)
其中：mj是贮水舱室为空时，整个变质量稳态输送中间仓的质量；mc是处于贮水舱室内的海水质量，改变贮水舱室中水位的高度hz，则对应改变mc，mc与hz之间的函数关系式为：
mc＝f(hz)
根据外壳体和内壳体的对应的形状不同，mc与hz之间函数关系mc＝f(hz)也对应不同，当外壳体为正方形外壳体，内壳体为正方形内壳体时，正方体外壳体和正方体内壳体的mc与hz之间函数关系，具体关系式为：
其中：n是贮水舱室处于注满海水时的海水质量系数，Hz是贮水舱室的高度；
当变质量稳态输送中间仓处于增大质量状态时，根据临界流速对应控制排气通水过程，具体为：通放水液压机开启，海水从通放水液压机进入贮水舱室内，同时通放气液压机开启，贮水舱室中的气体通过通放气液压机排出外壳体外，当排气通水状态下的变质量稳态输送中间仓的质量me达到预定质量后，同时关闭通放水液压机和通放气液压机，最后通过管路压力平衡装置控制贮水舱室内的压力值，确保主管内的流速小于临界流速；
当变质量稳态输送中间仓处于减小质量状态时，根据临界流速对应控制排气通水过程，具体为：高压气瓶的气体通过通放气液压机排入贮水舱室内，同时通放水液压机开启，处于贮水舱室内的海水通过通放水液压机排出至外壳体外，当通气排水状态下的变质量稳态输送中间仓的质量me达到预定质量后，同时关闭通放水液压机和通放气液压机，最后通过管路压力平衡装置控制贮水舱室内的压力值，确保主管内的流速小于临界流速。
作为优选方案：当外壳体为正方体，内壳体为长方体时，mc与hz函数关系为：
其中：n是贮水舱室处于注满海水时的海水质量系数，Hz是贮水舱室的高度；
当外壳体为正方体，内壳体为球体时，mc与hz函数关系为mc与hz函数关系为：
其中：外壳体的边长为2a；r为内壳体半径；a的表达式如下：
当外壳体为球体，内壳体为球体时，mc与hz函数关系为：
其中：ρw是海水密度；R是外壳体(1)半径；r是内壳体(2)半径；R表达式如下：
本发明的有益效果在于：
一、本发明中外壳体、内壳体、通放水控制组件、矿石破碎仓、传料仓、运输泵和主管之间相互配合能够保证矿石在垂直提升管道内稳定输送，通过依速变量控制方法获取临界流速，并实时通过通放水控制组件调节外壳体和内壳体之间的贮水舱室内的海水储量改变，能够实时通过调整自身质量确保主管管内流速低于临界流速，以达到在满足采矿效率的同时最大程度地使延长垂直提升管道处于优质传输状态，利于长期水下作业，降低意外或不良使用造成的破损发生几率。
二、本发明能够实现定量实时调节管内流速的过程，本发明通过数值计算验证了通过改变中间仓质量来满足垂直提升管道输送稳定性的可持续处理方法，本发明中的变质量稳态输送中间仓中的矿石破碎仓、传料仓、运输泵和主管之间相互配合实现矿物输运过程，对应实现的效果为将集矿机收集来的粗颗粒矿水混合物处理后输送给垂直提升管道。根据不同输送效率的需求，来匹配管内临界流速和变质量稳态输送中间仓：当主管的输送效率需求较大时，通过增大变质量稳态输送中间仓的质量来提高管内临界流速从而满足垂直提升管道稳定输送的要求；当主管的输送效率需求较小时，通过降低变质量稳态输送中间仓的质量来降低管内临界流速，从而满足延长垂直提升管道使用寿命的需求。
附图说明
图1为变质量稳态输送中间仓的主视结构示意图；
图2为变质量稳态输送中间仓的主视剖面结构示意图；
图3为通放水控制组件、多头连接管、通放气液压机、外壳体和内壳体之间连接关系的主视剖面结构示意图；
图4为变质量稳态输送中间仓的主视结构示意图，图中去掉外壳体和内壳体；
图5为通放水控制组件、矿石破碎仓、传料仓、运输泵、主管和多点壳面用支架之间连接关系的第一立体结构示意图；
图6为通放水控制组件、矿石破碎仓、传料仓、运输泵、主管和多点壳面用支架之间连接关系的第二立体结构示意图；
图7为通放水控制组件、矿石破碎仓、传料仓、运输泵、主管和多点壳面用支架之间连接关系的第三立体结构示意图；
图8为通放水控制组件、矿石破碎仓、传料仓、运输泵、主管和多点壳面用支架之间连接关系的第四立体结构示意图；
图9为通放水控制组件、矿石破碎仓、传料仓、运输泵、主管和多点壳面用支架之间连接关系的第五立体结构示意图；
图10为通放气液压机中支撑框和第一电机之间连接关系的立体结构示意图；
图11为第一电机的立体结构示意图；
图12为高压气瓶组的立体结构示意图；
图13为高压气瓶的主视结构示意图；
图14为传料仓的第一立体结构示意图；
图15为传料仓的第二立体结构示意图；
图16为运输泵与主管之间连接关系的主视结构示意图；
图17为矿石破碎仓的立体结构示意图；
图18为传料仓和驱动组件之间连接关系的立体结构示意图；
图19为传料仓和驱动组件之间连接关系的俯视结构示意图；
图20为外壳体和内壳体分别为正方体时形成的贮水舱室结构示意图；
图21为外壳体为正方体、内壳体为球体时形成的贮水舱室结构示意图；
图22为外壳体和内壳体分别为球体时形成的贮水舱室结构示意图；
图23为本发明用于水力提升式采矿系统中的工作原理示意图；
图24为本发明通过计算得出的临界流速变化示意图；
图25为变质量稳态输送中间仓中外壳体为正方体、内壳体为长方体时计算得出的临界流速变化示意图；
图26为变质量稳态输送中间仓中外壳体为正方体、内壳体为球体时计算得出的临界流速变化示意图；
图27为变质量稳态输送中间仓中外壳体为球体、内壳体为球体时计算得出的临界流速变化示意图。
图中：1-外壳体；2-内壳体；3-通放水控制组件；3-1-多头连接管；3-2-通放气液压机；3-2-1-第一通气阀；3-2-2-支撑框；3-2-3-第一电机；3-3-高压气瓶；3-3-1-出气端；3-3-2-压力计；4-矿石破碎仓；41-上圆柱形仓体；42-下锥形仓体；4-1-第一进料口；4-2-第一出料口；5-传料仓；5-1-第二进料口；5-2-第二出料口；5-3-处理仓；5-4-搅拌杆；5-5-下料仓；6-贮水舱室；7-运输泵；8-主管；9-进料管体；10-通放水液压机；10-1-第二通气阀；11-超声波液位计；12-管路压力平衡装置；13-传送带外壳；14-连通管；16-传送带外壳；17-第二电机；18-肋板；20-多点壳面用支架；20-1-水平上架；20-2-水平中架；20-3-底架；20-1-1-第一支撑杆；20-2-1-第二支撑杆；20-3-1-第三支撑杆；21-采矿船；22-提升泵；23-垂直提升管道；24-变质量稳态输送中间仓；25-输送软管；26-集矿机；27-海底矿石。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21、图22、图23、图24、图25、图26和图27说明本实施方式，本实施方式的变质量稳态输送中间仓24的形状为球形、椭球形、圆柱体或方块形，其中最佳取形形状为球形，能够适应水下环境，降低水流冲击对自身影响，变质量稳态输送中间仓24包括外壳体1、内壳体2、通放水控制组件3、矿石破碎仓4、传料仓5、运输泵7和主管8，外壳体1和内壳体2从外至内依次设置，外壳体1和内壳体2之间形成有贮水舱室6，通放水控制组件3设置在外壳体1和内壳体2之间，贮水舱室6通过通放水控制组件3与内壳体2的内部相连通，矿石破碎仓4和传料仓5从上至下依次设置在内壳体2内，矿石破碎仓4的主体结构为上圆柱形仓体41和下锥形仓体42组成的异形仓，上圆柱形仓体41和下锥形仓体42从上至下依次连通，其中，上圆柱形仓体41的底端与下锥形仓体42的大口端相连通设置，上圆柱形仓体41的顶端设置有第一进料口4-1，下锥形仓体42的小口端设置有第一出料口4-2，下锥形仓体42为组合仓体，其包括上组成套和下组成套，上组成套和下组成套从上至下依次连通，上组成套的下端通过上连接环片与下组成套的上端的下连接环片相连接，上连接环片的上端与上组成套的外壁之间设置有多个竖向肋板18。
本实施方式中的传料仓5的顶端设置有第二进料口5-1，传料仓5的底端设置有第二出料口5-2，第一出料口4-2与第二进料口5-1相连通，第二出料口5-2通过运输泵7与主管8的下端相连通，主管8的上端与垂直提升管道23的下端相连通，贮水舱室6在通放水控制组件3的控制下做出排水或吸水动作。垂直提升管道23配合设置有流速检测相关仪器，检测原理与现有技术中的管道内流速检测原理相同。
本实施方式中的传料仓5配合设置有驱动组件，其中驱动组件包括传送带外壳16、传送带、第一转轮、第二转轮和第二电机17，其中，传送带外壳16内设置有第一转轮和第二转轮，第一转轮和第二转轮之间设置有传送带，第一转轮与第二电机17的动力输出轴同轴连接，第二电机17为减速电机，第二转轮与传料仓5相连接，传料仓5包括处理仓5-3和下料仓5-5，处理仓5-3和下料仓5-5从上至下依次连通，处理仓5-3为筒形仓体，其内沿其自身轴向方向设置有与第二转轮同轴连接的搅拌杆5-4，搅拌杆5-4随第二转轮转动而同步转动，起到搅拌处理仓5-3内矿石颗粒的效果，处理仓5-3的顶部设置有第二进料口5-1，下料仓5-5的底部设置有第二出料口5-4。
本实施方式中通放水控制组件3包括通放水液压机10和两组通气控制件，每组控制件包括多头连接管3-1、通放气液压机3-2和多个高压气瓶3-3，每个高压气瓶3-3的出气端3-3-1通过多头连接管3-1与通放气液压机3-2相连通，通放气液压机3-2与贮水舱室6相连通，通放水液压机10穿设在内壳体2上，贮水舱室6通过通放水液压机10与外界相连通。
本实施方式中第一进料口4-1处连通有进料管体9。
本实施方式中内壳体2内配合设置有多点壳面用支架20，多点壳面用支架20包括水平上架20-1、水平中架20-2和底架20-3，水平上架20-1和水平中架20-2从上至下依次水平设置，矿石破碎仓4设置在水平上架20-1上，传料仓5设置在水平中架20-2上，两组通气控制件设置在底架20-3上，水平上架20-1包括多个第一支撑杆20-1-1，水平中架20-2包括多个第二支撑杆20-2-1，底架20-3包括多个第三支撑杆20-3-1。
根据内壳体2的形状选择不同端头结构形式的多个第一支撑杆20-1-1、多个第二支撑杆20-2-1和多个第三支撑杆20-3-1，当内壳体2的内壁形状为直面体时，多个第一支撑杆20-1-1等长，多个第一支撑杆20-1-1的端部形状为直面，多个第二支撑杆20-2-1等长，多个第二支撑杆20-2-1的端部形状为直面，多个第三支撑杆20-3-1等长，多个第三支撑杆20-3-1的端部形状为直面。
当内壳体2的内壁形状为弧面体时，多个第一支撑杆20-1-1不等长，多个第一支撑杆20-1-1的端部处于同一弧形面上，多个第二支撑杆20-2-1不等长，多个第二支撑杆20-2-1的端部处于同一弧形面上，多个第三支撑杆20-3-1不等长，多个第三支撑杆20-3-1的端部处于同一弧形面上。
具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，当贮水舱室6处于增重状态时，通放水控制组件3处于开启状态，外壳体1外的外界水通过通放水液压机10进入贮水舱室6内，贮水舱室6内的气体通过通放气液压机3-2排出至外壳体1外；当贮水舱室6处于减重状态时，通放水控制组件3处于开启状态，贮水舱室6内的水量通过通放水液压机10排出至外壳体1外，高压气瓶3-3内的气体通过通放气液压机3-2进入贮水舱室6中。
具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，贮水舱室6配合设置有超声波液位计11。超声波液位计11为现有产品，硕舟EA100防爆型超声波液位计其工作原理与现有超声波液位计的工作原理相同，超声波液位计11的探头端设置在贮水舱室6内，用于监测贮水舱室6中水位的高度hz。
本实施方式中外壳体1上设置有与贮水舱室6相配合的管路压力平衡装置12。管路压力平衡装置12为现有产品，具体由压力传感器、压力控制器和被控对象组成，管路压力平衡装置12的工作原理与现有的管路压力平衡装置的工作原理相同，管路压力平衡装置12的作用是平衡贮水舱室6的压力，使其内压力处于动态平衡状态。
具体实施方式四：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21、图22、图23、图24、图25、图26和图27说明本实施方式，依据变质量稳态输送中间仓24实现的依速变量控制方法为：
根据超声波液位计11获取的贮水舱室6中水位高度hz，计算变质量稳态输送中间仓24的质量me为：
me＝mj+mc (1)
其中：mj是贮水舱室6为空时，整个变质量稳态输送中间仓24的质量；mc是处于贮水舱室6内的海水质量，改变贮水舱室6中水位的高度hz，则对应改变mc，mc与hz之间的函数关系式为：
mc＝f(hz)
根据外壳体1和内壳体2的对应的形状不同，mc与hz之间函数关系mc＝f(hz)也对应不同，当外壳体1为正方形外壳体，内壳体2为正方形内壳体时，正方体外壳体和正方体内壳体的mc与hz之间函数关系，具体关系式为：
其中：其中：n是贮水舱室6处于注满海水时的海水质量系数，Hz是贮水舱室6的高度；
当变质量稳态输送中间仓24处于增大质量状态时，根据临界流速对应控制排气通水过程，具体为：通放水液压机10开启，海水从通放水液压机10进入贮水舱室6内，同时通放气液压机3-2开启，贮水舱室6中的气体通过通放气液压机3-2排出外壳体1外，当排气通水状态下的变质量稳态输送中间仓24的质量me达到预定质量后，同时关闭通放水液压机10和通放气液压机3-2，最后通过管路压力平衡装置12控制贮水舱室6内的压力值，确保主管8内的流速小于临界流速；
当变质量稳态输送中间仓24处于减小质量状态时，根据临界流速对应控制排气通水过程，具体为：高压气瓶3-3的气体通过通放气液压机3-2排入贮水舱室6内，同时通放水液压机10开启，处于贮水舱室6内的海水通过通放水液压机10排出至外壳体1外，当通气排水状态下的变质量稳态输送中间仓24的质量me达到预定质量后，同时关闭通放水液压机10和通放气液压机3-2，最后通过管路压力平衡装置12控制贮水舱室6内的压力值，确保主管8内的流速小于临界流速。
具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式四的进一步限定，当外壳体1为正方体，内壳体2为长方体时，mc与hz函数关系为：
其中：n是贮水舱室6处于注满海水时的海水质量系数，Hz是贮水舱室6的高度；
当外壳体1为正方体，内壳体2为球体时，mc与hz函数关系为mc与hz函数关系为：
其中：外壳体1的边长为2a；r为内壳体2半径；a的表达式如下：
当外壳体1为球体，内壳体2为球体时，mc与hz函数关系为：
其中：ρw是海水密度；R是外壳体1半径；r是内壳体2半径；R表达式如下：
具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式四或五的进一步限定，本实施方式中临界流速的获取过程为：
一：将变质量稳态输送中间仓24作为施加在垂直提升管道23上的集中质量载荷，同时将垂直提升管道23作为悬臂梁模型，基于修正Hamilton原理建立末端带集中质量载荷的悬臂梁在矿水两相内流作用下的数值模型；
二：基于特征值法对上述数学模型展开分析；
三：选取一垂直提升管道23，基于上述数值模型以及分析方法展开计算分析，并进一步验证中间仓系统质量与管内临界流速的正相关关系，具体步骤为：
步骤1：基于修正Hamilton原理建立末端带集中质量载荷的悬臂梁在内流作用下的数值模型为：
对于修正Hamilton原理的表达式，写作：
其中：T为系统总动能；V为系统总势能；W为作用在体系上的非保守力；ms为垂直提升管道23内固相质量；ml为垂直提升管道23内液相质量；yL为垂直提升管道23端部位移；Us垂直提升管道23内固相速度；Ul垂直提升管道23内液相速度。
公式(7)中各项的表达式如下：
联立公式(7)至公式(10)，总的结构振动方程表示为：
其中：me为变质量稳态输送中间仓24的质量；mp为垂直提升管道23单位长度的质量，表示为mp＝π(D2-d2)ρp/4；Mi为垂直提升管道23中矿石混合物质量；ma为附加质量，表示为κ为垂直提升管道23曲率；L为垂直提升管道23长度；z为垂直提升管道23沿长度方向坐标；y为垂直提升管道23垂直于长度方向和来流方向的振动位移；δp为Dirac函数，单位为L-1；rf为流体阻尼系数，表示为rf＝0.6ρlDU，U为外流速度；Ui为内流速度；EI为管道的抗弯刚度；g为重力加速度；D为垂直提升管道23外径直径；d为垂直提升管道23内径直径；ρs和ρl分别为固相和液相密度；Qs和Ql分别为固相和液相体积比；λL为密度波波长；t为时间。
步骤2：基于特征值法求解上述数值模型为：
引入公式(14)，将公式(11)(12)转化为无量纲方程，具体过程为：
得到如下形式的无量纲振动方程：
无量纲系数表达式为：
对无量纲振动位移η进行Galerkin离散，取前N阶模态振型，表示式为：
其中：φj(ξ)为振型函数，为振型坐标。
将公式(18)代入公式(15)，并在公式(15)左右两端同时乘以振型函数φi(ξ)，并在区间[0,1]上进行定积分得到：
运用特征值法，令的表达式为：
其中：τ为特征值，B为特征向量。
将公式(20)代入公式(19)求解得到临界流速，根据临界流速对应调控通气排水或放气通水的变质量稳态输送中间仓24的质量me，确保垂直提升管道23内速度始终小于临界流速。
步骤3：选取一典型垂直提升管道系统，基于上述数值模型及分析方法展开计算分析，具体如下：
表1基本参数表
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结合图24所示，本发明进行了变质量稳态输送中间仓24的质量与垂直提升管道23内临界流速计算过程，图中横坐标是变质量稳态输送中间仓24的质量，纵坐标是垂直提升管道23内的临界流速，也是主管8内的临界流速。从图21显示的数据结果可知，变质量稳态输送中间仓23的质量与临界流速呈正相关的关系，验证了本发明可通过改变变质量稳态输送中间仓24来影响垂直提升管道23内临界流速的大小，从而实现实时稳态调节过程，还可用变质量稳态输送中间仓24的质量去验证并评价垂直提升管道23内临界流速的状态，调节以及评价过程可靠且实时持续。
图25到图27给出了不同形状外壳与内科的临界流速与贮水舱中水位的高度hz的关系，图中横坐标是贮水舱中水位的高度hz与贮水舱高度Hz的比值，纵坐标是临界流速。根据不同工况的需求，对应选取合适的内外壳形状的变质量稳态输送中间仓24，本发明的变质量稳态输送中间仓24可适用于不同海底环境。
具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五或六的进一步限定，本实施方式中的变质量稳态输送中间仓24以及其实现的依速变量控制方法不仅能够整体用于常规采矿的系统中，进行日常采矿工作中垂直提升管道23内维持流速稳态的过程中，本发明的工作原理还可以进行预先预警提示，具体可作为实时定量监控提示的应急处理方法，具体工作原理为：
将从海底采集的矿石原料依次通过矿石破碎仓4的预处理后进入传料仓5进行进一步处理，处理完毕的矿石颗粒通过运输泵7进入主管8，并通过主管8进入垂直提升管道23中，此时有矿石颗粒经过的垂直提升管道23被实时检测管内流速，当发现垂直提升管道23实际的管内流速接近临界流速时，通过采取下面两种手段进行调节：
一种调节手段为：增大变质量稳态输送中间仓24的质量以控制并实现排气通水过程，具体为：通放水液压机10开启，海水从通放水液压机10进入贮水舱室6内，同时通放气液压机3-2开启，贮水舱室6中的气体通过通放气液压机3-2排出外壳体1外，当排气通水状态下的变质量稳态输送中间仓24的质量me达到预定质量后，同时关闭通放水液压机10和通放气液压机3-2，最后通过管路压力平衡装置12控制贮水舱室6内的压力值，确保主管8内的实际流速与临界流速之间处于安全关系范围内；
另一种调节手段为：减小变质量稳态输送中间仓24的质量以控制并实现排气通水过程，具体为：高压气瓶3-3的气体通过通放气液压机3-2排入贮水舱室6内，同时通放水液压机10开启，处于贮水舱室6内的海水通过通放水液压机10排出至外壳体1外，当通气排水状态下的变质量稳态输送中间仓24的质量me达到预定质量后，同时关闭通放水液压机10和通放气液压机3-2，最后通过管路压力平衡装置12控制贮水舱室6内的压力值，确保主管8内的实际流速与临界流速之间处于安全关系范围内；
上述两种手段的具体使用和选择根据变质量稳态输送中间仓24的实际运行状态对应选择进行，确保两种手段交替进行，使变质量稳态输送中间仓24处于全程良性安全的使用状态中。
本发明的依速变量控制方法还有依照需要应对突发情况，具有应急启动维稳流速的效果，先根据矿石的产量以及其他具体情况预定计算出临界流速，根据临界流速调控垂直提升管道23内实际流速情况，当因外界情况或其他海底环境影响而发生流速突变时，本发明中的变质量稳态输送中间仓24应急启动并及时且持续动态调整自身质量，以维持垂直提升管道23内流速处于动态安全稳定的范围中。
Claims (10)
1.一种变质量稳态输送中间仓，其特征在于：包括外壳体(1)、内壳体(2)、通放水控制组件(3)、矿石破碎仓(4)、传料仓(5)、运输泵(7)和主管(8)，外壳体(1)和内壳体(2)从外至内依次设置，外壳体(1)和内壳体(2)之间形成有贮水舱室(6)，通放水控制组件(3)设置在外壳体(1)和内壳体(2)之间，贮水舱室(6)通过通放水控制组件(3)与内壳体(2)的内部相连通，矿石破碎仓(4)和传料仓(5)从上至下依次设置在内壳体(2)内，矿石破碎仓(4)的顶端设置有第一进料口(4-1)，矿石破碎仓(4)的底端设置有第一出料口(4-2)，传料仓(5)的顶端设置有第二进料口(5-1)，传料仓(5)的底端设置有第二出料口(5-2)，第一出料口(4-2)与第二进料口(5-1)相连通，第二出料口(5-2)通过运输泵(7)与主管(8)的下端相连通，主管(8)的上端与垂直提升管道(23)的下端相连通，贮水舱室(6)在通放水控制组件(3)的控制下做出通气排水或排气吸水动作。
2.根据权利要求1所述的变质量稳态输送中间仓，其特征在于：通放水控制组件(3)包括通放水液压机(10)和两组通气控制件，每组控制件包括多头连接管(3-1)、通放气液压机(3-2)和多个高压气瓶(3-3)，每个高压气瓶(3-3)的出气端(3-3-1)通过多头连接管(3-1)与通放气液压机(3-2)相连通，通放气液压机(3-2)与贮水舱室(6)相连通，通放水液压机(10)穿设在内壳体(2)上，贮水舱室(6)通过通放水液压机(10)与外界相连通。
3.根据权利要求1所述的变质量稳态输送中间仓，其特征在于：第一进料口(4-1)处连通有进料管体(9)。
4.根据权利要求2所述的变质量稳态输送中间仓，其特征在于：内壳体(2)内配合设置有多点壳面用支架(20)，多点壳面用支架(20)包括水平上架(20-1)、水平中架(20-2)和底架(20-3)，水平上架(20-1)和水平中架(20-2)从上至下依次水平设置，矿石破碎仓(4)设置在水平上架(20-1)上，传料仓(5)设置在水平中架(20-2)上，两组通气控制件设置在底架(20-3)上，水平上架(20-1)包括多个第一支撑杆(20-1-1)，水平中架(20-2)包括多个第二支撑杆(20-2-1)，底架(20-3)包括多个第三支撑杆(20-3-1)。
5.根据权利要求2所述的变质量稳态输送中间仓，其特征在于：当贮水舱室(6)处于增重状态时，通放水控制组件(3)处于开启状态，外壳体(1)外的外界水通过通放水液压机(10)进入贮水舱室(6)内，贮水舱室(6)内的气体通过通放气液压机(3-2)排出外壳体(1)外；当贮水舱室(6)处于减重状态时，通放水控制组件(3)处于开启状态，贮水舱室(6)内的水量通过通放水液压机(10)排出至外壳体(1)外，高压气瓶(3-3)内的气体通过通放气液压机(3-2)进入贮水舱室(6)中。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的变质量稳态输送中间仓，其特征在于：贮水舱室(6)配合设置有超声波液位计(11)。
7.根据权利要求6所述的变质量稳态输送中间仓，其特征在于：外壳体(1)上设置有与贮水舱室(6)相配合的管路压力平衡装置(12)。
8.利用权利要求7所述的变质量稳态输送中间仓实现的依速变量控制方法，其特征在于：所述依速变量控制方法为：
根据超声波液位计(11)获取的贮水舱室(6)中水位高度hz，计算变质量稳态输送中间仓(24)的质量me为：
me＝mj+mc (1)
其中：mj是贮水舱室(6)为空时，整个变质量稳态输送中间仓(24)的质量；mc是处于贮水舱室(6)内的海水质量，改变贮水舱室(6)中水位的高度hz，则对应改变mc，mc与hz之间的函数关系式为：
mc＝f(hz)
根据外壳体(1)和内壳体(2)的对应的形状不同，mc与hz之间函数关系mc＝f(hz)也对应不同，当外壳体(1)为正方形外壳体，内壳体(2)为正方形内壳体时，正方体外壳体和正方体内壳体的mc与hz之间函数关系，具体关系式为：
其中：n是贮水舱室(6)处于注满海水时的海水质量系数，Hz是贮水舱室(6)的高度；
当变质量稳态输送中间仓(24)处于增大质量状态时，根据临界流速对应控制排气通水过程，具体为：通放水液压机(10)开启，海水从通放水液压机(10)进入贮水舱室(6)内，同时通放气液压机(3-2)开启，贮水舱室(6)中的气体通过通放气液压机(3-2)排出外壳体(1)外，当排气通水状态下的变质量稳态输送中间仓(24)的质量me达到预定质量后，同时关闭通放水液压机(10)和通放气液压机(3-2)，最后通过管路压力平衡装置(12)控制贮水舱室(6)内的压力值，确保主管(8)内的流速小于临界流速；
当变质量稳态输送中间仓(24)处于减小质量状态时，根据临界流速对应控制排气通水过程，具体为：高压气瓶(3-3)的气体通过通放气液压机(3-2)排入贮水舱室(6)内，同时通放水液压机(10)开启，处于贮水舱室(6)内的海水通过通放水液压机(10)排出至外壳体(1)外，当通气排水状态下的变质量稳态输送中间仓(24)的质量me达到预定质量后，同时关闭通放水液压机(10)和通放气液压机(3-2)，最后通过管路压力平衡装置(12)控制贮水舱室(6)内的压力值，确保主管(8)内的流速小于临界流速。
9.根据权利要求8所述的依速变量控制方法，其特征在于：当外壳体(1)为正方体，内壳体(2)为长方体时，mc与hz函数关系为：
其中：n是贮水舱室(6)处于注满海水时的海水质量系数，Hz是贮水舱室(6)的高度；
当外壳体(1)为正方体，内壳体(2)为球体时，mc与hz函数关系为mc与hz函数关系为：
其中：外壳体(1)的边长为2a；r为内壳体(2)半径；a的表达式如下：
当外壳体(1)为球体，内壳体(2)为球体时，mc与hz函数关系为：
其中：ρw是海水密度；R是外壳体(1)半径；r是内壳体(2)半径；R表达式如下：
10.根据权利要求9所述的依速变量控制方法，其特征在于：临界流速的获取过程为：
一：将变质量稳态输送中间仓(24)作为施加在垂直提升管道(23)上的集中质量载荷，同时将垂直提升管道(23)作为悬臂梁模型，基于修正Hamilton原理建立末端带集中质量载荷的悬臂梁在矿水两相内流作用下的数值模型；
二：基于特征值法对上述数学模型展开分析；
三：选取一垂直提升管道(23)，基于上述数值模型以及分析方法展开计算分析，并进一步验证中间仓系统质量与管内临界流速的正相关关系，具体步骤为：
步骤1：基于修正Hamilton原理建立末端带集中质量载荷的悬臂梁在内流作用下的数值模型为：
对于修正Hamilton原理的表达式，写作：
其中：T为系统总动能；V为系统总势能；W为作用在体系上的非保守力；ms为垂直提升管道(23)内固相质量；ml为垂直提升管道(23)内液相质量；yL为垂直提升管道(23)端部位移；Us垂直提升管道(23)内固相速度；Ul垂直提升管道(23)内液相速度。
公式(7)中各项的表达式如下：
联立公式(7)至公式(10)，总的结构振动方程表示为：
其中：me为变质量稳态输送中间仓24的质量；mp为垂直提升管道23单位长度的质量，表示为mp＝π(D2-d2)ρp/4；Mi为垂直提升管道23中矿石混合物质量；ma为附加质量，表示为κ为垂直提升管道23曲率；L为垂直提升管道23长度；z为垂直提升管道23沿长度方向坐标；y为垂直提升管道23垂直于长度方向和来流方向的振动位移；δp为Dirac函数，单位为L-1；rf为流体阻尼系数，表示为rf＝0.6ρlDU，U为外流速度；Ui为内流速度；EI为管道的抗弯刚度；g为重力加速度；D为垂直提升管道23外径直径；d为垂直提升管道23内径直径；ρs和ρl分别为固相和液相密度；Qs和Ql分别为固相和液相体积比；λL为密度波波长；t为时间。
步骤2：基于特征值法求解上述数值模型为：
引入公式(14)，将公式(11)(12)转化为无量纲方程，具体过程为：
得到如下形式的无量纲振动方程：
无量纲系数表达式为：
对无量纲振动位移η进行Galerkin离散，取前N阶模态振型，表示式为：
其中：φj(ξ)为振型函数，为振型坐标。
将公式(18)代入公式(15)，并在公式(15)左右两端同时乘以振型函数φi(ξ)，并在区间[0,1]上进行定积分得到：
运用特征值法，令的表达式为：
其中：τ为特征值，B为特征向量。
将公式(20)代入公式(19)求解得到临界流速，根据临界流速对应调控通气排水或放气通水的变质量稳态输送中间仓(24)的质量me，确保垂直提升管道(23)内速度始终小于临界流速。
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