CN120119998B - 一种海底板状富钴结壳富集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海底板状富钴结壳富集系统，其主要包括循环管路。其中，循环管路上依次设有收集器、输送泵和分离器；分离器的出料口连接收集装置。收集器设有柔性罩和浮动刀头，浮动刀头位于柔性罩内部，并设有至少一组刀具部，刀具部连接有动力单元。本发明结构简单、成本低，通过浮动刀头设计使得刀具可以更好贴合矿物表面，从而减少石料混入降低运输能耗，并延长设备使用寿命；结合柔性罩及循环系统设计，实现对矿物的环流收集，一方面使得矿物碎屑更容易被吸入，提升回收率，避免飘逸造成视野盲区；另一方面，近似封闭的回收环流有效避免了外界不确定性因素影响，使得回收更加稳定，也减少了对环境的影响。

Description

一种海底板状富钴结壳富集系统

技术领域

本发明属于海洋资源开发技术领域，具体涉及一种海底板状富钴结壳富集系统。

背景技术

随着科学技术的进步，并伴随着海洋资源的开发，海洋矿产资源的战略地位显著提升。虽然相当一部分的海洋矿产资源储量丰富，但是其中部分资源现阶段仍属紧缺资源，主要原因在于开采难度大，收集成本高。

目前海底矿物富集普遍采用两种形式，一种是机械式的富集，另一种则是采用冲刷式的富集。机械式富集存在效率低的问题，而冲刷式富集就是利用喷洒水流进行富集存在能耗高的问题。

即便将上述技术结合也存在大量问题，具体地，以板状富钴结壳为例，其分布在基岩表面，基岩崎岖不平，且面积较大；因此导致矿区形貌复杂，而目前用于破碎阶段的钻头无法做到自适应贴合板状富钴结壳表面，多是将矿物和岩石一起破碎，这样不仅会加大后期运输能耗，同时磨削较硬的基岩也会对刀头造成损害，减少机器使用寿命。此外，在冲刷式矿石富集过程中，部分破碎但未完全富集的矿石以及产生的矿石粉末可能会对海底生态环境造成潜在的负面影响，具体如改变海床形貌，破坏底栖生物原有栖息地。

综上，还需要对目前的开采、收集系统进行全面改进，以实现高效、低成本的海底矿产资源富集工作，并能有效减少对海底环境的破坏，保护底栖生物的生存环境。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种海底板状富钴结壳富集系统，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种海底板状富钴结壳富集系统，包括循环管路；所述循环管路上依次设有收集器、输送泵和分离器；所述分离器的出料口连接收集装置；

所述收集器设有柔性罩和浮动刀头；

所述柔性罩的敞口区域为所述收集器的工作区域；所述柔性罩的罩体上设有进水口和出水口，并分别通过管路接入所述循环管路中；

所述浮动刀头位于所述柔性罩内部；所述浮动刀头设有至少一组刀具部，所述刀具部连接有动力单元。

进一步地，所述刀具部包括刀具和浮动托架；

所述刀具安装于所述浮动托架上；

所述浮动托架通过传动件与所述动力单元连接。

更进一步地，所述浮动托架包括固定支座、弹性件和万向扣；

所述固定支座与所述万向扣之间设有所述弹性件；

所述固定支座与所述万向扣滑动铰接，并设有周向限位结构；

所述万向扣与所述刀具固定连接。

更进一步地，所述动力单元为电动机；

所述传动件为齿轮组；所述动力单元的输出轴安装有所述传动件的主动齿轮；所述浮动托架与所述浮动刀头的安装位转动连接，且所述浮动托架同轴固连所述传动件的从动齿轮。

进一步地，所述浮动刀头的刀具为磨削盘。

进一步地，所述循环管路设有进水管路和出水管路；所述出水管路连接所述分离器的进液口，所述进水管路连接所述分离器的出液口；

所述出水管路上串接有所述输送泵。

进一步地，所述循环管路包括主管路和分支管路；

所述主管路串接有所述分离器和所述输送泵，且所述输送泵位于所述分离器的上游方向；

每条主管路均通过分水器连接多条分支管路；

所述柔性罩的罩体上分别设有多个进水口和多个出水口，且所述进水口与所述出水口对称设置；每个进、出水口均对应连接一条分支管路。

进一步地，所述循环管路上各段管径不全相同。

进一步地，所述输送泵为柔性叶片泵。

进一步地，所述分离器为旋液分离器。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明结构简单、成本低，通过浮动刀头设计使得刀具可进行多方向摆动和少量移动，从而更好贴合矿物崎岖表面，进而减少矿物和岩石一起破碎的情况，不仅降低运输能耗，同时减少岩石对刀头的损害，延长设备使用寿命；进一步，结合柔性罩及循环系统设计，实现对矿物的环流收集，一方面使得矿物碎屑更容易被吸入，防止钻头破碎的矿粉飘散到周边环境，从而提升回收率，避免造成视野盲区；另一方面，近似封闭的回收环流有效避免了外界不确定性因素影响，使得回收更加稳定，也减少了对环境的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例中系统结构示意图；

图2为本发明具体实施例中收集器立体图；

图3为本发明具体实施例中浮动刀头内部结构视图；

图4为本发明具体实施例中刀具部剖面图；

图5为本发明具体实施例中刀具部爆炸图；

图6为本发明具体实施例中刀具贴合矿石演示图。

图中：1、收集器，2、出水分支管路，3、第一分水器，4、出水主管路，5、输送泵，6、分离器，7、进水主管路，8、第二分水器，9、进水分支管路，10、收集仓，101、柔性罩，102、通孔，103、管接头，104、刀具部，1041、刀头电机，1042、主动齿轮，1043、从动齿轮，1044、刀具，1045、浮动托架，10451、固定支座，10452、弹性件，10453、万向扣。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“侧”等指示的相对关系为基于实际应用中转动方向上与物料接触顺序，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设备或元件必须具有特定的位置，因此不能理解为对本发明的限制。

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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的方法；所使用的原料和装置，如无特殊规定，均为常规的市售产品。

如图1所示，本申请提供一种海底板状富钴结壳富集系统，其主要包括循环管路；循环管路上依次设有收集器1、输送泵5和分离器6。

其中，循环管路为环流的基础，具体形成了相对封闭的循环结构。结合图2所示，收集器1为矿物开采的具体执行单元，其设有柔性罩101和浮动刀头。

柔性罩101呈锥台状罩体结构，大径端为敞口结构，敞口区域为收集器1的工作区域，用于罩扣在富钴结壳表面。因为，柔性罩101采用柔性材质制作，故其在适当施压条件下能紧贴工作区，防止开采下来的钴粉逸散，并配合循环管路构成前述的封闭循环结构。

柔性罩101的罩体上加工有多个进水口和出水口，具体本实施例以8个周向均布的通孔102分两组构成亮亮对称设置的4个进水口和4个出水口，并在通孔102上安装管接头103，从而与循环管路连接。这样设计，可以将4个进水口和4个出水口分两侧设置，从而在罩体内形成较为理想的流场，快速将矿粒及矿粉回收。

柔性罩101的小径端设置刀头安装面，并安装浮动刀头。

浮动刀头位于柔性罩内部，且设有至少一组刀具部104，刀具部连接有动力单元。具体地，本实施例的浮动刀头为多单元设计，包括3个刀具部104。其中，刀具部104采用自主运动的设计，即通过刀头安装面背面安装的刀头电机1041驱动刀具部104。由于，本实施例采用单动力单元组合传动件驱动三刀具的设计，故在刀头电机1041的输出轴上安装主动齿轮1042，并在周侧星型布置三个从动齿轮1043。从动齿轮1043与刀头安装面转动连接，并限制轴向运动。

进一步，在本实施例中，为了实现刀具部104自适应贴合浮动，其还包括刀具1044和浮动托架1045。本实施例的刀具1044为磨削盘，可以对矿物进行磨削采集，从而使矿物呈粉状，便于进行环流回收。

更进一步，本实施例的浮动托架1045与对应的从动齿轮1043同轴固连，其包括固定支座10451、弹性件10452和万向扣10453。其中，固定支座10451呈中空的圆柱结构，底面与从动齿轮1043固定连接，并在柱体上加工槽口，分别有三个第一槽口和三个第二槽口，第一槽口与第二槽口交替设置。其中，第一槽口为向上的贯通槽口，用于增加整体变形量；而第二槽口为四周封闭且径向贯通的槽口，用作滑动结构和周向限位结构。

固定支座10451与万向扣10453之间设有弹性件10452，本实施例采用常见的弹簧为弹性件，并在固定支座10451的底面（从动齿轮1043表面）加工定位柱，以稳定弹簧的位置。

固定支座10451与万向扣10453滑动铰接；具体地，万向扣10451主体为阶梯轴结构，并将缩径位置加工为弧面过度，且万向扣10451的大径端沿周向设置三个倒置的勾状结构，其插入对应的第二槽口中可形成滑动结构和周向限位结构。进一步，万向扣10453内部还加工朝下的盲孔，用于套装弹簧。

其中，选取固定支座10451为高韧性材质（如尼龙材料），并设计固定支座10451内侧面与万向扣10453外侧面间隙配合，可实现万向扣10453受力后沿轴向滑动和小幅摆动，并在卸载后依靠弹簧恢复初始位置。

万向扣10453顶面与刀具1044固定连接。

以上设计可以实现三组刀具部104转动磨削结壳矿物，且在施压条件下使刀具盘面自适应贴合磨削区域表面，其贴合效果参阅图6所示。

由于本实施例的收集器1有多个进水口和多个出水口，故采用粗细软管搭配的方式进行合流与分流。由此，循环管路设有进水管路和出水管路；其中，为了方便理解，本实施例中出水和进水是以水离开还是进入柔性罩101确定。出水管路包括出水主管路4和出水分支管路2，每条出水分支管路2一端与柔性罩101的一个出水口连接，另一端通过第一分水器3连接；第一分水器3将出水合流后输送至出水主管路4。出水主管路4连接分离器6的进液口。进一步，本实施例的分离器6采用旋液分离器，旋液分离器上部有一个中空的圆柱体，下部有一个与圆柱体相通的倒锥体。旋液分离器是整个系统重要的部分，负责将板状富钴结壳矿粒与水分离，而其出料口位于倒锥体的底端，并与收集装置连接。本实施例的收集装置为收集仓10，其负责接收和储存旋液分离器分离的板状富钴结壳颗粒，仓室上部有敞口设计，并安装有一层纱网，目的是为了防止收集仓内10的矿物溢出，且能正常平衡内外压强。其中，考虑到增加固体颗粒的进入速度，本实施例不同于常规设计中水泵后置的原则，将输送泵5设置在分离器6的上游，即串接在出水主管路4上，并选取为柔性叶片泵。输送泵5负责为整个环流系统提供动力来源，其采用柔性叶片，能够较大程度的减少高速板状富钴结壳矿粒对泵叶片的损伤，保证较长的使用寿命。

分离器6的出液口连接循环管路的进水管路，同理，进水管路也分为单条进水主管路7和多条进水分支管路9，并通过第二分水器8连接。相应的，进水分支管路9一一对应连接柔性罩101上的进水口。

进一步，本实施例考虑进、出水中矿物含量不同，且颗粒粒径存在较大差异，故设计循环管路上各段管径不全相同，且进水侧管径大于出水侧管径；具体地，进水主管路7的管内径全长一致，且小于出水主管路4的管内径（全长一致）；进水分支管路9的管内径全长一致，且小于出水分支管路2的管内径（全长一致）。进水主管路4的管内径大于进水分支管路9的管内径；出水主管路4的管内径大于出水分支管路2的管内径。

工作过程：

矿物被磨削盘磨成矿粉后随即在一侧吹水、一侧抽水的流场作用下被抽进柔性罩一侧的四个出水管中，沿软管到达第一分水器后，四个出水分支管路的矿浆进入出水主管路，随后穿过柔性叶片泵沿着切线以较快的流速进入旋液分离器的工作筒体，矿浆以很快的速度沿筒壁旋转而产生离心力。通过离心力和重力的作用下，将密度较大的钴矿粒抛出沿桶壁螺旋下降到板状富钴结壳的收集仓中，而密度较小的水则从工作筒体的上端流出。随后被分离过的矿浆进入进水管路，沿着进水主管路到达第二分水器后被分到四个进水分支管路中，最后随着水流回到柔性罩，与此同时，快速的水流会将收集罩内的矿物冲起，更加方便抽出。如此便是搭载旋液分离器的环流封闭式板状富钴结壳富集系统的一个收集过程，如此循环往复多遍后，矿物会最大程度的进入板状富钴结壳收集仓中。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种海底板状富钴结壳富集系统，其特征在于，包括循环管路；所述循环管路上依次设有收集器、输送泵和分离器；所述分离器的出料口连接收集装置；

所述收集器设有柔性罩和浮动刀头；

所述柔性罩的敞口区域为所述收集器的工作区域；所述柔性罩的罩体上设有进水口和出水口，并分别通过管路接入所述循环管路中；

所述浮动刀头位于所述柔性罩内部；所述浮动刀头设有至少一组刀具部，所述刀具部连接有动力单元；

所述循环管路设有进水管路和出水管路；所述出水管路连接所述分离器的进液口，所述进水管路连接所述分离器的出液口；所述出水管路上串接有所述输送泵；

所述循环管路包括主管路和分支管路；所述主管路串接有所述分离器和所述输送泵，且所述输送泵位于所述分离器的上游方向；每条主管路均通过分水器连接多条分支管路；所述柔性罩的罩体上分别设有多个进水口和多个出水口，且所述进水口与所述出水口对称设置；每个进、出水口均对应连接一条分支管路。

2.根据权利要求1所述的海底板状富钴结壳富集系统，其特征在于，所述刀具部包括刀具和浮动托架；

所述刀具安装于所述浮动托架上；

所述浮动托架通过传动件与所述动力单元连接。

3.根据权利要求2所述的海底板状富钴结壳富集系统，其特征在于，所述浮动托架包括固定支座、弹性件和万向扣；

所述固定支座与所述万向扣之间设有所述弹性件；

所述固定支座与所述万向扣滑动铰接，并设有周向限位结构；

所述万向扣与所述刀具固定连接。

4.根据权利要求2或3所述的海底板状富钴结壳富集系统，其特征在于，所述动力单元为电动机；

所述传动件为齿轮组；所述动力单元的输出轴安装有所述传动件的主动齿轮；所述浮动托架与所述浮动刀头的安装位转动连接，且所述浮动托架同轴固连所述传动件的从动齿轮。

5.根据权利要求1所述的海底板状富钴结壳富集系统，其特征在于，所述浮动刀头的刀具为磨削盘。

6.根据权利要求1所述的海底板状富钴结壳富集系统，其特征在于，所述循环管路上各段管径不全相同。

7.根据权利要求1所述的海底板状富钴结壳富集系统，其特征在于，所述输送泵为柔性叶片泵。

8.根据权利要求1所述的海底板状富钴结壳富集系统，其特征在于，所述分离器为旋液分离器。