深海钴结壳采矿车制造技术

一种适用于中国地形的深海钴结壳采矿车，包括：双车体框式车身以及设置于车身前端的切削装置和集吸装置、依次设置于车身上的分离仓、矿石储仓以及驱动机构，其中：集吸装置位于切削装置上方。本发明专利技术装备作业时将矿区的钴结壳切削粉碎并收集，经过软管运输后矿物颗粒与洋泥于分离仓中分离，收集储存于矿物储仓内，最后经由吸收管运送至水面母船处，作业结束后通过电缆与吸收管回收，具有通用性高，贫化率低，地形适应性较强，安全可靠，成本相对较低等特点。

【技术实现步骤摘要】
深海钴结壳采矿车
本专利技术涉及的是一种水下机器人领域的技术，具体是一种用于深海矿石切削与采集的深海钴结壳矿产资源开采装备。
技术介绍
随着陆地上的矿物资源日渐短缺，深海矿产资源的重要性不断提高，已成为各国重要的战略目标。在深海金属矿产资源开采技术和装备的研究中，开采对象是人类至今尚未涉足、地形和环境复杂多变的洋底，开采作业受到风浪、海流、高压及腐蚀等恶劣自然条件的影响，具有很大的不确定性。而地理环境相对其他海域更为复杂，开发的矿产资源已经迫在眉睫。金属钴是生产各种特殊性能合金的重要原料，例如防腐合金等。海底富钴结壳被认为是钴元素的一个重要来源，富钴结壳的钴含量可达1％，远高于陆地钴矿的含量。目前深海采集富钴结壳的技术可行性已通过海试验证，但还未有成熟装置进行商业开发。各国当前的深海采矿车仍在研究和试验阶段，还没有用于大规模开采用的成熟产品，国内虽然有过相关研究，但亦尚无详细的深海采矿车整体设计方案，也没有建立系统的深海采矿概念，相关研究仅停留在局部系统的上，整车设计尚不成熟。
技术实现思路
本专利技术针对现有水射流方式的结构特点导致的矿物对于射流喷嘴的磨损作用极大，需要频繁更换昂贵的射流喷嘴，以及滚筒式切削方式切削的宽度和开采效率较低的缺陷，提出一种深海钴结壳采矿车，将陆地采矿理论与深海工作环境相结合，根据我国海底钴结壳的地貌进行设计，最终形成系统的整车设计方案，具有良好的经济性和实用性。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术包括：双车体框式车身以及设置于车身前端的切削装置和集吸装置、依次设置于车身上的分离仓、矿石储仓以及驱动机构，其中：集吸装置位于切削装置上方。所述的双车体框式车身的前车上设有电缆接口。所述的双车体框式车身的前车和后车的底部均设有通水网。所述的切削装置包括：带有机械臂和液压控制装置的三组螺旋式滚筒组。所述的集吸装置包括：与分离仓相连的收集盖、分别与分离仓和矿石储仓相连的离心泵，其中：收集盖和离心泵均通过软管与分离仓和矿石储仓相连。所述的驱动机构包括：设置于双车体框式车身底部的履带运动机构以及设置于双车体框式车身两侧的液压推进器。所述的分离仓和矿石储仓优选分别设置于双车体框式车身的前车和后车。所述的双车体框式车身上优选进一步设有视频输出装置和立体视频采集装置。所述的矿石储仓上设有吸收管接口。技术效果与现有技术相比，本专利技术的技术效果包括：1)在采矿装置部分可根据矿石生长状况的不同选择高压水切削装置或螺旋滚筒式截齿切削，对不同硬度及生长状态的矿石通用性较好。2)集吸装置采用水力吸扬式采集矿石，可以减少运输中由于部分碾碎的富钴结壳随水流扩散而造成的损失，降低贫化率。3)供电电缆和通信电缆复合，能够在为装置供电的同时传送大容量高精度的信息，亦可辅助吊放回收。4)液压推进器调速性优良，易密封，安全可靠，安装位置较为灵活，相对于水下电机而言造价更低。附图说明图1为本专利技术深海采矿车前侧的外形图；图2为本专利技术深海采矿车后侧的外形图；图3为切削装置前侧两臂最可能发生干涉的情况；图4为机械臂立体简图；图中：A点为两侧机械臂末端之一，B点为中间机械臂末端；图5为滚筒尺寸图；图6为跨越壕能力示意图；图7为铰接式双车体履带车辆跨越壕沟示意图；图8为切削装置1去除截齿后的示意图；图中：切削装置1、集吸装置2、水下电视3、履带运动装置4、分离仓5、铰链6、液压推进器7、电缆接口8、通水网9、离心泵10、矿石储仓11、吸收管接口12、滚筒13、机械臂14、液压控制装置15。具体实施方式如图1、2所示，本实施例中的集吸装置2设置于切削装置1上方，集吸装置2的软管通过前后车体延伸至车尾与离心泵10相连，二者均由外部电缆供电。所述的水下电视3安装在前车车体前端中部，便于观察母船观察实时采矿状态。所述的履带运动装置4设置于双车体框式车身，由设置于后车两侧所述的液压推进器7为采矿车提供前进动力。全部能源由母船通过前车身顶部电缆接口8输送提供，电缆接口8与后车后部吸收管接口12兼做采矿车的吊放回收系统。所述的双车体框式车身，其前后两车由铰链6连接，前后车车尾底部均布置有通水网9与海水连通，在高压状态防止出现密闭空间破坏采矿车车体。所述的分离仓5设置于前车车尾，用于分离洋泥与矿物颗粒，矿石储仓11设置于后车尾部并与所述的分离仓5连接，将集吸装置2运输的矿石暂存于车内，最终通过由吸收管接口12所连接的吸收管提升至水面母船。如图8所示，所述的切削装置1中滚筒布置方式为三个滚筒组并列设置，其中：第一、第三滚筒组的机械臂14较长，第二滚筒组的机械臂较短，每个滚筒组由两个对转的滚筒13组成。在切削过程中，相邻两个机械臂之间互不干涉，下面通过临界条件来分析相邻两臂互不干涉的条件，图3所示为最可能发生干涉的情况，图4为机械臂立体简图，图5为滚筒尺寸简图。图中γ为机械臂旋转角，机械臂旋转末端与地面距离为h，则第二滚筒组的机械臂端点距原中心位置的水平距离为a＝hsinγ，第一、第三滚筒组的机械臂的轴向长度为l1，第二滚筒组的机械臂的轴向长度为l2，根据机械臂14之间的几何关系，有：且滚筒13的尺寸满足其中：α1与α2为两相邻机械臂与采矿车对称轴方向夹角，b为相邻两滚筒机械臂首端水平距离，c为滚筒宽度，d为滚筒直径，e为相邻两滚筒轴线前后距离，θ1与θ2分别为两相邻机械臂与水平方向夹角。考虑以上条件，优选参数为：滚筒宽c＝55cm，滚筒直径d＝15cm，取机械臂旋转远点与地面距离h＝19cm，第一、第三滚筒组的机械臂的轴向长度l1＝55cm，第二滚筒组的机械臂的轴向长度l2＝10cm，相邻两滚筒机械臂首端水平距离b＝45cm，相邻两滚筒轴线前后距离e＝30cm，机械臂最大旋转角γ＝20°。所述的滚筒上的截齿结构形式为交错排列，这样形成的截槽两侧接近对称，从而保证截齿两侧受力均匀，此外，由于截齿切割截槽时，相邻两截槽已经先行截出，从而降低了截割比能耗。每条截线的截齿数目上限取决于螺旋头数目。本专利技术中采用四头螺旋，四头螺旋每条截线上可以装一个到三个截齿，当截割头载荷较大时，应考虑减少齿数，考虑到矿物强度，因此，采用每线两齿较为合适。螺旋滚筒的最佳螺旋线升角可由以下公式得出：其中：ρm为矿石与滚筒螺旋线的摩擦角，即ρm＝arctanfm；fm为矿石与滚筒螺旋线间的动摩擦系数。岩石的摩擦系数与岩石种类及岩石表面湿润程度相关，优选为0.25-0.45，取fm＝0.35为例，则有：αap＝0.617，即35.35°。本实施例中截齿安装方式优选为径向安装，从而兼顾在截割深度大于6-8mm时的强度、耐磨和能耗比的要求，同时应易于安装。径向安装时，截齿轴线沿滚筒平面法线方向。所述的截齿的截角、后角和截刃宽度对截割比能耗和截齿载荷影响较大，优先优化这些几何参数。整体而言，截割阻力随截角增大有增加的趋势，在截角δ<90°时显得更为突出，这是由于刀头向下的挤压作用增加，碎石难以排出，但刀头强度也随着截角增大而提升，开采硬岩的截齿截角一般取δ>90°，这里选用100°作为截齿截角。后角对于截割阻力和牵引阻力有着一定的影响，但只在后角r<10°时影响较为明显，而后角越小，截齿后部与岩体的接触面积增大，截割阻力和牵引阻力均增大，因此，截齿后角不应小于10°，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深海钴结壳采矿车，其特征在于，包括：双车体框式车身以及设置于车身前端的切削装置和集吸装置、依次设置于车身上的分离仓、矿石储仓以及驱动机构，其中：集吸装置位于切削装置上方；所述的切削装置包括：带有机械臂和液压控制装置的三组螺旋式滚筒组；所述的集吸装置包括：与分离仓相连的收集盖、分别与分离仓和矿石储仓相连的离心泵，其中：收集盖和离心泵均通过软管与分离仓和矿石储仓相连。

【技术特征摘要】
1.一种深海钴结壳采矿车，其特征在于，包括：双车体框式车身以及设置于车身前端的切削装置和集吸装置、依次设置于车身上的分离仓、矿石储仓以及驱动机构，其中：集吸装置位于切削装置上方；所述的切削装置包括：带有机械臂和液压控制装置的三组螺旋式滚筒组；所述的集吸装置包括：与分离仓相连的收集盖、分别与分离仓和矿石储仓相连的离心泵，其中：收集盖和离心泵均通过软管与分离仓和矿石储仓相连。2.根据权利要求1所述的深海钴结壳采矿车，其特征是，所述的分离仓和矿石储仓分别设置于双车体框式车身的前车和后车。3.根据权利要求1所述的深海钴结壳采矿车，其特征是，所述的双车体框式车身，其前后两车活动连接，前后车车尾底部均布置有通水网与海水连通。4.根据权利要求1或2或3所述的深海钴结壳采矿车，其特征是，所述的分离仓设置于前车车尾，用于分离洋泥与矿物颗粒，矿石储仓设置于后车尾部并与所述的分离仓连接，将集吸装置运输的矿石暂存于车内，最终通过由吸收管接口所连接的吸收管提升至水面母船。5.根据权利要求1所述的深海钴结壳采矿车，其特征是，所述的驱动机构包括：设置于双车体框式车身底部的履带运动机构以及设置于双车体框式车身两侧的液压推进器。6.根据权利要求1所述的深海钴结壳采矿车...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊麟，陈熠画，卢施阳，王志强，杨启，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31