一种用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器及作业方法技术

本发明专利技术涉及一种深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器及作业方法，潜水器包括载体框架，其内划分有浮力材布置区、可调压载水舱布置区、设备布置区和货舱区，载体框架艏前部安装矿浆绞吸机械臂；矿浆绞吸机械臂的泵吸头通过矿浆泵将矿浆送入货舱区。作业时穿梭运矿潜水器为有缆模式，避免使用管道提升系统硬管对作业母船与采矿机器人的影响；解决电力与控制问题，提高潜水器作业能力；采用绞吸机械臂自吸矿物至矿舱，取消穿梭运矿器与中继站的水下对接作业，降低水下作业难度；采用大容量压载水舱与大流量海水泵，对矿物重量的代换，实现穿梭运矿潜水器的无动力上浮下潜；半潜卸矿母船可避免使用大吨位起吊装置，有效提高水面卸矿的可行性与效率。

A kind of cable shuttle mining submersible and its operation method for deep sea mining

【技术实现步骤摘要】
一种用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器及作业方法
本专利技术涉及深海矿产资源开采装备
，尤其是一种用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器及作业方法。
技术介绍
深海采矿的模式主要有：拖斗式、连续绳斗式、穿梭艇式、采矿车加管道提升式。其中，采矿车加管道输送式采矿系统由海底采矿车、采矿船和管道提升系统组成，目前大多数国家都从事此种采矿系统的研究。管道提升模式理论上能边采集、边输送矿物，产能大、流程简单。然而，该模式面临的技术挑战也较多，特别是来自于提升管道系统的限制，如：采用多台矿浆泵对矿石与海水的混合流体接力输送，输送泵容易磨损破坏，使用寿命短，维修时会导致整个系统停工，且不便于维修；矿浆提升泵的功率大，输送系统复杂；整个输送系统的管路在海水流作用下，母船运动作用下，会产生复杂载荷问题，使上端铰接的管路在采矿工作中摆动幅度很大，对海底中继站有很大影响；在母船遭遇恶劣海况情况，母船不能及时与管路系统脱开，将对母船与海底采矿系统带来极大的作业不安全性。因此，采用提升潜水器提升矿物是一种可行的采矿方向，专利CN100523434C“分散式深海局部试采矿系统”，采用提升潜水器穿梭于采矿潜水器和母船之间输送采集的矿样。系统包括：水面母船、采矿潜水器和多台提升潜水器组成，提升潜水器为无人无缆潜水器，采矿潜水器为无人有缆潜水器，通过脐带与母船连接，进行电力与控制信号传输。该系统中，采矿潜水器牵引机构与提升潜水器的牵引桩需在机械手协助下进行连接，然后采矿潜水器的送矿管连接器与提升潜水器的受矿头在机械手协助下进行连接，完成采矿潜水器与提升潜水器对接作业后，采矿潜水器在海底采集矿物并同步将矿物输送至提升潜水器的货舱中，待货舱装满后，脱离连接，提升潜水器调整浮力上浮至水面与母船对接，卸载矿物。该模式中，最大的困难在于需要将采矿潜水器与提升潜水器进行水下对接，在深海条件下，水下对接实际上非常难以实现的。同时在完成对接后，采矿机器人需要拖曳提升潜水器进行采集作业，拖曳过程中采矿机器人受到起伏海底地形及软质海底影响会很大，极大影响矿物的采集效率。在采矿机器人与提升机器人脱离后，采矿机器人的采矿作业也需要停止，只有再连接下一台提升机器人后方能再次采集作业。专利CN106761762A“一种间断式深海矿产资源开采系统及开采方法”，也提出了使用穿梭提升舱来提升矿物，该系统由母船、具有储料舱的水下作业平台、与作业平台连接的集矿车，与数个穿梭提升舱组成。与专利CN100523434C相比，该方案采用具有储料舱的水下作业平台作为矿物的中转舱，其为固定不动的，集矿车围绕作业平台周围作业，并将采集的矿物输送至作业平台的储料舱中，穿梭提升舱与作业平台对接后，将矿物输送至穿梭提升舱，由穿梭提升舱自航上浮至水面，完成矿物提升。该系统中穿梭提升舱与集矿车之间是独立的，集矿车可以连续作业不受穿梭提升舱的影响。与CN100523434C类似，穿梭提升舱与作业平台在输送矿物时，也需要穿梭提升舱与作业平台进行对接，对接过程依靠机械手来协助完成。专利CN107120118A“一种深海矿产资源开发系统”与专利CN106761762A“一种间断式深海矿产资源开采系统及开采方法”类似，区别在于将水下作业平台更换为无缆潜水器方案，这样避免了母船与水下之间的电缆连接。同样的，提升潜水器需要与储矿深潜器进行对接作业后，方能实现矿物的传输，再利用提升潜水器的自身浮力提升矿物至水面母船。以上三项专利均采用提升潜水器提升矿物，共同点在于：一，提升潜水器均使用无缆自航模式，自身携带电池提供能源；二，提升潜水器均需要在水下进行对接作业后完成矿物输送。三，水面卸载矿物时，需要将穿梭运矿潜水器通过吊放系统起吊至母船甲板进行卸货。然而对于这三个特点，分别存在相应的技术难点问题：一，采用无缆自航模式，自身携带的电池容量是有限的，限制了潜水器作业时间；二，进行水下对接后才能进行矿物的输送，大幅增加了潜水器水下作业的难度；三，对于商业化开采，穿梭运矿潜水器的重量达到千吨级，母船需配置起吊能力在千吨以上的A吊，才能将穿梭运矿潜水器吊放到甲板进行卸矿，而目前船载A吊受技术水平限制，无法实现如此大的起吊能力。
技术实现思路
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器及作业方法，解决采用穿梭运矿潜水器提升矿物采矿系统中，穿梭运矿潜水器能源受限问题、需要水下对接完成矿物传输的作业困难问题以及需要吊放至母船卸矿这三项技术难题。本专利技术所采用的技术方案如下：一种用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器，所述潜水器的结构为：包括载体框架，所述载体框架内通过支撑件由上至下依次划分为：浮力材布置区、可调压载水舱布置区、设备布置区、和货舱区，载体框架的艏前部安装矿浆绞吸机械臂；载体框架的底部两侧对称设置两块滑撬板；所述矿浆绞吸机械臂包括机械臂本体，其一端转动连接在载体框架上，另一端连接搅拌头，其内部设有泵吸头，机械臂本体外部设有泵吸管路，其一端与所述泵吸头连接，另一端与设于设备布置区的矿浆泵连接，矿浆泵的出口连接至货舱区内设置的货舱。作为上述技术方案的进一步改进：浮力材布置区中设有均匀排布成整体的浮力材，沿浮力材四周设有垂向推进器，浮力材顶面还设有超短基线定位信标、无线电与频闪灯一体机及起吊装置。可调压载水舱布置区内设有多台耐压水舱，耐压水舱通过耐压管路与设于设备布置区中的高压海水泵连接。设备布置区内四周处设有水平推进器，还设有惯性导航与DVL一体机、避碰声呐、深海液压源、液压补偿器、液压阀箱、电子舱、接线箱、摄像机及成像声呐。货舱区内设有截面为倒梯形结构的所述货舱，在货舱底部设置有液压开启的舱盖装置。所述机械臂本体通过油缸实现上下俯仰运动。一种用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器的作业方法，所述潜水器为有缆潜水器，起吊装置通过潜器铠装缆与卸矿母船相连，通过潜器铠装缆进行电力与控制信号的传输，操作人员可在卸矿母船上直接遥控潜水器；潜水器与深海采矿系统配合作业，所述深海采矿系统包括座底中继站，所述座底中继站成空心钟罩形，上部与采矿母船通过中继站铠装缆相连，侧面与采矿机器人通过中性缆及输送软管相连；采矿机器人围绕座底中继站进行矿物采集，并将矿物破碎处理为一定浓度矿浆后，通过采矿机器人上的泵输入到座底中继站内部空腔中，当座底中继站内的矿浆达预定矿浆容量后，将座底中继站吊起一定高度移动至新的座底位置，不断收集整理成新的矿物堆，成圆锥型的矿物堆暴露在海底，潜水器航行至矿物堆旁，开始采集矿物，具体步骤为：第一步：潜水器下潜：通过高压海水泵向耐压水舱泵水，当潜水器重力大于浮力时，潜水器开始下潜，在下潜过程中，同步放出潜器铠装缆，当潜水器到达海底矿物堆处时，继续通过高压海水泵向耐压水舱泵入海水，直至耐压水舱处于灌满海水状态，此时潜水器座底；第二步：潜水器用矿浆绞吸机械臂采集矿物：利用矿浆泵将矿浆输送至货舱，并同步进行压载水代换矿浆重量，货舱装满后，耐压水舱中的压载水即排空，潜水器利用自身浮力返回水面；第三步：潜水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器，其特征在于：所述潜水器(100)的结构为：包括载体框架(105)，所述载体框架(105)内通过支撑件由上至下依次划分为：浮力材布置区(101)、可调压载水舱布置区(102)、设备布置区(103)、和货舱区(104)，载体框架(105)的艏前部安装矿浆绞吸机械臂(22)；/n所述矿浆绞吸机械臂(22)包括机械臂本体(22a)，其一端转动连接在载体框架(105)上，另一端连接搅拌头(22b)，其内部设有泵吸头(22c)，机械臂本体(22a)外部设有泵吸管路(22d)，其一端与所述泵吸头(22c)连接，另一端与设于设备布置区(103)的矿浆泵(11)连接，矿浆泵(11)的出口连接至货舱区(104)内设置的货舱(20)。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器，其特征在于：所述潜水器(100)的结构为：包括载体框架(105)，所述载体框架(105)内通过支撑件由上至下依次划分为：浮力材布置区(101)、可调压载水舱布置区(102)、设备布置区(103)、和货舱区(104)，载体框架(105)的艏前部安装矿浆绞吸机械臂(22)；
所述矿浆绞吸机械臂(22)包括机械臂本体(22a)，其一端转动连接在载体框架(105)上，另一端连接搅拌头(22b)，其内部设有泵吸头(22c)，机械臂本体(22a)外部设有泵吸管路(22d)，其一端与所述泵吸头(22c)连接，另一端与设于设备布置区(103)的矿浆泵(11)连接，矿浆泵(11)的出口连接至货舱区(104)内设置的货舱(20)。


2.如权利要求1所述的用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器，其特征在于：浮力材布置区(101)中设有均匀排布成整体的浮力材(1)，沿浮力材(1)四周设有垂向推进器(5)，浮力材(1)顶面还设有超短基线定位信标(2)、无线电与频闪灯一体机(3)及起吊装置(4)。


3.如权利要求1所述的用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器，其特征在于：可调压载水舱布置区(102)内设有多台耐压水舱(6)，耐压水舱(6)通过耐压管路(7)与设于设备布置区(103)中的高压海水泵(8)连接。


4.如权利要求1所述的用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器，其特征在于：设备布置区(103)内四周处设有水平推进器(17)，还设有惯性导航与DVL一体机(9)、避碰声呐(10)、深海液压源(12)、液压补偿器(13)、液压阀箱(14)、电子舱(15)、接线箱(16)、摄像机(18)及成像声呐(19)。


5.如权利要求1所述的用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器，其特征在于：货舱区(104)内设有截面为倒梯形结构的所述货舱(20)，在货舱(20)底部设置有液压开启的舱盖装置(21)。


6.如权利要求1所述的用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器，其特征在于：载体框架(105)的底部两侧对称设置两块滑撬板(23)。


7.如权利要求1所述的用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器，其特征在于：所述机械臂本体(22a)通过油缸(22e)实现上下俯仰运动。


8.如权利要求1所述的用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器，其特征在于：潜水器(100)为有缆潜水器，起吊装置(4)通过潜器铠装缆(107)与卸矿母船(108)相连，通过潜器铠装缆(107)进行电力与控制信号的传输。


9.一种如权利要求1所述的用于深海采矿的有缆穿梭运矿潜水器的作业方法，其特征在于：
操作人员可在卸矿母船(108)上直接遥控潜水器(100)，潜水器(100)与深海采矿系统配合作业，所述深海采矿系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨青松，曹俊，杨申申，王磊，杜新光，陈小平，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心中国船舶重工集团公司第七零二研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32