【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海底矿物采集设备，尤其涉及一种海底固体矿物颗粒机械水力复合式破碎集矿装置及方法。
技术介绍
1、广袤的深海蕴藏着丰富的矿产资源，其种类多、储量大、品位高，具有巨大的开发利用前景，被认为是21世纪陆地矿产最重要的可接替资源，已经成为各国的重要战略目标。深海矿产资源所富含的铜、钴、镍、稀土等金属可补充我国十分短缺的战略性金属资源，若对其实现开发利用，可有效保障我国经济发展所需资源的供给安全。已探明的开发潜力较大的海底矿物主要有多金属结核、多金属硫化物和富钴结壳三种，分布于几百至几千米的海底。针对颗粒状分布的多金属结核矿粒，可以利用本专利技术对其直接采集；针对多金属硫化物和富钴结壳，需利用其他技术先对其切削成矿物碎块，再利用本专利技术进行采集。采集这些海底矿石时，沉积物或粉尘容易在外力作用下悬浮扩散，对海底环境造成污染。
2、现有技术的不足及原因：
3、现有专利技术一是多采用单一方式采集，如单独采用机械法或水力法。仅采用机械式采集，易破坏已板结的海床表层沉积物，引起严重的海底沉积物悬浮；仅采用水力式采集，有能耗高、沉积物扩散严重等不足；二是机械水力复合式集矿方法存在难以有效采集矿粒大小不匀的海底矿物颗粒、效率低、能耗高等问题。
4、2、现有专利技术大多不具备切割破碎大粒径矿粒的功能，仅能收集和提升小粒径矿粒，易造成大粒径对收集管道的堵塞，使得无法采集较大尺寸的矿物颗粒，导致采集效率低，设备可靠性差，作业经济性低。
5、3、现有水力集矿方面的专利技术大多采用恒定射流，导致集矿
6、4、现有专利技术难以适应海底矿区的复杂地形，尤其是缺乏对集矿装置离底高度的精确调控措施，集矿装置的采集效率容易受到海底微地形的影响，导致集矿作业效率低、经济性差。
7、5、现有专利技术不具备环境感知能力，缺乏对海底矿物颗粒的识别能力，无法实现精准采集。
技术实现思路
1、为解决现有深海海底集矿方法环境扰动大、作业效率低、能耗高等问题，提出了一种海底固体矿物颗粒机械水力复合式破碎集矿装置，该装置包括环境感知机构、水力射流喷嘴机构、耙矿机构、切割汇集机构、水力集矿吸口、集矿输送软管、集矿装置离底高度控制机构。所述环境感知机构通过外伸支架位于集矿装置前端，所述水力射流喷嘴机构通过外伸支架位于集矿装置前部，所述耙矿机构和切割汇集机构布置在集矿装置的马达（液压马达或水下电机）驱动的同一旋转轴上，所述水力集矿吸口位于集矿装置底部中心处，所述水力集矿吸口与集矿输送软管连接着，集矿输送软管与储料仓连接。所述耙矿机构将海底矿粒向切割汇集机构耙拢；所述切割汇集机构将大粒径矿物颗粒切割破碎成小粒径颗粒，从而降低抽吸流速、降低堵塞风险和提高矿粒采集率；所述切割汇集机构包括左右两个在叶片边缘带有切割齿的螺旋叶片、旋转轴、驱动马达，所述螺旋叶片环绕着旋转轴，驱动马达固定位于旋转轴一端，左右两个螺旋叶片使得位于水力集矿吸口两侧的矿粒向中间汇聚；所述水力射流喷嘴结构通过喷射高压、高速水流对矿物进行垂向起动；所述水力集矿吸口通过抽吸流形成的流场对矿物颗粒进行抽吸处理；所述集矿输送软管将通过水力集矿吸口收集到的矿粒运输到储料装置中；所述集矿装置离底高度控制机构由液压油缸驱动集矿装置上下运动，与环境感知机构配合实现控制集矿装置与海底的高度距离。
2、所述环境感知机构采用基于深度学习的环境感知系统，通过视觉传感器获得的图像信息，实现对海底矿区信息的精准感知；采用基于ai水下图像增强算法进行去雾、对比度增强等修复处理，提高图像的质量；对修复后的图像进行目标检测识别，获得矿物种类、矿粒形状和粒径、分布密度、离底高度等信息，根据感知识别到的特征信息，实时调节控制驱动马达的转速、集矿流量、采矿车行进速度，集矿装置离底高度，实现矿物颗粒的精准采集。
3、还包括集矿装置离底高度控制机构；所述集矿装置离底高度控制机构包括离底高度测量机构，所述离底高度测量机构设置在集矿装置的两侧，所述集矿装置离底高度控制机构采用模糊pid控制策略，通过模糊控制和pid控制输出的线性组合作为过渡函数实现最终的控制器输出；以液压传动作为执行机构，从而实现集矿装置离底高度适应海底地形自调节。
4、对于大粒径的矿物，通过在叶片边缘带有切割齿螺旋叶片的切割将其整合为尺寸合适的颗粒；根据叶片与水力集矿吸口的相对位置，将螺旋叶片设置为为左旋、右旋两种，借助驱动马达的驱动力，螺旋叶片绕轴旋转，在左旋、右旋螺旋叶片的切割破碎与旋转输送下将矿物颗粒高效率汇集到水力集矿吸口。
5、一种海底固体矿物颗粒机械水力复合式破碎集矿装置：集矿装置到达目标集矿位置，环境感知机构开启，感知当前区域矿物密度和，调整射流和抽吸流流量并控制采矿车行进速度，耙矿机构在驱动马达的驱动下旋转，将海底矿物进行耙拢，同时切割汇集机构根据感知到的矿物种类和粒径尺寸，调节驱动马达转速，对大粒径矿粒进行切割破碎处理，形成小粒径的矿物颗粒；水力射流喷嘴结构喷射高压、高速水流，当矿粒较密集时，选择匀速水流集矿，而当矿粒较稀疏时，则选用脉冲水流集矿，达到海底矿粒垂向起动的临界流速后，矿粒脱离海底，抽吸流同步开启，在耦合流场作用下，矿物颗粒经切割汇集机构的左、右螺旋叶片旋转输送到达水力集矿吸口，通过水力抽吸进入集矿输送软管；射流喷嘴可调节角度，从而适应不同的地形条件。
6、本申请所达到的技术效果如下：
7、1：富集——破碎——汇集——水力抽吸一体化集矿结构设计：为了降低集矿装置的结构复杂性，提升装置的功能性，本专利技术具备耙矿富集、切割破碎、螺旋输送汇集、水力抽吸集矿功能，通过合理的空间布局，将耙矿、切割破碎和螺旋叶片输送整合到一个集矿机构上，使得装置简单轻便，功能完善。矿物颗粒在射流作用下受力起动，通过耙矿机构将海底矿粒向切割汇集机构耙拢；切割汇集机构通过布置在集矿装置上的马达（液压马达或水下电机）驱动同一旋转轴上左右两个在叶片边缘带有切割齿的螺旋叶片，使得位于水力集矿吸口两侧的矿粒向中间矿吸口汇聚；水力集矿吸口通过抽吸流形成的流场对矿物颗粒进行抽吸，集矿输送软管将通过水力集矿吸口收集到的矿粒运输到储料装置中。可实现在低能耗、低集矿流量下获得较高的矿粒采集率。对大粒径的矿物颗粒破碎成小粒径，可有效防止堵塞和提高矿粒采集效率。
8、2：射流—抽吸流循环流动集矿：为了克服已有装置采矿作业效率低下、尾液直接排放对环境扰动大的缺点，本专利技术利用射流和抽吸流形成了循环式组合流动，与海底洋流相互作用，形成了耦合流场，矿粒在耦合流场的作用下，矿粒起动和抽吸效率高，提高了起动和收集效率，从而提升了矿物采集作业效率。同时螺旋叶片充分将矿粒破碎，减小了矿粒直径提升了抽吸效率，避免了矿粒拥堵造成的效率低下。射流、抽吸流形成的循环流动增大了集矿装置内部流体的沉积物浓度，从而加快在集矿装置内部的沉积物絮凝和沉降，减轻对集矿装置外部区域的污染。
9、3：利用脉动射流特性加速矿粒起动：为了克服现有装置矿粒起动慢、能本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种海底固体矿物颗粒机械水力复合式破碎集矿装置，其特征在于：该装置包括环境感知机构、水力射流喷嘴机构、耙矿机构、切割汇集机构、水力集矿吸口、集矿输送软管、储料仓、集矿装置离底高度控制机构；所述环境感知机构通过外伸支架位于集矿装置前端，所述水力射流喷嘴机构通过外伸支架位于集矿装置前部，所述耙矿机构和切割汇集机构布置在集矿装置的马达驱动的同一旋转轴上，所述水力集矿吸口位于集矿装置底部中心处，所述水力集矿吸口与集矿输送软管连接着，所述集矿输送软管与储料仓连接；所述耙矿机构将海底矿粒向切割汇集机构耙拢；所述切割汇集机构将大粒径矿物颗粒切割破碎成小粒径颗粒，从而降低抽吸流速、降低堵塞风险和提高矿粒回采率；所述切割汇集机构包括左右两个在叶片边缘带有切割齿的螺旋叶片、旋转轴、驱动马达，所述螺旋叶片环绕着旋转轴，驱动马达固定位于旋转轴一端，左右两个螺旋叶片使得位于水力集矿吸口两侧的矿粒向中间汇聚；所述水力射流喷嘴机构通过喷射高压、高速水流对矿物进行垂向起动；所述水力集矿吸口通过抽吸流形成的流场对矿物颗粒进行抽吸处理；所述集矿输送软管将通过水力集矿吸口收集到的矿粒运输到储料仓中；所述集矿装置离
2.根据权利要求1所述的一种海底固体矿物颗粒机械水力复合式破碎集矿装置，其特征在于：所述环境感知机构采用基于深度学习的环境感知系统，通过视觉传感器获得的图像信息，实现对海底矿区信息的精准感知；采用基于AI水下图像增强算法进行去雾、对比度增强等修复处理，提高图像的质量；对修复后的图像进行目标检测识别，获得矿物种类、矿粒形状和粒径、分布密度、离底高度特征信息，根据环境感知机构识别到的特征信息，实时调节控制驱动马达的转速、集矿流量、采矿车行进速度，集矿装置离底高度，实现矿物颗粒的精准采集。
3.根据权利要求2所述的一种海底固体矿物颗粒机械水力复合式破碎集矿装置，其特征在于：所述集矿装置采用了机械和水力相结合的方式对海底矿物进行采集；通过射流、抽吸流以及海底洋流形成了耦合流场；所述水力射流喷嘴机构的射流喷嘴可调节角度，根据环境感知机构获得的特征信息，实时调控与射流喷嘴连接的支架，从而实现射流喷嘴的角度调节。
4.根据权利要求3所述的一种海底固体矿物颗粒机械水力复合式破碎集矿装置，其特征在于：对于大粒径的矿物，通过在叶片边缘带有切割齿螺旋叶片的切割将其整合为尺寸合适的颗粒；根据叶片与水力集矿吸口的相对位置，将螺旋叶片设置为左旋、右旋两种，借助驱动马达的驱动力，螺旋叶片绕轴旋转，在左旋、右旋螺旋叶片的切割破碎与螺旋输送下将矿物颗粒汇集到水力集矿吸口。
5.根据权利要求4所述的一种海底固体矿物颗粒机械水力复合式破碎集矿装置，其特征在于：所述螺旋叶片包括左旋在叶片边缘带切割齿叶片、右旋在叶片边缘带切割齿叶片。
6.根据权利要求5所述的一种海底固体矿物颗粒机械水力复合式破碎集矿装置的使用方法：集矿装置到达目标集矿区域，环境感知机构开启，感知当前区域矿物密度，调整射流和抽吸流流量并控制采矿车行进速度，耙矿机构在回转圆周上90度布置了一套耙矿装置，耙矿机构在驱动马达的驱动下旋转，将海底矿物向切割汇集机构耙拢，同时切割汇集机构根据感知到的矿物种类和粒径尺寸，调节驱动马达转速，对大粒径矿粒进行切割破碎处理，形成小粒径的矿物颗粒；水力射流喷嘴机构喷射高压、高速水流，当矿粒较密集时，选择匀速水流集矿，而当矿粒较稀疏时，则选用脉冲水流集矿，达到海底矿粒垂向起动的临界流速后，矿粒脱离海底，抽吸流同步开启，在耦合流场作用下，矿物颗粒经切割汇集机构的左、右螺旋叶片螺旋输送到达水力集矿吸口，通过水力抽吸进入集矿输送软管。
7.根据权利要求6所述的一种海底固体矿物颗粒机械水力复合式破碎集矿装置的使用方法，其特征在于：还包括集矿装置离底高度控制机构；所述集矿装置离底高度控制机构包括离底高度测量机构，所述离底高度测量机构设置在集矿装置前方的两侧，所述集矿装置离底高度控制机构由液压油缸作为执行机构，所述集矿装置离底高度控制机构由控制软件和硬件组成，采用模糊PID控制策略，通过模糊控制和PID调节控制输出的线性组合作为过渡函数实现最终的控制器输出；以液压传动作为执行机构，由控制软件及PID控制器控制液压控制阀，控制液压油缸活塞杆的伸缩，实现对集矿装置离底高度的调整控制。
...【技术特征摘要】
1.一种海底固体矿物颗粒机械水力复合式破碎集矿装置，其特征在于：该装置包括环境感知机构、水力射流喷嘴机构、耙矿机构、切割汇集机构、水力集矿吸口、集矿输送软管、储料仓、集矿装置离底高度控制机构；所述环境感知机构通过外伸支架位于集矿装置前端，所述水力射流喷嘴机构通过外伸支架位于集矿装置前部，所述耙矿机构和切割汇集机构布置在集矿装置的马达驱动的同一旋转轴上，所述水力集矿吸口位于集矿装置底部中心处，所述水力集矿吸口与集矿输送软管连接着，所述集矿输送软管与储料仓连接；所述耙矿机构将海底矿粒向切割汇集机构耙拢；所述切割汇集机构将大粒径矿物颗粒切割破碎成小粒径颗粒，从而降低抽吸流速、降低堵塞风险和提高矿粒回采率；所述切割汇集机构包括左右两个在叶片边缘带有切割齿的螺旋叶片、旋转轴、驱动马达，所述螺旋叶片环绕着旋转轴，驱动马达固定位于旋转轴一端，左右两个螺旋叶片使得位于水力集矿吸口两侧的矿粒向中间汇聚；所述水力射流喷嘴机构通过喷射高压、高速水流对矿物进行垂向起动；所述水力集矿吸口通过抽吸流形成的流场对矿物颗粒进行抽吸处理；所述集矿输送软管将通过水力集矿吸口收集到的矿粒运输到储料仓中；所述集矿装置离底高度控制机构由液压油缸驱动集矿装置上下运动，与环境感知机构配合实现控制集矿装置与海底的高度距离。
2.根据权利要求1所述的一种海底固体矿物颗粒机械水力复合式破碎集矿装置，其特征在于：所述环境感知机构采用基于深度学习的环境感知系统，通过视觉传感器获得的图像信息，实现对海底矿区信息的精准感知；采用基于ai水下图像增强算法进行去雾、对比度增强等修复处理，提高图像的质量；对修复后的图像进行目标检测识别，获得矿物种类、矿粒形状和粒径、分布密度、离底高度特征信息，根据环境感知机构识别到的特征信息，实时调节控制驱动马达的转速、集矿流量、采矿车行进速度，集矿装置离底高度，实现矿物颗粒的精准采集。
3.根据权利要求2所述的一种海底固体矿物颗粒机械水力复合式破碎集矿装置，其特征在于：所述集矿装置采用了机械和水力相结合的方式对海底矿物进行采集；通过射流、抽吸流以及海底洋流形成了耦合流场；所述水力射流喷嘴机构的射流喷嘴可调节角度，根据环境感知机构获得的特征信...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨建民，张伟汉，赵国成，祝江，肖龙飞，吕海宁，靳奉园，金城，
申请(专利权)人：上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院，
类型：发明
国别省市：
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