一种海底试验矿区的预制方法 |
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| 申请号 | CN202410130561.7 | 申请日 | 2024-01-30 | 公开(公告)号 | CN117995052A | 公开(公告)日 | 2024-05-07 |
| 申请人 | 中国船舶科学研究中心; | 发明人 | 曹阳; 喻光安; 孙燕杰; 陈垦; 胡江平; 阚甜甜; 杜新光; | ||||
| 摘要 | 一种海底试验矿区的预制方法，包括船体、船体上的 矿石 给料器、给料管路系统，给料管路系统包括给料管组，给料管组的一端位于 水 面以下用于汲水，给料管组的另一端连接水下 机器人 ，水下机器人上设置给料仓，给料仓与给料管组连通，给料仓的底部设置给料机；预制方法包括设定矿区参数；布放水下机器人；矿石输送：启动给料管路系统的 流体 动 力 部件和矿石给料器，给料管组内灌入 海水 后混入来自矿石给料器的矿石，矿石由给料管组输送至给料仓并囤积于给料仓的底部；制作矿区：开启给料机将给料仓中的矿石以恒定流量排出，同时水下机器人按照预定路径和预定速度行走，将矿石铺撒在海底形成设定矿石丰度的试验矿区，实现高 质量 模拟海底试验矿区。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种海底试验矿区的预制方法，其特征在于：包括位于所述试验矿区水面的船体(1)、设置于所述船体(1)上的矿石给料器(2)，还包括与矿石给料器(2)连接的给料管路系统(3)，所述给料管路系统(3)包括给料管组(31)，所述给料管组(31)的一端位于水面以下用于汲水，给料管组(31)的另一端连接水下机器人(5)，所述水下机器人(5)上设置给料仓(6)，所述给料仓(6)与给料管组(31)连通，所述给料仓(6)的底部设置给料机(7)，水下机器人(5)上设置有定位装置(56)； |
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| 说明书全文 | 一种海底试验矿区的预制方法技术领域[0001] 本发明涉及深海采矿技术领域，尤其是一种海底试验矿区的预制方法。 背景技术[0002] 占地球面积71％的海洋,蕴藏着极其丰富的矿产资源。自大洋开采的法律问题已经解决，世界各国纷纷调整其海洋资源发展战略，加快海洋资源综合开发进程，国际上深海采矿商业化已见端倪，对国际海底矿区勘探申请迅速升温，我国急需发展深海采矿技术，以维护我国海洋矿产资源开发权益。 [0003] 深海采矿系统的基本功能是在海底采集多金属结核等矿产资源，并将其提升输送到海面且运输到港口海岸，目前，国内外已经对深海采矿系统装备展开了一定的研究，针对锰结核、多金属硫化物、富钴结壳这三大矿种开展过了大量的理论分析与试验研究，并针对不同类型的矿物研制了多台系统装备，深海中多金属结核资源潜力巨大，富含新能源技术紧迫需要的钴、镍、铜、锰等金属资源，是深海矿产资源开发的首选目标，多金属结核一般为球形或椭球形，粒径在20～100mm之间，密度约2100kg/m3，呈半埋状态铺在海底沉积物表面，赋存于水深4500～6000m的海底。 [0004] 在深海采矿设备实现深海原位开采前要进行多阶段的浅海试验，一步步的增加深度以验证系统的可靠性，然而浅海海底没有锰结核赋存，使得研究团队只能根据海流情况在试验海域船上直接抛洒模拟结核，这样的预制方式由于锰结核入水位置离海底较远，在下落过程中受海流影响很大，导致矿石落点不精确，预制的矿区断断续续，矿石分布均匀度不高，且在抛洒后需要水下机器人下潜确认矿区位置，无法形成高质量模拟预制矿区对深海采矿系统可靠性进行高效验证，增加了深海采矿系统浅海海试的试验时间和不确定性。 发明内容[0005] 本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种海底试验矿区的预制方法，从而实现高质量模拟海底试验矿区，保证深海采矿系统浅海海试的试验效率及准确性。 [0006] 本发明所采用的技术方案如下： [0007] 一种海底试验矿区的预制方法，包括位于所述试验矿区水面的船体、设置于所述船体上的矿石给料器，还包括与矿石给料器连接的给料管路系统，所述给料管路系统包括给料管组，所述给料管组的一端位于水面以下用于汲水，给料管组的另一端连接水下机器人，所述水下机器人上设置给料仓，所述给料仓与给料管组连通，所述给料仓的底部设置给料机，水下机器人上设置有定位装置； [0008] 预制方法包括以下步骤： [0009] 设定矿区参数：矿区参数包括试验矿区的位置、面积、矿石丰度； [0012] 制作矿区：开启给料机将给料仓中的矿石以恒定流量排出，同时水下机器人按照预定路径和预定速度行走，将矿石铺撒在海底形成设定矿石丰度的试验矿区。 [0013] 其进一步技术方案在于： [0014] 所述给料仓为上部敞口的锥形壳体，所述锥形壳体的小端开口并安装所述给料机； [0015] 矿石输送步骤中，矿石和海水的混合物由给料管组输送至给料仓内后，矿石囤积于给料仓的底部，多余的海水从给料仓上部排出。 [0016] 给料仓内设置矿石量检测部件； [0017] 制作矿区步骤中，矿石量检测部件检测给料仓内的矿石量位于最高量和最低量之间时，可进行矿石铺撒；当矿石量检测部件检测给料仓内的矿石量小于最低量式，停止矿石铺撒，所述定位装置将此时的水下机器人的位置反馈给控制系统。 [0018] 制作矿区步骤中：水下机器人铺撒矿石时的行走路经包括长度相同且并排的多条一字型路线，相邻两个一字型路线的相邻端部齐平并通过转向路线相接，形成一条曲折路径，水下机器人沿一字型路线匀速行走的同时给料机工作，且给料机的铺撒宽度为相邻两条一字型路线的等效距离。 [0019] 当水下机器人沿转向路线行走时，先减速后加速且给料机不工作，该过程中水下机器人由船体拖航，拖航方向垂直于一字型路线，拖航距离为铺撒宽度。 [0020] 所述转向路线为半圆形弧线，转向路线的等效半径为铺撒宽度(B)的一半，当水下机器人沿转向路线行走时，水下机器人的线速度与沿一字型路线行走的速度相同，此时给料机工作。 [0021] 所述水下机器人包括第一推进器、第二推进器、第三推进器和第四推进器，第一推进器、第二推进器、第三推进器和第四推进器均布于以给料机为中心的虚拟圆周上且推进方向均与所述虚拟圆周相切； [0022] 水下机器人沿一字型路线行走时，第一推进器和第三推进器的推进方向向相同，第二推进器和第三推进器不工作； [0023] 水下机器人沿转向路线行走时，第一推进器和第三推进器的推进方向和速度不变，第二推进器和第三推进器推进方向相反用于改变水下机器人的运动方向，使水下机器人的行走方向与半圆形弧线相切。 [0024] 所述曲折路径行走过程中铺撒矿石形成单元矿区，设定矿区参数步骤中，根据矿区的形状将完整的试验矿区划分为多个单元矿区，制作矿区时，依次制作每个单元矿区。 [0025] 所述给料管组包括第一管段和第二管段； [0026] 所述给料管路系统还包括安装于所述船体上的绞车组件，所述绞车组件的结构为：包括通过轴承座转动安装于所述船体上的转轴，所述转轴中设有空腔，所述转轴的一端安装有第二旋转接头，所述第二旋转接头与所述空腔连通，所述第二旋转接头与第一管段的端部连接，所述第一管段的另一端位于水面以下用于汲水； [0027] 所述转轴上安装有卷筒，所述卷筒用于盘绕所述第二管段，所述第二管段的一端固定于所述转轴上并与所述空腔连通，所述第二管段的另一端与所述给料仓连通。 [0028] 所述矿石给料器的结构包括漏斗状的接料槽，所述接料槽的上端开口并连接有输送带，接料槽的下端通过管路与第一管段连通，第一管段上设置流体动力部件，所述流体动力部件位于所述矿石给料器和第二旋转接头之间。 [0029] 本发明的有益效果如下： [0030] 本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过给料管组以水流辅助输送来自矿石给料器的矿石，将矿石输送至水下的给料仓后，再采用给料机将给料仓缓存的矿石以恒定流量排出，结合水下机器人的行走控制，保证铺撒的矿石丰度符合要求,从而实现高质量模拟海底试验矿区，保证深海采矿系统浅海海试的试验效率及准确性。 [0031] 同时，本发明还存在如下优势： [0032] (1)矿石量检测部件用于检测给料仓中是否有足够的矿石，可以为光电传感器，当矿石量不足时，停止矿石铺撒，但此时水下机器人需要减速停止，通过定位装置反馈停止矿石铺撒时的位置并记忆，使矿石量恢复后继续从停止矿石铺撒时的位置进行矿石铺撒，提高试验矿区的连续性。 [0033] (2)结合恒定流量的给料仓，通过水下机器人沿并排的多条一字型路线匀速行走，实现设定区域内均匀铺撒矿石，进行一定矿石丰度的矿区的精确预制。 [0034] (3)通过四个推进器组合以简单的结构实现水下机器人在自身动力机构的驱动下按照预定路线匀速运动和转向，降低成本。 [0035] (4)通过设定单元矿区的大小和数量及排布方式，将试验矿区进行分块制作，实现大面积不规则试验矿区的精确预制，快速便捷。 [0036] (5)通过在绞车组件的转轴上设置空腔，将给料管组中的第一管段通过第二旋转接头与空腔连通，将给料管组中的第二管段的端头与空腔固定连接，使第二管段布放过程中第一管段不受绞车转动影响，便于管路和相关部件布置，简化设备整体结构。附图说明 [0037] 图1为本发明的结构示意图。 [0038] 图2为本发明第一种情况的曲折路径图。 [0039] 图3为本发明第二种情况的曲折路径图。 [0040] 图4为本发明多个单元矿区组成的大面积不规则试验矿区示意图。 [0041] 图5为本发明绞车组件及相关部件结构示意图。 [0042] 图6为图5的剖视图。 [0043] 图7为本发明水下机器人及相关部件结构示意图。 [0044] 图8为图7的主视图。 [0045] 图9为图8中A‑A截面的剖视图(第二种情况下水下机器人匀速移动时)。 [0046] 图10为图8中A‑A截面的剖视图(第二种情况下水下机器人匀速转向时)。 [0047] 其中： [0048] 1、船体；2、矿石给料器； [0049] 3、给料管路系统；31、给料管组；3101、第二管段；32、绞车组件；321、卷筒；322、转轴；3220、空腔；323、轴承座；324、第二旋转接头；325、电机；33、绞车排缆器； [0050] 41、电缆绞车；42、脐带缆； [0052] 6、给料仓；7、给料机；8、一字型路线；80、转向路线；9、单元矿区； [0053] B、铺撒宽度。 具体实施方式[0054] 下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。 [0055] 实施例一： [0056] 如图1‑图4所示，本实施例的海底试验矿区的预制方法，包括位于试验矿区水面的船体1、设置于船体1上的矿石给料器2，还包括与矿石给料器2连接的给料管路系统3，给料管路系统3包括给料管组31，给料管组31的一端位于水面以下用于汲水，给料管组31的另一端连接水下机器人5，水下机器人5上设置给料仓6，给料仓6与给料管组31连通，给料仓6的底部设置给料机7，水下机器人5上设置有定位装置56； [0057] 预制方法包括以下步骤： [0058] 设定矿区参数：矿区参数包括试验矿区的位置、面积、矿石丰度； [0059] 布放水下机器人5：给料管组31的端部随着水下机器人5的下潜向下延伸，直到水下机器人5到达指定试验矿区上方； [0060] 矿石输送：启动给料管路系统3的流体动力部件和矿石给料器2，给料管组31内灌入海水后混入来自矿石给料器2的矿石，矿石由给料管组31输送至给料仓6并囤积于给料仓6的底部； [0061] 制作矿区：开启给料机7将给料仓6中的矿石以恒定流量排出，同时水下机器人5按照预定路径和预定速度行走，将矿石铺撒在海底形成设定矿石丰度的试验矿区。 [0062] 具体的，预制试验矿区的整套装备包括控制系统，一般设置在船体1上，并与水下机器人5进行通讯以及能源供给，船体1作为工作人员的活动区域。 [0063] 水下机器人5上设置有动力机构，具体可以为推进器，定位装置56具体可以为用于水下定位的惯导系统，也可以同时在水下机器人5上设置用于检测水下机器人5所处深度的深度传感器57，水下机器人5上还设有分线箱55和电子舱58，电子舱58通过脐带缆42与船体1上的控制系统和电源连接，船体1上还设有用于收放脐带缆42的电缆绞车41，脐带缆42松弛不受力随水下机器人5摆动；分线箱55用于水下机器人5不同用电设备的分线；给料管组 31为可卷绕的柔性管，给料管组31和脐带缆42的伸长度与水下机器人5的作业深度相适应。 [0064] 给料管路系统3的流体动力部件一般为泵，用于提供输送流体的动力，在给料管组31的入口附近将一定粒径的矿石混入水中，形成矿石和水的混合物，便于矿石输送，矿石的种类与需要试验的矿区有关，矿石可以为锰结核矿石。 [0066] 预制矿区时，给料仓6和给料机7下沉至海底位置，给料仓6起到缓冲储存矿石的作用，避免给料管组31输送矿石浓度波动影响铺撒的均匀性，给料机7为均匀给料，给料管组31输送的矿石浓度高时矿石就会临时存储在给料仓6中，浓度低时给料仓6内的矿石也可以补充保证给料机7的稳定输出，给料机7的均匀给料结合水下机器人5的行走控制，保证铺撒的矿石始终是流量恒定且位置连续的，使形成的试验矿区的矿石丰度符合要求。 [0067] 通过给料管组31以水流辅助输送来自矿石给料器2的矿石，将矿石输送至水下的给料仓6后，再采用给料机7将给料仓6缓存的矿石以恒定流量排出，结合水下机器人5的行走控制，保证铺撒的矿石丰度符合要求,从而实现高质量模拟海底试验矿区，保证深海采矿系统浅海海试的试验效率及准确性。 [0068] 进一步，如图7所示，给料仓6为上部敞口的锥形壳体，锥形壳体的小端开口并安装给料机7； [0069] 矿石输送步骤中，矿石和海水的混合物由给料管组31输送至给料仓6内后，矿石囤积于给料仓6的底部，多余的海水从给料仓6上部排出。 [0070] 设置给料仓6上部为为上部敞口的锥形壳体，以简单结构实现矿石的水下中转，便于实现给料仓6内外平衡。 [0071] 当矿石给料器2不能及时供给矿石，或给料管组31不能顺畅输送矿石时，预制系统可以实现自动暂停功能，进一步，给料仓6内设置矿石量检测部件；制作矿区步骤中，矿石量检测部件检测给料仓6内的矿石量位于最高量和最低量之间时，可进行矿石铺撒；当矿石量检测部件检测给料仓6内的矿石量小于最低量式，停止矿石铺撒，定位装置56将此时的水下机器人5的位置反馈给控制系统。 [0072] 具体的，矿石量检测部件用于检测给料仓6中是否有足够的矿石，可以为光电传感器，当矿石量不足时，停止矿石铺撒，但此时水下机器人5需要减速停止，通过定位装置56反馈停止矿石铺撒时的位置并记忆，使矿石量恢复后继续从停止矿石铺撒时的位置进行矿石铺撒，提高试验矿区的连续性。 [0073] 另外，海底试验矿区的预制过程中，保持铺撒的矿石丰度符合要求的同时，如何在要求的试验矿区的位置及面积范围内实现自动预制矿石丰度符合要求的矿区，需要对水下机器人5的行走路径及行走速度进行规划设计。 [0074] 进一步，如图2‑图3所示，制作矿区步骤中：水下机器人5铺撒矿石时的行走路经包括长度相同且并排的多条一字型路线8，相邻两个一字型路线8的相邻端部齐平并通过转向路线80相接，形成一条曲折路径，水下机器人5沿一字型路线8匀速行走的同时给料机7工作，且给料机7的铺撒宽度B为相邻两条一字型路线8的等效距离。 [0075] 具体的，等效距离为沿着相邻两条一字型路线8铺撒矿石后所形成的两条矿石带的重心线的距离；铺撒宽度B为相邻两条一字型路线8的等效距离，即使相邻两条一字型路线8铺撒矿石后所形成的两条矿石带的侧边重合；沿所述曲折路径铺撒矿石后形成的矿区即为完整的试验矿区，也可以为试验矿区的一部分，其形状为矩形或接近矩形。 [0076] 结合恒定流量的给料仓6，通过水下机器人5沿并排的多条一字型路线8匀速行走，实现设定区域内均匀铺撒矿石，进行一定矿石丰度的矿区的精确预制。 [0077] 水下机器人5沿曲折路径的具体行走方式包括以下两种情况： [0078] 第一种情况，如图2所示，当水下机器人5沿转向路线80行走时，先减速后加速且给料机7不工作，该过程中水下机器人5由船体1拖航，拖航方向垂直于一字型路线8，拖航距离为铺撒宽度B。 [0079] 采用船体1拖航的方式驱动水下机器人5沿设定区域的长度方向移动，水下机器人5在自身动力机构的驱动下沿一字型路线8方向做近似钟摆的往复运动，在加减速时不铺撒矿石，实现铺撒区域边界和内部的矿石丰度一致。 [0080] 第二中情况，如图3所示，转向路线80为半圆形弧线，转向路线80的等效半径为铺撒宽度B的一半，当水下机器人5沿转向路线80行走时，水下机器人5的线速度与沿一字型路线8行走的速度相同，此时给料机7工作。 [0081] 具体的，等效半径为沿着转向路线80铺撒矿石后所形成的矿石带的重心线的的半径。 [0082] 采用水下机器人5自身动力机构实现在整个设定区域的运动，保证水下机器人5的线速度时刻不变，仅仅在位于转向路线80处时改变方向，便于水下机器人5的速度控制，以及给料机7的不停机控制，保证一定矿石丰度均匀度的情况下，提高了矿区预制的速度。 [0083] 第二种情况下，如图7‑图10所示，水下机器人5包括第一推进器51、第二推进器52、第三推进器53和第四推进器54，第一推进器51、第二推进器52、第三推进器53和第四推进器54均布于以给料机7为中心的虚拟圆周上且推进方向均与虚拟圆周相切； [0084] 水下机器人5沿一字型路线8行走时，第一推进器51和第三推进器53的推进方向向相同，第二推进器52和第三推进器53不工作，如图9所示； [0085] 水下机器人5沿转向路线80行走时，第一推进器51和第三推进器53的推进方向和速度不变，第二推进器52和第三推进器53推进方向相反用于改变水下机器人5的运动方向，使水下机器人5的行走方向与半圆形弧线相切，如图10所示。 [0086] 通过四个推进器组合以简单的结构实现水下机器人5在自身动力机构的驱动下按照预定路线匀速运动和转向，降低成本。 [0087] 进一步，如图4所示，沿所述曲折路径行走过程中铺撒矿石形成单元矿区9，设定矿区参数步骤中，根据矿区的形状将完整的试验矿区划分为多个单元矿区9，制作矿区时，依次制作每个单元矿区9。 [0088] 具体的，通过设定单元矿区9的大小和数量及排布方式，将试验矿区进行分块制作，实现大面积不规则试验矿区的精确预制，快速便捷。 [0089] 进一步，水下机器人5与给料管组31的端部通过第一旋转接头连接，第一旋转接头将给料管组31与给料仓6连通。 [0090] 第一旋转接头的设置使水下机器人5在转向过程中更加顺畅不受给料管组31的束缚。 [0091] 实施例二： [0092] 在实施例一的基础上，对水面上的管路系统相关设备进行进一步优化。 [0093] 进一步，如图1、图5‑图6所示，给料管组31包括第一管段和第二管段3101； [0094] 给料管路系统3还包括安装于船体1上的绞车组件32，绞车组件32的结构为：包括通过轴承座323转动安装于船体1上的转轴322，转轴322中设有空腔3220，转轴322的一端安装有第二旋转接头324，第二旋转接头324与空腔3220连通，第二旋转接头324与第一管段的端部连接，第一管段的另一端位于水面以下用于汲水； [0095] 转轴322上安装有卷筒321，卷筒321用于盘绕第二管段3101，第二管段3101的一端固定于转轴322上并与空腔3220连通，第二管段3101的另一端与给料仓6连通。 [0096] 具体的，绞车组件32的卷筒321盘绕第二管段3101用于收放给料管组31，绞车组件32还包括安装于船体1上的电机325，以及安装于卷筒321上的齿圈，齿圈与电机325的输出端通过链条传动连接，实现卷筒321的转动，进而实现给料管组31的收放；给料管路系统3还包括绞车排缆器33，绞车排缆器33在第二管段3101收放过程中起导向作用。 [0097] 通过在绞车组件32的转轴322上设置空腔3220，将给料管组31中的第一管段通过第二旋转接头324与空腔3220连通，将给料管组31中的第二管段3101的端头与空腔3220固定连接，使第二管段3101布放过程中第一管段不受绞车转动影响，便于管路和相关部件布置，简化设备整体结构。 [0098] 进一步，如图1所示，矿石给料器2的结构包括漏斗状的接料槽，接料槽的上端开口并连接有输送带，接料槽的下端通过管路与第一管段连通，第一管段上设置流体动力部件，流体动力部件位于矿石给料器2和第二旋转接头324之间。 [0099] 船体1的甲板上储存矿石，由人工铁锹或采用挖掘设备将矿石铲至输送带上，输送带长度可容纳多人同时操作；输送带将矿石输送到接料槽处，矿石从接料槽进入给料管组31中，输送带上的矿石输送量不需要恒定，但尽量保证供给量在一定时间内恒定；第一管段一端伸到船体1侧的水面以下抽水，矿石从接料槽进入第一管段后会随水流沿着第一管段进入空腔3220，再由第二管段3101输送至给料仓6。 |
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