深海履带型集矿机打滑与路径跟踪控制情况研究

《深海履带型集矿机打滑与路径跟踪控制情况研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、深海履带型集矿机打滑与路径跟踪控制情况研究1绪论1.1课题与研究背景在人类赖以生存的地球表面，海洋面积占71%，而占海洋总面积92.4%的深海区域蕴藏着极其丰富的矿产资源。目前已探明具有商业开发前景的深海矿产资源有多金属结核（猛结核）、富钴结壳和热液多金属硫化物等[1]。多金属结核(PolymetallicNodules)是目前最具开发前景，同时也是勘探程度最高的海底矿产资源。其广泛分布于3000?6000m深的海底表层，是由铁猛氧化物组成的黑褐色团块状物体，富含猛、镇、钴、铜、铁、鹤、钛、银、金、银、铀等76种元素。美国梅罗教授的研究报告指出，世界各

2、大洋多金属结核的总储量约为3万亿吨，尤以太平洋分布最广，约1.7万亿吨[2]。多金属猛结核最富集区域位于东北太平洋的克拉里昂一克拉帕顿断裂带之间的海域(亦即太平洋C-C区，7?15°N，114?158°n:25.4%，Cu:1.28%,Ni:1.28%,Co:0.24%,具有较高的经济开采前景⑴[3]。富钴结壳(Cobalt-RichCrusts)是深海资源中最具潜在经济价值的又一矿产类型。其赋存于深海500-3000m的海底海山、岛均斜坡上的壳状沉积物，富含金、银、镜、铅、锌、铁、猛金属，以及钴、销、钛、铺等稀贵金属[4][5]。与大

3、洋猛结核相比，钴结壳中Co的品位是猛结核矿中的2.5倍以上，品位高达0.8%-1.2%,最高可达2%。其覆盖率可达70%-100%，丰度可达30-70kg/m2。仅太平洋西部火山构造隆起带上，富钴结壳矿潜在储量已达到数亿吨，Co金属达数百万吨，较陆地原生矿高几十倍，Pt平均含量高于陆地相应矿床的80倍[6]。研究报告显示，中太平洋钴结壳中主要元素的平均含量为Co:0.79%，Ni:0.47%,Pt:0.24%[7]。..1.2国内外深海采矿技术发展及现状自二十世纪六十年代以来，西方发达国家相继投入大量资金、人力和物力，进行了大洋多金属结核采矿系统全面研

4、究开发。先后研发出连续绳斗法（CLB)采矿系统、集矿机和管道提升采矿系统、穿梭艇式采矿系统等多金属结核开采系统。连续绳斗法采矿系统是1967年由日本人孟田善雄根据疏浚设备提出的，之后法国等多国相继参与了该方法的试验研究。该采矿系统结构较为简单，主要由采矿船、拖缆、索斗和牵引船组成。索斗按一定的间隙（约25米）均勻分布于拖缆之上，拖缆在牵引船的带动下带着索斗做下行、产取和上行动作，构成连续采集环路，以此达到海底多金属结核的连续开采的目标。CLB方法按照牵引船的数量主要分为单船式和双船式[14][15]。值得一提的是双船式CLB方法可以有效克服单船作业时索

5、斗互相缠绕的问题，如图1-2所示：日本于1970-1972年间采用连续绳斗法进行了深海采矿试验。试验地点位于南太平洋的格希提岛，水深3760m。试验表明该系统能正常地进行循环作业，并釆集到一些结核，但因链索缠绕问题而告终。连续绳斗法技术简单、造价低，可以满足不同水深变化的要求。但该方法对采集区域的要求较高，适用于大块平整且结核丰度变化不大的海底，因此开采效率较低，而且索斗对海洋生态环境有比较大的破坏。因此，该方法于七十年代末被放弃。.2深海履带式集矿机力学分析研究2.1履带车辆地面力学特性研究深海环境下履带式集矿机行走在极稀软的深海沉积物上。集矿机作业

6、时，履带与沉积物之间的相互作用主要有两种形式：履带的沉陷作用和履带对沉积物的剪切作用。前者导致了集矿机行走过程中运动阻力的产生，后者则是集矿机行走动力的主要。与一般车辆行走机构不同，履带式行走机构因其自身固有的结构特点被广泛应用于特殊复杂路面环境领域。对于深海6km多金属结核及钴结壳矿产采运作业车辆设备（集矿机）而言，为保证其良好的动力性能，大多采用履带式行走机构。集矿机通过履带相对地面打滑而产生的剪切力获得动力，因此研究履带与地面的作用机理，是建立深海履带式集矿机力学模型的基础。本章以车辆地面力学作为理论基础，通过对深海履带式集矿机地面力学特性的研究

7、得出集矿机驱动力与打滑率之间的关系；通过对集矿机工作环境下力学模型的建立，分析计算了集矿机驱动力和各种运动阻力，建立了集矿机运动学模型，为后文打滑控制的研究提出了理论基础。..2.2深海履带式集矿机地面力学特性研究根据我国深海底集矿机的采矿作业方式，履带式集矿机采矿过程中主要以海底表层15-20c:m处的沉积物作为主要承载层和牵引层，因此，本文将此层的沉积物作为研究对象，并假设沉积物均质。同时我国深海履带式集矿机在釆矿作业过程中履带齿达到200mm深的海泥层，由于深海底沉积物固有的土力学特性，其压力一沉陷关系以及剪切应力一剪切位移关系与传统的车辆地面力

8、学特性会有所不同。为了模拟200mm海泥层的土力学特性，选取一定比例的膨润土和水的混合物作为模