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多金属结核水力集矿机构离地高度控制研究 ① 彭建平 （长沙矿冶研究院有限责任公司 深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，湖南 长沙 ４１００１２） 摘 要 为保证多金属结核水力集矿机构有较高采集率与采集能力，分析了影响水力集矿机构离地高度变化的因素，介绍了离地 高度测量机构与调整机构，并且给出了离地高度的控制策略。 通过“鲲龙 ５００”多金属结核集矿车 ５００ ｍ 海试，验证了离地高度测量 机构、离地高度调整机构及控制策略能够自适应调整水力集矿机构离地高度，满足采集工艺的要求。 关键词 深海采矿； 鲲龙 ５００； 多金属结核； 水力集矿机构； 离地高度； 高度测量； 高度控制 中图分类号 ＴＤ８５７文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０２０．０３．００５ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０２０）０３－００２０－０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｇｒｏｕｎｄ Ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｐｏｌｙmｅｔａｌｌｉｃ Ｎｏｄｕｌｅｓ Ｍｉｎｉｎｇ ＰＥＮＧ Ｊｉａｎ-ｐｉｎｇ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｅｐ-Ｓｅａ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ， Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１２， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ ｉｎ ｐｏｌｙｍｅｔａｌｌｉｃ ｎｏｄｕｌｅｓ ｍｉｎｉｎｇ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｏｒ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｉｔｓ ｈｉｇｈ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｃｌｅａｒａｎｃｅ， ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｔｈｅ ｓｅａ ｔｒｉａｌ ｏｆ ｔｈｅ “Ｋｕｎｌｏｎｇ ５００” ｐｏｌｙｍｅｔａｌｌｉｃ ｎｏｄｕｌｅｓ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ａｔ ５００ ｍ ｄｅｐｔｈ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ， ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ-ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｃａｎ ｂｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｅｐ-ｓｅａ ｍｉｎｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｄｅｅｐ-ｓｅａ ｍｉｎｉｎｇ； Ｋｕｎｌｏｎｇ ５００； ｐｏｌｙｍｅｔａｌｌｉｃ ｎｏｄｕｌｅｓ； ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ； ｇｒｏｕｎｄ ｃｌｅａｒａｎｃｅ； ｇｒｏｕｎｄ-ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ； ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ 多金属结核主要赋存于水深 ５ ０００～６ ０００ ｍ 的大 洋底面极稀软沉积物表面，富含锰、铜、镍、钴等 ７６ 种 元素，受到国内外普遍关注，极具商业开采前景［１］。 经过国内外多年试验研究以及不同采矿系统的对比， 普遍认为“海底履带自行式水力集矿车采集-水力管道 矿浆泵提升-海面采矿船支持”这种模式的深海采矿系 统是一种具有工业发展前景的多金属结核采矿工艺与 方法。 作为海底履带自行式水力集矿车重要组成部分， 水力集矿机构的主要功能是采集海底沉积物上的多金 属结核，完成深海采矿过程的第一道工序。 水力式集 矿机构采集多金属结核主要由相对安装的前后两排喷 嘴组成的捕捉喷嘴和输送喷嘴来完成，它具有结构简 单、运动件少、工作可靠、故障率低等优点，同时采集能 力和采集效率高，对海底环境扰动较小［２］。 通过试验表明在给定参数情况下，水力集矿机构 对离地高度有一定要求，允许变化区间为 ４０～１８０ ｍｍ， 一旦离地高度超出这个适用范围，就会造成采集率和 能力大大下降［２］。 所以保证集矿机构离地高度在允 许区间内十分重要。 １ 离地高度影响因素研究 多金属结核矿区海底沉积物表层含水量高，土质 属于稀软泥土。 海底沉积物剪切强度一般随深度增加 而增大，０～８ ｃｍ 深度范围呈流动状，剪切强度极小； ８～１４ ｃｍ 深度范围呈流塑状，剪切强度从 １ ｋＰａ 急速 ①收稿日期 ２０１９－１０－２７ 作者简介 彭建平（１９７６－），男，湖南桃源人，硕士，高级工程师，主要从事海洋采矿技术与水下装备的研究。 第 ４０ 卷第 ３ 期 ２０２０ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．４０ №３ Ｊｕｎｅ ２０２０ 增加到 ６ ｋＰａ；１４～２０ ｃｍ 深度范围沉积物抗剪性能均 匀，剪切强度从 ６ ｋＰａ 缓慢降至 ５．８ ｋＰａ；剪切强度峰 值出现在深度 ４０～４５ ｃｍ 处，约为 １１．８ ｋＰａ，在这之后 小幅度降低。 海底沉积物贯入阻力一般随深度增加而 增大，０ ～ ８ ｃｍ 深度范围呈流动状，贯入阻力极小； ８～１４ ｃｍ 深度范围呈流塑状，承载特性变化大，贯入阻 力从 １０ ｋＰａ 急速增加到 ４６ ｋＰａ；１４～２０ ｃｍ 深度范围承 载性能均匀，贯入阻力从 ４６ ｋＰａ 缓慢增加到 ５０ ｋＰａ； 海底沉积物贯入阻力峰值出现在深度 ４５ ｃｍ 处，为 １００ ｋＰａ，在这之后小幅度降低［３－６］。 深海多金属结核集矿车采用履带行走机构，行走 履带与海底沉积物直接接触，它在海底沉积物上边行 走边采集结核，行走履带压陷并剪切深海稀软底质，对 海底稀软底质层施加向后的水平力，这构成海底沉积 物对作业车的推力。 水力集矿机构及其他部件等负载 均布置安装在履带底盘上，整车的负载最终由履带作 用于稀软底质并由其来承载，造成履带下陷一定深度。 但不同区域海底底质力学特性有差异，引起集矿车行 走机构压陷深度的变化，这直接体现在水力集矿机构 离地高度的变化。 如图 １ 所示，多金属结核集矿车履 带陷入沉积物的深度为 Ａ（单位为 ｍｍ），Ａ 值大小会在 一定范围内波动。 图 １ 水力集矿机构离地高度影响因素图 １ 离地高度测量机构； ２ 水力集矿机构； ３ 离地高度调整机 构； ４ 履带 结核赋存区 Ｃ-Ｃ 区属于典型的深海丘陵区，海底 地貌总体为与洋壳断裂一致的南北向延伸的丘陵，丘 陵的间隔为 ２～５ ｋｍ，最西部升起 １００～３００ ｍ，总体平 均坡度约 ５。 多金属结核赋存量最多的是起伏平原， 约占 ５４％，其次是高地坡面，约占 １９％。 多金属结核 集矿车应适应小地貌特征，可开采区地形坡度一般设 计不大于 ５［７］。 多金属结核矿区海底地形有一定的坡度，集矿车 从平坦海底区块沿海底下坡面行进时，由于水力集矿 机构处于集矿车前部，它会首先探入下坡面，如果水力 集矿机构与车体相对位置保持不变，离地高度会增大， 如图 １ 中 Ｂ（水力集矿机构的离地高度，单位为 ｍｍ） 值会变大；同理，如果集矿车沿海底上坡面行进时，水 力集矿机构离地高度会减小，也就是 Ｂ 值会减小。 Ｂ 值变化大小与坡度大小以及水力集矿机构与履带间距 成比例关系。 水力集矿机构在深海海底采集多金属结核时，由 于海底地形的变化及海底沉积物力学特性的差异构成 了离地高差的变化，可以得到 Ｔ ＝ Ｘ ＋ Ｙ（１） 式中 Ｔ 为水力集矿机构离地高度变化值，ｍｍ；Ｘ 为海 底沉积物力学特性差异导致履带下陷深度变化值， ｍｍ；Ｙ 为由于地形坡度导致的离地高度变化值，ｍｍ。 Ｙ ＝ Ｌｔａｎα（２） 式中 α 为海底地形的坡度，（）；Ｌ 为水力集矿机构捕 捉喷嘴与履带间距，ｍｍ。 将式（２）代入式（１），可得 Ｔ ＝ Ｘ ＋ Ｌｔａｎα（３） 即水力集矿机构离地高度值由海底沉积物力学特性、 地形坡度和捕捉喷嘴与履带间距所决定。 ２ 离地高度控制机构 由于多金属结核矿区海底地形坡度及海底沉积物 力学性能差异，集矿车在海底稀软底质上行走采集多 金属结核时，水力集矿机构离地高度会发生一定的上 下浮动。 为了保证集矿车在海底高效作业，集矿车必 须同时具备水力集矿机构离地高度调整机构和离地高 度测量机构，离地高度测量机构为离地高度调整机构 提供响应的依据。 离地高度测量机构固定在水力集矿机构喷嘴两 侧，用于测量水力集矿机构的离地高度。 离地高度测 量机构要实现两种功能，一个功能是离地高度测量基 准要保持与海底稀软底质表层接触，也就是说要保证 离地高度测量基准的真实性；另一功能是及时准确地 测量喷嘴相对于离地高度标准基准的距离。 如图 ２ 所示，离地高度测量机构主要包括导向杆 安装座、导向杆铰座、弹性元件、导向杆、地形检测板、 立杆固定座、立杆。 导向杆安装座与立杆安装座固定 在水力集矿机构的侧面。 导向杆有两根，分别位于立 杆前后两侧，导向杆一端通过销轴与地形检测板铰接， 另一端穿过导向杆铰座形成移动副并用双螺母限位。 导向杆铰座另一铰孔穿于导向杆安装座上形成回转 副。 弹性元件套于导向杆圆柱面上，随地形检测板上 升或下降，导向杆在导向杆铰座轴孔内向上或向下滑 动，使弹性元件压缩或伸长。 立杆一端通过销轴与地 形检测板铰接成回转副，另一端圆柱面与立杆固定座 的孔同轴形成移动副。 在地形检测板、导向杆、立杆等 １２第 ３ 期彭建平 多金属结核水力集矿机构离地高度控制研究 部件自身重力和弹性元件的弹性力共同作用下，能够 实现地形检测板下表面与海底沉积物表层相重合，实 现离地高度测量基准的准确性。 图 ２ 离地高度测量与调整机构示意图 １ 导向杆安装座； ２ 导向杆铰座； ３ 弹性元件； ４ 导向 杆； ５ 地形检测板； ６ 离地高度测量元件； ７ 立杆安装座； ８ 立杆； ９ 连杆； １０ 升降油缸 离地高度测量元件固定在立杆固定座上。 当地形 检测板下底面相对于离地高度标准零基准有变化时， 立杆就会沿立杆固定座内孔作相应滑动，这种相对位 置的变动能被离地高度测量元件检测出来。 离地高度调整机构主要由连杆和升降油缸组成。 连杆一端铰接在水力集矿机构上，另一端铰接在多金 属集矿车前端；连杆共有 ４ 根，两个一组，一组连杆与 水力集矿机构本体及集矿车车架共同组成平行四连杆 机构，实现水力集矿机构与集矿车的连接。 升降油缸 一端铰接在水力集矿机构上，另一端通过耳轴铰接安 装在采矿车上，升降油缸活塞杆伸长，水力集矿机构相 对集矿车车架上升，离地高度就会增大；而油缸活塞杆 缩短，水力集矿机构相对集矿车车架下降，离地高度就 会减小，通过升降油缸来实现水力集矿机构的上下平 行移动，以调节对地的高度。 ３ 离地高度控制策略 离地高度控制的总体策略就是将离地高度测量机 构所测得的水力集矿机构离地高度值与离地高度设定 允许范围进行比较判断，根据判断结果来指令离地高 度调整机构采取相应对策，作出相应响应。 控制流程 如图 ３ 所示。 设定水力集矿机构离地高度控制设定值 为 Ｈ，离地高度设定允许偏差为 Ｌ，即离地高度在 Ｈ－Ｌ～Ｈ＋Ｌ 范围为水力集矿机构的设定允许范围（此 范围小于水力集矿机构离地高度适用范围），此范围 内对水力集矿机构的采集率影响不大。 离地高度测量 元件测量值为 Ｓ，当 Ｓ≥Ｈ＋Ｌ 时，即判定离地高度过高， 这时通过伺服阀控制升降油缸缩短，使离地高度下降， 直至离地高度测量值 Ｓ＝Ｈ 为止；当 Ｓ≤Ｈ－Ｌ 时，即判 定离地高度过低，这时通过伺服阀控制升降油缸伸长， 使离地高度上升，直至离地高度测量值 Ｓ＝Ｈ 为止；当 Ｈ－Ｌ＜Ｓ＜Ｈ＋Ｌ 时，即认为离地高度处于合适的范围，这 时升降油缸保持不动，离地高度也就保持不动。 A*-8 ;DS H-L A- A 3-, 1 ;-, A- A 3-, ;-,1A-3-, ;0D 图 ３ 离地高度控制流程 当多金属结核集矿车开始在海底采集多金属结核 时，首先升降油缸缩短，水力集矿机构下降。 随着水力 集矿机构下降，离地高度测量机构中的地形检测板首 先接触海底，然后水力集矿机构继续下降，弹性元件受 到压缩，导向杆在导向杆铰座轴孔内向上滑动，立杆也 在立杆固定座轴孔内向上滑动，离地高度测量元件的 测量值减小，直至测量值减小到 Ｈ 时，升降油缸停止 动作，保证水力集矿机构离地高度处于设定值。 多金属结核集矿车行走采集多金属结核时，当前 方为上坡地形，地形检测板前端弧形板接触上坡地形， 在海底面作用力下，地形检测板相对于水力集矿机构 向上运动，立杆也相对向上滑动，离地高度测量元件检 测到真实的 Ｓ 变小。 Ｓ 与设定值 Ｈ－Ｌ 进行比较，一旦 Ｓ≤Ｈ－Ｌ，伺服阀作出相应响应，升降油缸活塞杆伸长， 使水力集矿机构上升，在弹性元件弹性力及地形检测 板等自身重力共同作用下，地形检测板始终与海底接 触，导向杆和立杆在相应轴孔中向下滑动，离地高度测 量元件检测到真实的 Ｓ 增大，直至 Ｓ＝Ｈ 为止，伺服阀 停止动作，升降缸停止动作，使水力集矿机构离地高度 值恢复为 Ｈ，即离地高度控制的设定值。 当前方为下坡地形，地形检测板接触下坡地形，在 弹性元件的弹性力及地形检测板等自身重力共同作用 下，地形检测板相对于水力集矿机构向下运动，立杆也 相对向下滑动，离地高度测量元件检测到真实的 Ｓ 变 大。 Ｓ 与设定值 Ｈ＋Ｌ 进行比较，一旦 Ｓ≥Ｈ＋Ｌ，伺服阀 作出相应响应，升降油缸活塞杆缩短，使水力集矿机构 下降，导向杆和立杆在相应轴孔中向上滑动，离地高度 测量元件检测到真实的 Ｓ 减小，直至 Ｓ＝Ｈ 为止，升降 ２２矿 冶 工 程第 ４０ 卷 缸停止动作，使水力集矿机构离地高度值恢复为 Ｈ，即 离地高度控制的设定值。 多金属结核集矿车在海底稀软底质行走时，由于稀 软底质的力学性质不一致，导致履带压陷深度变化，这 样变化会直接传递到水力集矿机构上，引起离地高度的 变化，离地高度测量元件检测到此时的 Ｓ，当 Ｓ≥Ｈ＋Ｌ， 伺服阀作出相应响应，升降油缸活塞杆缩短，使水力集 矿机构下降，导向杆和立杆在相应轴孔中向上滑动，离 地高度测量元件检测到真实的 Ｓ 减小，直至 Ｓ ＝ Ｈ 为 止，升降缸停止动作，使水力集矿机构离地高度值恢复 为 Ｈ，即离地高度控制的设定值。 当 Ｓ≤Ｈ－Ｌ，伺服阀 作出相应响应，升降油缸活塞杆伸长，使水力集矿机构 上升，在弹性元件弹性力及地形检测板等自身重力共 同作用下，地形检测板始终与海底接触，导向杆和立杆 在相应轴孔中向下滑动，离地高度测量元件检测到真 实的 Ｓ 增大，直至 Ｓ＝Ｈ 为止，伺服阀停止动作，升降缸 停止动作，使水力集矿机构离地高度值恢复为 Ｈ，即离 地高度控制的设定值。 ４ 海试实验 “鲲龙 ５００”多金属结核集矿车具有海底稀软底质 履带自行驶、海底矿物水力自适应采集、海底综合导航 定位等功能，能够完成海底规划路径行驶并且海底地 形自适应矿石采集的任务。 “鲲龙 ５００”集矿车上的水 力集矿机构安装了离地高度检测机构与离地高度调整 机构，并按上述的控制策略进行水力集矿机构离地高 度的自适应调整。 “鲲龙 ５００”集矿车于 ２０１９ 年 ５ 月搭载“长和海 洋”号试验船在我国东海 ７０ ｍ 水深海域进行了相关 实验，其中分两次入水开展了海底集矿作业实验，均采 集到模拟结核，第一次采集模拟结核 ２４６．８ ｋｇ，第二次 采集模拟结核 １９１．５ ｋｇ。 ２０１９ 年 ６ 月，“鲲龙 ５００”集 矿车搭载“张謇”号试验船在我国南海完成了 ５００ ｍ 水深实验。 此次实验最大作业水深 ５１４ ｍ，集矿车实 现了自动行驶模式下按规划采集路径的智能采矿作 业，采集海底模拟结核 ２０４．７ ｋｇ。 图 ４ 为水力集矿机构离地高度自适应响应图。 当 离地高度超出设定的上下限时，离地高度调整油缸作 出相应的响应而伸长或缩短，使水力集矿机构的离地 高度恢复到设定值，从而保证水力集矿机构高效的采 集能力。 “鲲龙 ５００”集矿车 ７０ ｍ 与 ５００ ｍ 水深海域采集 实验验证了离地高度测量机构和离地高度调整机构及 控制策略能够自适应调整集矿车水力集矿机构离地高 度，满足采集工艺的要求。 ;0s 300 250 200 150 100 50 0 -,mm 0515202510 A3-, 3-, 3-, A-A 图 ４ 水力集矿机构离地高度自适应响应图 ５ 结 论 １） 集矿车水力集矿机构离地高度主要影响因素 为海底稀软底质的力学特性、海底地形坡度及水力集 矿机构捕捉喷嘴与履带间距。 ２） 集矿车必须同时具备水力集矿机构离地高度 调整机构和离地高度测量机构，离地高度测量机构测 量离地高度数值，为离地高度调整机构提供响应依据。 ３） 集矿车通过将离地高度测量机构所测得的水 力集矿机构离地高度值与离地高度设定允许范围进行 比较判断，根据判断结果来指令离地高度调整机构采 取相应对策，作出相应的响应。 ４） “鲲龙 ５００”集矿车 ７０ ｍ 与 ５００ ｍ 水深海域采 集实验验证了离地高度测量机构和离地高度调整机构 及控制策略能够自适应调整集矿车水力集矿机构离地 高度，满足采集工艺的要求。 参考文献 ［１］ 程阳锐，曾 轩，李小艳，等． 稀软底质表面深海采矿作业车触底 特性分析［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１８，３８（６）４４－４７． ［２］ 唐红平． 集矿机构和破碎机的改进与完善［Ｒ］． 长沙长沙矿冶研 究院， ２００６． ［３］ 吴鸿云，陈新明，高宇清，等． 西矿区深海稀软底质剪切强度和贯 入阻力原位测试［Ｊ］． 中南大学学报（自然科学版）， ２０１０，４１ （５）１８０１－１８０６． ［４］ 吴鸿云． 集矿机牵引性能若干影响因素研究［Ｄ］． 长沙中南大学 机电工程学院， ２０１０． ［５］ 黄瑞铭，李翔晟． 深海集矿车速度控制与轨迹跟踪设计及实现［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１９，３９（３）２０－２４． ［６］ 符 瑜，曹 斌，夏建新． 深海采矿系统浮力配置对集矿车受力状 态的影响［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１９，３９（２）１５－１８． ［７］ 王明和． 深海固体矿产资源开发［Ｍ］． 长沙中南大学出版社， ２０１５． 引用本文 彭建平． 多金属结核水力集矿机构离地高度控制研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０２０，４０（３）２０－２３． ３２第 ３ 期彭建平 多金属结核水力集矿机构离地高度控制研究