多金屬結(jié)核開(kāi)采：海底履帶自主式水力采礦車的重要性與技術(shù)挑戰(zhàn)
wujiai
1990年，中國(guó)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)大洋多金屬結(jié)核資源勘查開(kāi)發(fā)項(xiàng)目作為國(guó)家長(zhǎng)期發(fā)展項(xiàng)目，相關(guān)機(jī)構(gòu)開(kāi)始對(duì)多金屬結(jié)核采礦車進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)近30年的研究，多金屬結(jié)核采礦車的研究從最初單一功能到整機(jī)實(shí)驗(yàn)室研究、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)到無(wú)線電信號(hào)測(cè)試、在南海進(jìn)行500米海試，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
1 實(shí)驗(yàn)室研究階段
多金屬結(jié)核采礦車的作用是按規(guī)劃路線在礦區(qū)低質(zhì)量土地上行駛，連續(xù)采集海底沉積物表面的多金屬結(jié)核顆粒。采礦車必須能適應(yīng)深海惡劣的工作環(huán)境和復(fù)雜的地形，在采集過(guò)程中有效接受和防止沉積，并能識(shí)別、避讓或跨越行駛路線上的?*鎩?/p>
多金屬采礦車主要由采礦機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)組成�！鞍宋濉逼陂g，中國(guó)對(duì)采礦、行走、破碎等各功能單元的工作原理、合理結(jié)構(gòu)、工作參數(shù)等進(jìn)行了理論研究和試驗(yàn)研究，研制了多種模型，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，最終研制出多金屬結(jié)核采礦車模型。
1.1 挖礦機(jī)構(gòu)
礦物采集儀器主要用于從松軟、低質(zhì)量的海底表層采集多金屬結(jié)核顆粒，應(yīng)具有采集效率高、能耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、沉降物少等特點(diǎn)。按工作原理可分為機(jī)械式、液壓式、復(fù)合式三種類型。由于機(jī)械式聚焦機(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，目前已基本被淘汰。
水力收集器的前、后排噴嘴距海底有一定的高度，噴嘴向海底方向相對(duì)傾斜，噴嘴產(chǎn)生具有一定壓力的水射流，向海底表面的結(jié)核顆粒沖去。前排噴嘴的射流對(duì)結(jié)核進(jìn)行沖洗和釋放，將結(jié)核推向后方，后排噴嘴的射流則阻止結(jié)核向后移動(dòng)。前后相對(duì)傾斜的水射流共同作用形成上升流，上升水流吸引結(jié)核從沉積物表面上升到一定高度，進(jìn)入輸送通道。輸送通道入口處設(shè)置有輸送噴嘴，從輸送噴嘴噴出的水射流形成一定的負(fù)壓，使輸送通道中的結(jié)核沿通道繼續(xù)向上移動(dòng)。
復(fù)合式收集器由液壓噴嘴和機(jī)械鏈條組成，液壓噴嘴作為捕獲機(jī)構(gòu)攻擊結(jié)核，機(jī)械鏈條作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)向上輸送結(jié)核。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是用機(jī)械鏈條代替液壓采礦設(shè)備輸送噴嘴的功能。復(fù)合式收集器利用鏈條可以靈活改變輸送高度和距離，并在鏈條輸送過(guò)程中實(shí)現(xiàn)逐步除土。與液壓式收集器相比，所需功率略低，但鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量高、運(yùn)行可靠性低。
我國(guó)“八五”期間對(duì)水力、機(jī)械、復(fù)合式三種集礦機(jī)的總體方案、工作原理、合理結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，成功研制出兩種具有國(guó)際先進(jìn)水平的水力、復(fù)合式集礦機(jī)。長(zhǎng)沙礦產(chǎn)研究所1996年研制的復(fù)合集礦機(jī)構(gòu)主要技術(shù)性能為額定生產(chǎn)能力5.2～8.4T/H，收集率80%，脫土率85%，收集結(jié)核礦粒度2～10cm，收集速度0～0.95m。
1.2 行走機(jī)構(gòu)
多金屬結(jié)核采礦車行走機(jī)構(gòu)主要是承載采礦機(jī)構(gòu)、破碎裝置、液壓及電氣控制系統(tǒng)等的裝卸平臺(tái)，能在預(yù)定的作業(yè)區(qū)域內(nèi)沿一定的規(guī)劃路線行駛。行走機(jī)構(gòu)應(yīng)具有牽引力大、承載能力強(qiáng)、擾動(dòng)海底小、攜泥沙、能耗低、采礦效率高等特點(diǎn)，并具有自動(dòng)防壁、跟蹤預(yù)定軌道、防沉等功能。
履帶行走機(jī)構(gòu)作為一種通用的自行走機(jī)構(gòu)，自1972年開(kāi)始在海底行走中試驗(yàn)。履帶接地面積大，牽引力大，能達(dá)到預(yù)定的低接地比壓，承載能力大。海底承載??能力越低，履帶的優(yōu)越性越明顯。同時(shí)，履帶具有良好的行駛性能和操作性，能輕松穿越或繞過(guò)海底?*錚院５茲哦�，能很好盗d閽詒『５仔兇叩囊蟆Ｒ虼耍拇兇呋掛殉晌嘟鶚艚岷瞬煽蟪檔氖籽⌒兇叻絞健?/p>
履帶行走機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)由接地比、行走速度、最大牽引力等決定。接地比取決于沉積物的壓強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度在海底表面以下10～15 cm處，由3kPa急劇增加到10kPa，超過(guò)15 cm后，有一個(gè)穩(wěn)定值，因此建議將下陷深度設(shè)置在15 cm以下。行走速度是影響開(kāi)采效率的重要因素，根據(jù)國(guó)外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在結(jié)核礦顆粒分布均勻的條件下，行走速度在1 m/s以下時(shí)開(kāi)采效率最高，當(dāng)大于1 m/s時(shí)，牽引力會(huì)隨著速度的增加而明顯增加。最大牽引力由土體的抗剪強(qiáng)度決定。踏齒的作用十分明顯，改善踏齒的形狀和尺寸，可以大大提高履帶在黏土中的行駛性能。 通過(guò)不同齒距、齒高、鋸齒軌跡的牽引力和壓入深度試驗(yàn)，為履帶車輛的設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，建立了履帶車輛行駛動(dòng)力學(xué)模型。
1.3 整機(jī)
復(fù)合聚焦方式與履帶式自主行駛裝置基礎(chǔ)研究與原理試驗(yàn)，我國(guó)研制了多金屬結(jié)核采礦車模型機(jī)。采礦車模型機(jī)外形尺寸為4.6m3.0m2.1m，整機(jī)質(zhì)量8t，水下排水量4t，牽引力35kW，行駛速度0～0.8M/S，爬坡能力15，越障高度0.5m，溝寬1.0m。實(shí)驗(yàn)室水槽試驗(yàn)結(jié)果表明，收集結(jié)核顆粒為2～10cm，收集率為80%，泥沙分離率為85%，臺(tái)階穩(wěn)定，線性好，表明主要技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到同期世界室內(nèi)試驗(yàn)樣機(jī)最高水平。
2 湖試驗(yàn)階段
1995年期間，中國(guó)研制了用于多金屬結(jié)核中試開(kāi)采的采礦車，如圖1、圖2所示。該采礦車額定生產(chǎn)能力30t/h，收集率80%，脫土率85%，收集結(jié)核礦粒度為2～10cm，收集速度0～1M/S，采礦車收集寬度2.4m，整機(jī)重量30t。
圖1 湖試多金屬結(jié)核采礦車
圖2 礦用車試運(yùn)行
在這款多金屬結(jié)核采礦車的研制過(guò)程中，中方與法國(guó)自動(dòng)控制公司進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性的技術(shù)合作。中方負(fù)責(zé)采礦車及其控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、采礦專用技術(shù)裝備的設(shè)計(jì)制造、監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)、發(fā)配電設(shè)備的設(shè)計(jì)及配套等工作。法國(guó)自動(dòng)控制公司負(fù)責(zé)液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及測(cè)試儀器、通用軟件平臺(tái)的施工設(shè)計(jì)制造，以及整機(jī)的全面調(diào)試。
采煤車采用液壓收集器，前后排噴嘴及運(yùn)輸噴嘴噴水均由兩臺(tái)功率為15kW、流量為500m3/h、壓力為0.05MPa的水泵提供。液壓收集器通過(guò)平行四連桿機(jī)構(gòu)與工作車連接，采用液壓缸調(diào)節(jié)前后排煙口的高度和傾角。履帶采用尖三角金屬繭型履帶和工程塑料履帶，分別由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)變量液壓泵調(diào)節(jié)速度，總牽引功率為160kW。通過(guò)21m3浮力材料，將采煤車接地壓力控制在5kPa。采煤車采用底部方位布置，由兩臺(tái)1.3kN推力螺旋槳控制調(diào)節(jié)。 整個(gè)多金屬結(jié)核采礦車的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源由兩臺(tái)175千瓦高壓電動(dòng)機(jī)供給兩臺(tái)外圍水液壓泵和四臺(tái)輔助定量液壓泵。行走履帶和推進(jìn)器電動(dòng)機(jī)為閉式液壓回路，采用電比例閥控制，其余為開(kāi)式回路。泵電動(dòng)機(jī)用調(diào)速閥改變轉(zhuǎn)速。
多金屬結(jié)核采礦車試驗(yàn)在云南五里湖西北部進(jìn)行，水深80～150米。通過(guò)五里湖低質(zhì)量抗剪強(qiáng)度及承載力試驗(yàn)，選定深海海底沉積物特征區(qū)為試驗(yàn)區(qū)，在選定的試驗(yàn)區(qū)內(nèi)鋪設(shè)模擬結(jié)核300噸。2001年8月至9月，進(jìn)行了采礦車分散回收、行駛性能、集礦等多項(xiàng)試驗(yàn)。最終將鋪設(shè)在130米深湖底的模擬結(jié)核順利運(yùn)輸?shù)胶嚧�，采集�?00公斤模擬結(jié)核。
此次多金屬結(jié)核采礦車無(wú)線試驗(yàn)，通過(guò)多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)工藝流程，驗(yàn)證了我國(guó)大洋多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)技術(shù)的可行性，為下一步淺海試驗(yàn)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，在湖面試驗(yàn)過(guò)程中，采礦車暴露出體積質(zhì)量大、履帶打滑、陷在湖底無(wú)法移動(dòng)等問(wèn)題。采礦車因自身及外界環(huán)境原因，在燃料貧乏的情況下難以操控，現(xiàn)有的人工操控效果不夠理想，同時(shí)在湖底行走距離及采集工作時(shí)間有限，核心技術(shù)驗(yàn)證不足。
3 海試階段
鯤龍500型多金屬結(jié)核采礦車（見(jiàn)圖3、圖4）由長(zhǎng)沙礦冶研究院牽頭研制，該采礦車額定生產(chǎn)能力10t/h，總功率60千瓦，采集率80%，脫土率85%，對(duì)海底稀軟土進(jìn)行采集，自適應(yīng)采集海底礦泉水。
圖3 “昆侖500”礦車海上試驗(yàn)分散
圖4：“昆侖500”采礦車在海上測(cè)試中出水
圖6 “Meron 500”號(hào)海上試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>
圖5 “美龍500”海西隊(duì)
鯤龍500采礦車主要由液壓采礦機(jī)構(gòu)、履帶行走機(jī)構(gòu)、車體、液壓系統(tǒng)、方向調(diào)整機(jī)構(gòu)、浮力材料等組成。液壓集光器直接利用水泵及相關(guān)噴頭管道提供噴射水源。液壓集光器機(jī)構(gòu)上設(shè)有著落高度檢測(cè)機(jī)構(gòu)和著落高度調(diào)整機(jī)構(gòu)，著落高度檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)液壓集光器著落高度的實(shí)際值，著落高度調(diào)整機(jī)構(gòu)根據(jù)著落高度的實(shí)際值按照預(yù)先設(shè)定的控制策略做出反應(yīng)，使液壓集光器著落高度平方值保持在合適的范圍內(nèi)，以達(dá)到較高的結(jié)核菌采集率。履帶行走機(jī)構(gòu)通過(guò)平行四連桿機(jī)構(gòu)與車體連接，履帶行走機(jī)構(gòu)與車體之間設(shè)有履帶升降機(jī)構(gòu)，履帶行走機(jī)構(gòu)陷入海底淤泥后，可利用履帶升降，提高履帶的通過(guò)性。 履帶板采用鋁鎂合金材料減輕質(zhì)量，采用白色軟底高科技穩(wěn)定行走中國(guó)多金屬，并采用薄壁不銹鋼板折彎焊接結(jié)構(gòu)。通過(guò)慣性DVL組合導(dǎo)航與聲學(xué)定位系統(tǒng)，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離定位和軌跡控制。全車在液壓集中器和機(jī)架上加裝浮力材料，增加排水量。
青龍500采礦車海上試驗(yàn)區(qū)位于南海北部登陸海域，水深500至600米。由于500米水深海域無(wú)天然多金屬結(jié)核，為驗(yàn)證光收集系統(tǒng)的收集能力，在海上試驗(yàn)區(qū)鋪設(shè)模擬結(jié)核，模擬多金屬結(jié)核產(chǎn)狀，為光收集系統(tǒng)提供收集對(duì)象。
本次海試按照搭載“長(zhǎng)裕海”號(hào)、“長(zhǎng)川”號(hào)試驗(yàn)船下水淺海作業(yè)的原則順利開(kāi)展，哈市中坤龍500型采礦車共下水11次，其中70米淺海作業(yè)6次，離岸500米作業(yè)5次。哈市最大作業(yè)水深514米，多金屬結(jié)核采集能力10噸/小時(shí)，一次最大長(zhǎng)距離2881米，水下定位精度0.72米，實(shí)現(xiàn)自主駕駛。
這是我國(guó)首次進(jìn)行500米深海底多金屬結(jié)核采光系統(tǒng)連續(xù)采光行走試驗(yàn)，鯤龍500型采礦車擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。海試成功，表明我國(guó)多金屬結(jié)核采礦車核心技術(shù)已全部突破，多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)已初步掌握，標(biāo)志著我國(guó)深海采礦系統(tǒng)研發(fā)全面由陸上試驗(yàn)轉(zhuǎn)向海上試驗(yàn)。此外，也為我國(guó)“深海多金屬結(jié)核采礦試驗(yàn)項(xiàng)目”千米級(jí)整體聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
4。結(jié)論
我國(guó)深海多金屬結(jié)核采礦車研制經(jīng)歷了三個(gè)階段：實(shí)驗(yàn)室研究階段，對(duì)采礦車單一功能及車輛進(jìn)行研發(fā)；湖試階段，進(jìn)行湖試，模擬深海作業(yè)環(huán)境，驗(yàn)證采礦車工藝和技術(shù)；哈希階段，通過(guò)哈希進(jìn)一步驗(yàn)證采礦車關(guān)鍵技術(shù)。
從國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)利益和當(dāng)前發(fā)展需要看，開(kāi)發(fā)海底礦產(chǎn)資源，建立新的礦產(chǎn)資源源頭是必然選擇。經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，我國(guó)多金屬結(jié)核采礦車技術(shù)已大大縮小與國(guó)外的技術(shù)差距，但與商業(yè)化采礦要求仍有一定差距，相關(guān)研究需加快推進(jìn)。