自行式海底作業(yè)車的研究

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1、第16卷第4期海洋技術(shù)Vol.16,No.41997年12月OCEANTECHNOLOGYDec,1997自行式海底作業(yè)車的研究王明和簡曲陳新明(中國有色金屬工業(yè)總公司長沙礦山研究院410012)摘要理論分析和試驗研究是本文寫作基礎(chǔ),它詳細地總結(jié)了為大洋多金屬結(jié)核資源開發(fā)而研究自行式海底作業(yè)車取得的中期成果,它對我國大洋采礦和其它海底工程車輛的發(fā)展有著重要的文獻價值和指導意義。關(guān)鍵詞大洋采礦海底作業(yè)車履帶底盤1前言當今人類社會生存與發(fā)展面臨的三大問題是人口、資源與環(huán)境。隨著世界人口的不斷增長,陸地資源日漸短缺,人們不得不把目光轉(zhuǎn)向海洋,開發(fā)大洋礦產(chǎn)資源已經(jīng)成為

2、世界各國發(fā)展的戰(zhàn)略目標。在世界大洋表層蘊藏著極其豐富的多金屬結(jié)核礦產(chǎn)資源,其中富集有銅、鈷、鎳、錳等多金屬元素。海底作業(yè)車加裝采礦裝置構(gòu)成集礦機,它除了要適應于水深4800～5300m海底惡劣環(huán)境外,還需適應于海底地形地貌的變化,其好壞直接關(guān)系到大洋采礦成敗。海底作業(yè)車的研究核心問題就是要在剪切強度極低的軟海底上行走,滿足承載能力高、牽引力大、壓陷深度小、攪動海底輕的要求。2分析與研究2.1作業(yè)的原始條件(1)海流:表面流以東向流為主,平均流速0.4～0.6m/s,最大1.7m/s,屬赤道逆流。底層流的流向主要取決于地形,以向西北流最多,流速為0.01～0.1

3、m/s,局部地區(qū)流動狀態(tài)受地形和海潮影響。海底水溫為1°～2℃,因此海流對采礦作業(yè)不會帶來大的影響。(2)海底地貌:礦區(qū)總體走向與南北兩條斷裂帶大致平行,地勢較平坦,高差一般為50～*國家長遠攻關(guān),中國大洋協(xié)會資助項目,參加研究工作的還有李力、高宇清等同志*收稿日期:1997-03-27第4期自行式海底作業(yè)車的研究45100m,大部分屬海底丘陵。其中分布有少數(shù)海山。山頂水深一般為4500m,海山高差100～300m,可采區(qū)平均坡度<5°,局部地段存在斷層、懸崖和高達10m的礁石和能陷入機器的坑穴。(3)海底表層沉積物:沉積物主要以硅質(zhì)粘土和硅質(zhì)軟泥為主,沉積物

4、厚度為100～3200m,局部達300m以上。沉積物密度為1.2～1.3t/m,粒徑為0.001～0.1mm。含水率高,海底沉積層0～15cm深處含水率為500%～220%,深度超過15cm時保持在220%左右。相應深度處的抗剪強度為0～10kPa。2.2行走方式的選擇在過去30年間,國際上為適應深海采礦已開發(fā)和試驗了的海底作業(yè)車行走方式主要有拖曳式、螺旋槳式、阿基米德螺旋式和履帶自行式四大類型(圖1)。圖1(1)拖曳式:由海面采礦船鋼繩牽引,結(jié)構(gòu)簡單,對海底擾動和破壞小,但不便控制,避障困難,不能準確的按預定的開采路線行走,采集效率低,回采損失大。(2)螺旋

5、槳式:結(jié)構(gòu)簡單,但牽引力小,能耗大,對海底破壞嚴重,甚至將鄰近采集路徑內(nèi)的結(jié)核礦石吹走或埋入沉積層內(nèi),不能適應大洋采礦和環(huán)境保護要求。(3)阿基米德螺旋式:結(jié)構(gòu)較簡單,但螺旋線凹槽易被沉積物敷住,行走打滑嚴重,轉(zhuǎn)彎更困難,與地面接觸小,承載能力低,對海底攪動較大。(4)履帶自行式:牽引力大,承載能力高,跨越或繞過海底障礙容易,對海底擾動較小,操縱性和可行駛性機構(gòu)能很好地滿足軟海底作業(yè)要求。綜上分析,選擇履帶自行式為研究方向。2.3作業(yè)車基本參數(shù)確定(1)接地比壓:它是作業(yè)車行駛性的重要指標,它取決于沉積物的承壓強度。根據(jù)目前所掌握的海底表層沉積物力學性質(zhì)測定數(shù)

6、據(jù)分析表明,海底表層以下10～15cm處剪切強度急劇增加,從3.5kPa上升到10kPa,超過15cm以后有一段平穩(wěn)值(圖2)。因此,為了充分利用這一層沉積物支承作業(yè)車,壓陷深度定在15cm,甚至再深些。沉積物最大承壓強度可由剪切強度乘以攪動系數(shù)近似估定。按攪動程度為25%,攪動系數(shù)為0.7,則15～20cm處承壓強度近似為7kPa。如果考慮履帶壓實作用,承壓強度還會有所增加。故試驗中取海底沉積物承壓強度7kPa為計算基礎(chǔ)。因此,設(shè)計的作業(yè)車應滿足:W≤7kPa???????????????(1)2bL46海洋技術(shù)第16卷式中:W-車輛重力,kN;b-履帶寬度

7、,m;L-履帶接地長度,m。由公式知機重對可行駛性影響極大,應盡量降低。(2)行走速度:它是影響采礦效率的重要因素。根據(jù)國外所做試驗,在結(jié)核礦石粒徑分布均勻條件下,進行速度Vc≤1m/s時,采礦效率最高;當Vc>1m/s時,牽引力隨Vc的提高而明顯增大。同時,作業(yè)車行進速度還受采礦船拖曳提升管道系統(tǒng)航速的限制。70年代太平洋海域中試時,由于對其系統(tǒng)運動的水力動力學了解不夠,采取不超過2km/h(0.55m/s)的謹慎集礦航速。因此,試驗選定作業(yè)車行進速度約0.5～0.8m/s,無級調(diào)速。(3)最大牽引力:在車輛作用下由地面發(fā)生變形而產(chǎn)生的最大牽引力FHmax是

8、由土壤的抗剪強度所決定。根據(jù)庫倫定律: