一种具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车

技术领域

本发明涉及一种具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车，属于深海采矿设备技术领域。

背景技术

采矿车是整个多金属结核采矿系统的首要环节，是实现多金属结核开采作业最关键的部分。由于多金属结核赋存于数千米深海底稀软底质表面，呈颗粒状，而海水压力高达几十兆帕，并且海底地质条件复杂，存在很多丘壑等的地势，因此使得结核采集非常困难。

机械式深海集矿机构结构复杂且收集效率较低，目前已经基本被抛弃。而传统的水力式集矿机构需要布置前、后两排喷管，矿石输送通道口还需布置有输送喷嘴，利用前、后喷管水射流共同作用形成的上升水流，以及输送喷嘴射出水射流形成的负压使结核沿通道向上移动。这个过程需要消耗的功率较大，同时持续的大量水射流会对海底环境造成严重影响。相比之下，水力-机械复合式的集矿机构利用机械传送带或者链条取代水力式集矿机构输送喷嘴的功能，降低了消耗功率，减小了对海底环境的影响。同时，传统的采矿车因爬坡角度、地形适应性差以及带有扬矿软管等问题存在机动性差、采矿效率低、作业范围窄等问题。

本发明旨在提供一种能够适应复杂地形、具有良好机动性并能进行大范围、高效率的采矿作业的深海采矿车。

需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。

发明内容

本发明为了解决现有技术所存在的问题，提供了一种具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车，能够实现高效、灵活、可靠的采矿作业，适合于大规模开采深海海底多金属结核矿物。

本发明通过采取以下技术方案实现上述目的：

一方面，本发明提供了一种具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车，包括：

采矿车主体，所述采矿车主体的内部设置有储矿仓；

集矿筛沙通道，所述集矿筛沙通道通过集矿支撑架安装在所述采矿车主体的前侧，所述集矿筛沙通道的后部与所述储矿仓连通，所述集矿筛沙通道由通道顶壁和左右两侧的通道侧壁围成；

矿石过滤运输带，所述矿石过滤运输带设置在所述集矿筛沙通道的底部，所述矿石过滤运输带的后部与所述储矿仓衔接；

若干个自适应铲斗，所述自适应铲斗设置在所述集矿筛沙通道的前侧，所述自适应铲斗的后部与所述矿石过滤运输带的前部衔接；

机械滚耙，所述机械滚耙设置在所述集矿筛沙通道与所述自适应铲斗的衔接处上方；

水力喷射机构，所述水力喷射机构设置在所述集矿筛沙通道的上方，所述水力喷射机构用于向所述自适应铲斗的前方喷射水流；

所述自适应铲斗包括：

若干个铲斗主体，所述铲斗主体的后端口与所述集矿筛沙通道衔接，所述铲斗主体的后端底部通过铲斗连接轴与所述集矿支撑架铰接，所述铲斗连接轴垂直于所述采矿车主体的运动方向；

伸缩机构，所述伸缩机构用于驱动所述铲斗主体绕所述铲斗连接轴转动。

可选的，所述自适应铲斗还包括柔性可折叠伸缩套，所述柔性可折叠伸缩套用于连接所述铲斗主体的后端口与所述集矿筛沙通道的前端口。

可选的，所述水力喷射机构包括：

蓄水仓，所述蓄水仓设置在所述采矿车主体的内部；

若干根水力管道，所述水力管道设置在所述集矿筛沙通道的上方并与所述蓄水仓连通。

可选的，所述水力管道通过限位套板支撑在两侧的集矿支撑架上，所述伸缩机构的两端分别与所述限位套板及所述铲斗主体铰接。

可选的，所述具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车还包括挡板，所述挡板设置在所述集矿筛沙通道的前方左右两侧。

可选的，所述铲斗主体由铲斗顶壁、铲斗底壁和左右两侧的铲斗侧壁围成，所述铲斗底壁向前方延伸超出所述铲斗顶壁，所述铲斗底壁的前端设置为梳齿状。

可选的，所述集矿筛沙通道通过振动机构与所述集矿支撑架连接，所述振动结构包括：

电动机；

偏心轮，所述偏心轮上的中心轴与所述电动机驱动连接，偏心轮上的偏心轴与集矿筛沙通道的上部固定连接；

所述集矿筛沙通道的下部两侧分别设置有支撑轴，所述支撑轴与所述集矿支撑架活动连接。

可选的，所述矿石过滤运输带上设置有小孔以及不规则凸起；

所述矿石过滤运输带、集矿筛沙通道与所述采矿车主体的水平轴线呈一定俯仰角度。

可选的，所述具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车还包括：

环境监测传感器，所述环境监测传感器设置在所述铲斗主体上，所述环境监测传感器用于检测所述铲斗主体的前进阻力以及所述铲斗主体的前端的离地高度；

升沉推进器，所述升沉推进器设置在所述采矿车主体的两侧，所述升沉推进器用于在收放所述采矿车主体时起辅助推进作用；

蓄电供能模块，所述蓄电供能模块设置在所述采矿车主体的后侧，所述蓄电供能模块用于向用电部件供电，所述蓄电供能模块上设置有充电接驳头；

所述储矿仓的后部设置有卸料接驳口。

可选的，所述采矿车主体的后方设置有平整地形板。

另一方面，本发明还提供了一种具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车的采矿方法，包括如下步骤：

(1)通过水力管道将所述蓄水仓内的水喷射到沉积在海底的矿石表面，将附着在矿石表面的沉积物吹走，并使矿石松动或者被吹起；

(2)采矿车主体的行进推力使松动或吹起的矿石被铲斗主体铲起收集，收集过程中根据海底的地形情况随时调节铲斗主体的俯仰角度，使铲斗主体贴近凹洼不平的海底；

(3)铲斗主体内的矿石通过机械滚耙被拨推至矿石过滤传输带，矿石在矿石过滤传输带向后输送的过程中所含的泥沙等海底沉积物被过滤掉；

(4)矿石从矿石过滤传输带的后部输送至储矿仓内。

本申请的有益效果包括但不限于：

本发明公开的具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车，采用机械和水力复合的深海矿物采集方式，降低了消耗功率，减小了采矿过程对海底环境的影响；收集矿石的自适应铲斗能够根据海底地形随时调整自适应铲斗的俯仰角度，保证了采矿车可以在不同的海底地形下收集多金属结核，提高了采矿的工作效率；采用无缆工作、接驳卸料的方案，提高了采矿车的机动性能，拓宽了采矿区域作业范围。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车的立体图；

图2为本发明提供的具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车俯视图；

图3为图2的A-A向剖视图；

图4为集矿筛沙通道、自适应铲斗及水力喷射机构的立体图；

图5为集矿支撑架、集矿筛沙通道的俯视图；

图6为图5的B-B向剖视图；

图7为图5中C部的放大结构示意图；

图8为本发明提供的具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车的采矿方法流程图；

图中，100、采矿车主体；110、平整地形板；200、集矿筛沙通道；210、储矿仓；220、集矿支撑架；230、卸料接驳口；300、矿石过滤运输带；310、传动滚筒；320、张紧滚筒；400、自适应铲斗；410、铲斗主体；420、伸缩机构；430、铲斗连接轴；440、柔性可折叠伸缩套；450、梳齿状；500、机械滚耙；600、履带行走机构；710、蓄水仓；720、水力管道；730、抽水泵；740、过滤器；750、限位套板；760、支撑柱；800、挡板；910、偏心轮；920、电动机；930、支撑轴；1010、升沉推进器；1110、蓄电供能模块；1120、充电接驳头；1210、环境监测传感器。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

需说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施。因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-图4中所示，本发明提供的具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车，包括采矿车主体100和设置在采矿车主体100上的集矿筛沙通道200、矿石过滤运输带300、自适应铲斗400、机械滚耙500和水力喷射机构。

具体的，采矿车主体100的内部设置有储矿仓210。集矿筛沙通道200设置在采矿车主体100的前侧，集矿筛沙通道200的后部与储矿仓210连通，集矿筛沙通道200由通道顶壁和左右两侧的通道侧壁围成。矿石过滤运输带300设置在集矿筛沙通道200的底部，矿石过滤运输带300的后部与储矿仓210衔接。

通常，集矿筛沙通道200通过集矿支撑架220与采矿车主体100连接。具体的，集矿支撑架220的后侧固定在采矿车主体100上。

自适应铲斗400用于铲起海底的多金属结核，自适应铲斗400设置在集矿筛沙通道200的前侧，其后部与矿石过滤运输带300的前部衔接。机械滚耙500设置在集矿筛沙通道200与自适应铲斗400的衔接处上方。水力喷射机构设置在集矿筛沙通道200的上方，用于向自适应铲斗400的前方喷射水流。

可以理解的，采矿车主体100的下部还设置履带行走机构600，履带行走机构600通常由液压系统驱动，带动采矿车在海底行走采矿。

采矿时，采矿车主体100的行进推力使多金属结核被自适应铲斗400铲起收集，多金属结核收集到自适应铲斗400内后又接着被机械滚耙500向后拨推到矿石过滤运输带300上，并经矿石过滤运输带300继续输送至储矿仓210内。

集矿筛沙通道200的通道顶壁和左右两侧的通道侧壁对矿石过滤运输带300形成包覆，矿石过滤运输带300的前端和后端分别套设在传动滚筒310上，中部由若干根张紧滚筒320进一步支撑。传动滚筒310转动，带动输送带循环运转，将多金属结核连续输送到储矿仓210内。

本发明提供的具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车中，水力喷射机构包括蓄水仓710和水力管道720。

具体的，蓄水仓710设置在采矿车主体100的内部；水力管道720设置在集矿筛沙通道200的上方并与蓄水仓710连通。各根水力管道720并排布置在集矿筛沙通道200的顶部，通常还需要设置限位套板750来进一步固定水力管道720的位置。具体的，限位套板750上设置多个限位孔，各水力管道720对应穿过相应的限位孔，限位套板750的两侧分别通过支撑柱760与两侧的集矿支撑架220连接。

海底地质条件复杂，存在很多丘壑等的地势，为了能够根据海底情况随时调整铲斗的俯仰角度而使铲斗贴近海底以将多金属结核铲起，本发明提供的具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车中，自适应铲斗400包括铲斗主体410和调整铲斗主体410俯仰角度的伸缩机构420。

具体的，铲斗主体410的数量为并排设置的多个。每个铲斗主体410的后端口与集矿筛沙通道200衔接，每个铲斗主体410的后端底部通过铲斗连接轴430与集矿支撑架220铰接，铲斗连接轴430垂直于采矿车主体100的运动方向。

伸缩机构420的两端分别与限位套板750及铲斗主体410铰接。伸缩机构420变长或变短时，将带动铲斗主体410绕着铲斗连接轴430转动，使铲斗主体410实现俯仰运动。铲斗主体410通过俯仰运动改变其前端与地面的相对位置，使铲斗主体410在坑洼地面能够贴近海底将多金属结核铲起，更好的应对海底复杂地形，增强整体作业效率。

在其中一具体实施方式中，伸缩机构420采用液压缸。液压缸的缸杆和缸筒分别与铲斗主体410的顶部及限位套板750铰接。在液压缸的驱动下，铲斗主体410绕铲斗连接轴430完成俯仰运动。

每个铲斗主体410分别由独立的液压缸驱动，动作互不干涉影响。

在铲斗主体410绕着铲斗连接轴430转动的过程中，铲斗主体410的顶部与集矿筛沙通道200之间的缝隙会随之改变。为了能够适应这种距离变化，在优选的实施方式中，自适应铲斗400还包括柔性可折叠伸缩套440，柔性可折叠伸缩套440用于连接铲斗主体410的后端口与集矿筛沙通道200的前端口，保证矿石输送通道的完整性，避免多金属结核在输送过程中掉落。具体的，柔性可折叠伸缩套440可采用风琴状结构。

通常，铲斗主体410由铲斗顶壁、铲斗底壁和左右两侧的铲斗侧壁围成，铲斗底壁向前方延伸超出铲斗顶壁。具体的，铲斗主体410整体结构为梯形的桶状结构。

进一步的，铲斗底壁的前端设置为梳齿状450。梳齿状450结构可增大矿石铲斗与多金属结核的接触压强，更容易将多金属结核从海底采集。

为了将随多金属结核一并铲起的泥沙脱除，在优选的实施方式中，矿石过滤运输带300上均布有小孔，在多金属结核沿矿石过滤运输带300输送的过程中，泥沙从小孔中掉落与多金属结核分离。

更进一步的，为了防止多金属结核在沿矿石过滤运输带300输送的过程中滑落，在优选的实施方式中，矿石过滤运输带300的表面设置有不规则凸起，能够增大多金属结核过滤运输带与多金属结核之间的摩擦力。

通常，矿石过滤运输带300、集矿筛沙通道200与采矿车主体100的水平轴线呈一定俯仰角度。

进一步的，采矿车主体100的顶部前侧安装抽水泵730、过滤器740，抽水泵730进口端与过滤器740连通，出口端与蓄水仓710相连通。水力管道720的前端设置高压喷水头向前方地面喷射高压水射流，使多金属结核被松动或吹起，同时将多金属结核上的沉积物吹走。

通常，采矿车主体100自上而下设置上层、中层和下层密封腔室，上层、中层密封腔室分别对应为蓄水仓710、储矿仓210，下层密封腔室为设备仓。蓄水仓710、储矿仓210和设备仓并非一体化成型，可通过圆柱筒制作，以保证各部分的密封效果。

在优选的实施方式中，本发明提供的具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车还包括挡板800，挡板800设置在集矿筛沙通道200的前方左右两侧。挡板800可保证在高压水射流的作用下多金属结核不被吹到外围两侧，同时也可减轻羽流对采矿车两侧环境的影响。

在更为优选的实施方式中，本发明提供的具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车，还包括振动机构，振动机构用于带动集矿筛沙通道200振动，使泥沙在随多金属结核输送过程中被过滤掉。

具体的，如图5-图8中所示，振动结构包括电动机920和偏心轮910，偏心轮910上的中心轴与电动机920驱动连接，偏心轮910的偏心轴与集矿筛沙通道200的上部固定连接。通常，在集矿筛沙通道200的上部以及采矿车主体100上分别设置连接座，偏心轮910上的中心轴穿过采矿车主体100上的连接座之后与电动机920传动连接；偏心轮910上的偏心轴与所述集矿筛沙通道200上的连接座固定连接。

集矿筛沙通道200的下部两侧分别设置有支撑轴930，支撑轴930的内端与集矿支撑架220活动连接。

电动机920带动偏心轮910转动过程中，偏心轮910的偏心轴绕着中心轴转动，带动集矿筛沙通道200作出振动。

具体的，可在集矿支撑架220上设置滑道或者通孔，支撑轴930的外端活动支撑在滑道或者通孔内。

在另一具体实施方式中，本发明提供的具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车还包括升沉推进器1010，升沉推进器1010设置在采矿车主体100的两侧，升沉推进器1010用于在收放采矿车主体100时起辅助推进作用。

在另一具体实施方式中，本发明提供的具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车还包括蓄电供能模块1110，蓄电供能模块1110设置在采矿车主体100的后侧，蓄电供能模块用于向用电部件供电。进一步的，蓄电供能模块1110上设置有充电接驳头1120，当采矿车的电量不足时，可实现蓄电池的接驳充电，实现了无缆接驳充电，避免了传统采矿车采矿作业中的缆线缠绕问题，大地提高了采矿车的作业范围。

在其中一具体实施方式中，本发明提供的具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车还包括环境监测传感器1210，环境监测传感器设置在铲斗主体410上，用于检测铲斗主体410的前进阻力以及铲斗主体410的前端的离地高度。

具体的，环境监测传感器包括力传感器和位置传感器。力传感器和位置传感器分别检测铲斗主体410的前进阻力和离地高度信号，将检测到信息转化为电信号反馈给控制单元，控制单元经计算得出铲斗主体410实际的离地高度信号，同时将它与设定值进行比较并输出相应的控制信号，控制液压缸的动作以完成铲斗主体410的俯仰和悬停保持等规定动作，同时这些动作又反馈给控制单元，实现系统的闭环自动控制。

在另一具体实施方式中，本发明提供的具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车中，储矿仓210的后部设置有卸料接驳口230，当采矿车内采满多金属结核时，可实现储矿仓210的接驳卸料，实现了无缆矿石卸料，避免了传统采矿车采矿作业中扬矿软管的缠绕问题，极大地提高了采矿车的作业范围。

在另一具体实施方式中，采矿车主体100的后方设置有平整地形板110，平整地形板110，用于对采集多金属结核后的海底地面进行平整，减小采矿活动对海底地形的破坏。

如图7中所示，本发明提供的具有地形自适应功能的水力机械复合式深海采矿车的采矿方法，采用如下步骤：

(1)采矿车利用履带行走机构600根据事先指定规划好的路径在海底矿区内稳步向前推进，同时抽水泵730不断抽取海水，海水经过滤器740过滤掉杂质后进入蓄水仓710；而蓄水仓710内的海水又经水力管道720通过高压喷水头喷射到沉积在海底的多金属结核表面，将附着在多金属结核表面的沉积物吹走，并使多金属结核松动或者被吹起，有利于多金属结核的收集；

(2)采矿车主体100的行进推力使松动或吹起的多金属结核被铲斗主体410铲起收集，使其堆积在铲板上；收集过程中自适应铲斗400根据海底的地形情况随时调节俯仰角度，使铲斗主体410贴近凹洼不平的海底，保证自适应铲斗400可以始终有效的收集到多金属结核；

(3)铲斗主体410内的多金属结核通过机械滚耙500被拨推至矿石过滤传输带，同时，电动机920带动偏心轮910转动，在偏心轮910的带动下，集矿筛沙通道200前后上下抖动，可以将矿石过滤运输带300上的泥沙等海底沉积物过滤掉；

(4)多金属结核从矿石过滤传输带的后部输送至储矿仓210内。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。