一种无泵式海底采矿输送系统

技术领域

本发明涉及水下采矿设备技术领域，具体涉及一种无泵式海底采矿输送系统。

背景技术

目前各国比较常用的深海采矿系统为：以海面母船作为系统的支撑平台，船舶布置输送硬管直至距离海底几百米处，硬管末端连接有中间仓，中间仓通过软管与集矿车进行连接；集矿车在海底进行作业，将采集的矿石输送至中间仓，再通过长达几千米的管道系统输送至水面。该种方案通过管道可连续进行矿石的输送，输送效率高，但是由于存在长达几千米的硬管管道，对船舶的性能和承载能力提出了很高的要求；同时泵在输送矿石颗粒过程中，容易对叶轮、导叶及过流部件造成损坏，难以实现长期工作，更换过程也复杂困难；并且硬管的布放复杂，耗时长，特别在恶劣海况下，船舶管道系统会存在很大的不确定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单、成本低、工作可靠性和连续性好、布放回收及维护简便、对水面船舶的承载能力和性能要求低的无泵式海底采矿输送系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种无泵式海底采矿输送系统，包括水面船舶、水下储料仓和用于将水下储料仓中矿物输送至水面船舶的输送装置，所述输送装置包括绳缆和设于水面船舶上的驱动组件，所述绳缆的两端与驱动组件相连，所述绳缆的中部绕设在水下储料仓上，在水下储料仓和驱动组件之间形成由驱动组件驱动上下运行的两段升降运行段；各升降运行段上均安装有能由升降运行段带着在水面船舶和水下储料仓之间运动的提升仓，所述提升仓设有用于与水下储料仓对接以接收矿物的可开闭进料机构和用于将矿物排出的可开闭出料机构。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述水下储料仓包括具有储料腔的舱体，所述舱体上对应每个提升仓均设有一个与所述储料腔连通的卸料口，各卸料口处设有用于打开和关闭所述卸料口的开闭控制组件，所述可开闭进料机构为在开闭控制组件打开所述卸料口时由开闭控制组件驱动打开、在开闭控制组件关闭所述卸料口时依靠弹性组件驱动关闭的进料机构。

所述提升仓包括具有内腔的壳体，所述可开闭进料机构包括设于壳体上并与所述内腔连通的进料口以及铰接安装在壳体上并能绕铰接轴摆动以打开和关闭所述进料口的进料控制门，所述进料控制门连接有在进料控制门不受外力作用时迫使进料控制门摆动至关闭进料口状态的弹性部件，所述开闭控制组件包括铰接安装在舱体上并能绕铰接轴线摆动以打开和关闭所述卸料口的卸料控制门以及用于驱动所述卸料控制门摆动的开闭驱动件，在提升仓与水下储料仓对接的状态下所述进料口与卸料口相接，且所述卸料控制门通过摆动打开卸料口时迫使进料控制门克服弹性部件的作用摆动以打开所述进料口。

所述提升仓包括具有内腔的壳体，所述可开闭进料机构包括设于壳体上并与所述内腔连通的进料口以及铰接安装在壳体上并能绕铰接轴摆动以打开和关闭所述进料口的进料控制门，所述可开闭进料机构还包括用于控制进料控制门摆动的进料控制组件。

所述水下储料仓包括具有储料腔的舱体，所述舱体上对应每个提升仓均设有一个与所述储料腔连通的卸料口，各卸料口处设有用于打开和关闭所述卸料口的开闭控制组件，所述开闭控制组件包括铰接安装在舱体上并能绕铰接轴线摆动以打开和关闭所述卸料口的卸料控制门以及用于驱动所述卸料控制门摆动的开闭驱动件；所述可开闭进料机构的进料控制门打开所述进料口时向壳体的内腔内部摆动，所述开闭控制组件的卸料控制门打开所述卸料口时向舱体的外部摆动；所述进料控制组件包括弹性部件和所述由开闭驱动件驱动的卸料控制门，所述弹性部件与进料控制门相连且在进料控制门不受外力作用时迫使进料控制门处于关闭进料口状态，在提升仓与水下储料仓对接的状态下所述进料口与卸料口相接，且所述卸料控制门向舱体的外部摆动时迫使进料控制门克服弹性部件的作用摆动以打开所述进料口。

所述储料腔包括主腔体以及与卸料口数量一致且一一对应的卸料腔，各卸料腔位于主腔体的下方，各卸料口与对应的卸料腔相通，且各卸料腔设有用于将主腔体中矿物导至卸料口的倾斜导料面。

所述水下储料仓还包括进料管，所述进料管的一端作为进矿口用于与集矿车相连，所述进料管的另一端作为出矿口与主腔体的中部连通，各卸料腔位于主腔体的四周。

所述可开闭出料机构包括设于壳体上并与所述内腔连通的出料口以及铰接安装在壳体上并能绕铰接轴线摆动以打开和关闭所述出料口的出料控制门，所述出料控制门连接有用于驱使出料控制门摆动的摆动驱动件。

所述壳体的上端和下端均呈锥形，所述进料口设置在壳体的上端，所述出料口设置在壳体的下端。

所述壳体上设有多个上下延伸布置的导向鳍，多个导向鳍环绕所述壳体的四周的间隔布置。

所述水下储料仓对应各提升仓均设有在提升仓向下运动与水下储料仓对接时供提升仓插入进行定位的定位口。

所述驱动组件为绞车，所述绳缆的两端均与所述绞车的卷筒相连，且所述绞车驱动任意一段升降运行段向上运行时同步驱动另一段升降运行段向下运行。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的无泵式海底采矿输送系统采用由驱动组件驱动的绳缆带动两个提升仓升降运动，使提升仓在水面船舶和水下储料仓之间运动，在提升仓运动至水下储料仓并与水下储料仓对接时通过控制可开闭进料机构可以接收水下储料仓中的矿物，在提升仓装盛矿物运动至水面船舶时通过控制可开闭出料机构可将矿物卸放到水面船舶上，从而实现将水下储料仓中矿物输送至水面船舶。其输送转运矿物的主要结构只有绳缆、驱动组件和提升仓，相比于现有技术具有结构简单、成本低、工作可靠性和连续性好、布放回收及维护简便的优点，可大大降低对水面船舶的承载能力和性能要求，同时，其运输安全性高和抗风险能力强，可解决恶劣环境下深海矿物长距离的物料输送问题，不会产生由于底层海水输送至海面而造成环境扰动的问题。

附图说明

图1为无泵式海底采矿输送系统的主视结构示意图。

图2为输送装置在一个提升仓与水下储料仓对接时的局部放大结构示意图。

图3为输送装置在两个提升仓均不与水下储料仓对接时的局部放大结构示意图。

图4为提升仓的结构示意简图。

图5为提升仓与水下储料仓对接时的局部放大结构示意图。

图6为图5中A处放大结构示意图。

图例说明：

1、水面船舶；2、水下储料仓；21、舱体；22、储料腔；23、卸料口；24、卸料控制门；25、开闭驱动件；26、进料管；27、定位口；3、绳缆；31、升降运行段；4、驱动组件；5、提升仓；51、可开闭进料机构；511、进料口；512、进料控制门；513、弹性部件；52、可开闭出料机构；521、出料口；522、出料控制门；53、壳体；54、导向鳍。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1至图4所示，本实施例的无泵式海底采矿输送系统，包括水面船舶1、水下储料仓2和用于将水下储料仓2中矿物输送至水面船舶1的输送装置，输送装置包括绳缆3和设于水面船舶1上的驱动组件4，绳缆3的两端与驱动组件4相连，绳缆3的中部绕设在水下储料仓2上，在水下储料仓2和驱动组件4之间形成由驱动组件4驱动上下运行的两段升降运行段31，各升降运行段31上均安装有能由升降运行段31带着在水面船舶1和水下储料仓2之间运动的提升仓5，提升仓5设有用于与水下储料仓2对接以接收矿物的可开闭进料机构51和用于将矿物排出的可开闭出料机构52。

该无泵式海底采矿输送系统采用由驱动组件4驱动的绳缆3带动两个提升仓5升降运动，使提升仓5在水面船舶1和水下储料仓2之间运动，在提升仓5运动至水下储料仓2并与水下储料仓2对接时通过控制可开闭进料机构51可以接收水下储料仓2中的矿物，在提升仓5装盛矿物运动至水面船舶1时通过控制可开闭出料机构52可将矿物卸放到水面船舶1上，从而实现将水下储料仓2中矿物输送至水面船舶1。其输送转运矿物的主要结构只有绳缆3、驱动组件4和提升仓5，相比于现有技术具有结构简单、成本低、工作可靠性和连续性好、布放回收及维护简便的优点，可大大降低对水面船舶1的承载能力和性能要求，同时，其运输安全性高和抗风险能力强，可解决恶劣环境下深海矿物长距离的物料输送问题，不会产生由于底层海水输送至海面而造成环境扰动的问题。

本实施例中，水下储料仓2包括具有储料腔22的舱体21，舱体21上对应每个提升仓5均设有一个与储料腔22连通的卸料口23，各卸料口23处设有用于打开和关闭所述卸料口23的开闭控制组件，可开闭进料机构51为在开闭控制组件打开卸料口23时由开闭控制组件驱动打开、在开闭控制组件关闭所述卸料口23时依靠弹性组件驱动关闭的进料机构。该可开闭进料机构51不需要设置单独的动力驱动件，能够节省成本、提高结构简单紧凑性、降低控制难度，且卸料口23打开过程中可开闭进料机构51同步被打开，水下储料仓2中的矿物能够及时、可靠、无泄漏的进入提升仓5。

本实施例中，如图4和图5所示，提升仓5包括具有内腔的壳体53，可开闭进料机构51包括设于壳体53上并与内腔连通的进料口511以及铰接安装在壳体53上并能绕铰接轴摆动以打开和关闭进料口511的进料控制门512，进料控制门512连接有在进料控制门512不受外力作用时迫使进料控制门512摆动至关闭进料口511状态的弹性部件513，开闭控制组件包括铰接安装在舱体21上并能绕铰接轴线摆动以打开和关闭卸料口23的卸料控制门24以及用于驱动卸料控制门24摆动的开闭驱动件25，在提升仓5与水下储料仓2对接的状态下进料口511与卸料口23相接，卸料控制门24向舱体21的外部摆动时迫使进料控制门512克服弹性部件513的作用摆动以打开进料口511(参见图5和图6)。也即，在开闭驱动件25驱动卸料控制门24摆动打开卸料口23时，利用向外摆动的卸料控制门24直接推动进料控制门512克服弹性部件513的作用摆动以同步打开进料口511，从而实现在打开卸料口23卸料的过程中同步打开进料口511，在开闭驱动件25驱动卸料控制门24摆动关闭卸料口23时，弹性部件513迫使进料控制门512摆动至关闭进料口511的状态。上述可开闭进料机构51和开闭控制组件的结构简单、成本低、工作稳定可靠、易于制作维护。

优选的，可开闭进料机构51的进料控制门512打开进料口511时向壳体53的内腔内部摆动，开闭控制组件的卸料控制门24打开卸料口23时向舱体21的外部摆动，卸料控制门24向舱体21的外部摆动打开卸料口23时，直接驱动位于舱体21外部的提升仓5的进料控制门512向壳体53的内腔内部摆动打开进料口511，在实现仅利用开闭驱动件25同步控制卸料控制门24和进料控制门512的同时，保证了整体的结构紧凑性。

优选的，弹性部件513采用扭簧，在其他实施例中弹性部件513也可采用其他能够在进料控制门512不受外力作用时迫使进料控制门512处于关闭进料口511状态的弹性构件，例如伸缩弹簧等；优选的，开闭驱动件25采用伸缩油缸，也可以采用液压马达、伸缩气缸、电动推杆等能够实现驱动卸料控制门24摆动的现有其他驱动件。

本实施例中，储料腔22包括主腔体以及与卸料口23数量一致且一一对应的卸料腔，各卸料腔位于主腔体的下方，各卸料口23与对应的卸料腔相通，且各卸料腔设有用于将主腔体中矿物导至卸料口23的倾斜导料面。该种结构便于储料腔22中的矿物进入提升仓5。

本实施例中，水下储料仓2还包括进料管26，进料管26的一端作为进矿口用于与集矿车相连，进料管26的另一端作为出矿口与主腔体的中部连通，各卸料腔位于主腔体的四周。集矿车采集的矿物经进料管26输送至主腔体的中部，矿物进入主腔体的中部后再向四周运动进入各卸料腔，便于矿物的卸出。

本实施例中，可开闭出料机构52包括设于壳体53上并与内腔连通的出料口521以及铰接安装在壳体53上并能绕铰接轴线摆动以打开和关闭出料口521的出料控制门522，出料控制门522连接有用于驱使出料控制门522摆动的摆动驱动件(图中未示出)，优选的，摆动驱动件采用伸缩油缸，也可以采用液压马达、伸缩气缸、电动推杆等能够实现驱动出料控制门522摆动的现有其他驱动件。摆动驱动件驱使出料控制门522摆动，可打开和关闭出料口521，该可开闭出料机构52的结构简单、成本低、工作稳定可靠。

本实施例中，如图4所示，壳体53的上端和下端均呈锥形，利于减小提升仓5上下运动时的水阻力，进料口511设置在壳体53的上端，出料口521设置在壳体53的下端，有利于矿物进入和排出提升仓5。

本实施例中，如图4所示，壳体53上设有多个上下延伸布置的导向鳍54，多个导向鳍54环绕壳体53的四周的间隔布置，利于提升仓5上下运动过程中的方向控制，提高稳定性。

本实施例中，优选的，壳体53的上下两端分别设有连接吊环，以便于与绳缆3连接。壳体53优选为长方体结构。

本实施例中，如图5所示，水下储料仓2对应各提升仓5均设有在提升仓5向下运动与水下储料仓2对接时供提升仓5插入进行定位的定位口27。该提升仓5向下运动时可插入定位口27并形成定位，将提升仓5定位在与水下储料仓2对接的状态，保证稳定、可靠、顺利的接收矿物，同时采用定位口27进行定位形式，又允许提升仓5向上运动，实现与上下运动形式的提升仓5配合进行定位和解除定位，不需要任何控制机构，其结构简单、成本低、易于控制。

本实施例中，驱动组件4为绞车，绳缆3的两端均与绞车的卷筒相连，且绞车驱动任意一段升降运行段31向上运行时同步驱动另一段升降运行段31向下运行。也即绳缆3的两端分别从正反两个方向绕设在绞车的卷筒上，卷筒朝任意方向转动时，一侧的升降运行段31向上运行，另一侧的升降运行段31向下运行，两段升降运行段31的运行方向始终相反，使得一个提升仓5上升运动时另一个提升仓5下降运动。该种驱动组件4的结构简单，可大大减小物料提升时所需的动力，改善绞车受力，提高绞车的提升效率。

本实施例中，水面船舶1和水下储料仓2上均设有定滑轮，绳缆3绕设在水面船舶1和水下储料仓2上的定滑轮上，提升运行的稳定性和顺畅性。并且，水面船舶1和水下储料仓2上的定滑轮使两段升降运行段31间隔预设的间距，以保证两个提升仓5的运动互不干扰。在输送过程中绳缆3始终保持在张紧状态，同时通过控制两根绳缆3之间的距离，确保不发生绳缆3缠绕的现象。

本实施例的无泵式海底采矿输送系统，同时在完成一块区域的矿物采集后，可通过提升绞车将水下储料仓2吊离海底，利用水面船舶1的移动实现采矿区域的切换，同时控制集矿车同步行走至下一采矿区域。在遇到恶劣海况时，可将绳缆3脱离水面船舶1随浮筒布置于海面上，水面船舶1驶离大风浪区域，躲避风浪，待海况好转后重新连接缆绳，继续采集输送作业。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。