仿蟹螯式深海采矿集矿头

技术领域

本发明涉及海洋矿产资源开采设备技术领域，具体涉及一种仿蟹螯式深海采矿集矿头。

背景技术

深海中蕴含着大量未被开发的矿产资源，其中，含镍、铜、钴和锰的多金属结核以半埋藏状单层分布在水深4000~6000m的深海底沉积物表层，多以直径为3~6cm的球状附存，是当今世界各国主要勘探开采的对象。

目前世界上公认的最有商业价值的多金属结核开采技术，是先利用集矿车收集，再利用提升系统运输至采矿船的方式，其中，集矿是采矿系统中最复杂、最关键的部分，集矿头的设计是否合理决定了采矿的效率和商用价值。针对多金属结核在深海底的附存特性，国内外学者提出的在技术和经济上有价值的采集原理主要有三类：机械式、水力式和复合式。

机械集矿是利用旋转斗轮和链式输送机的机械运动件实现采集和运输结核，该方法集矿效率相对较高，但纯机械结构会挖取大量沉积物，这容易导致运动构件损坏，集矿工作稳定性难以保证；水力集矿是利用水流分离和移动附存在海底沉积物表面上的结核，包括泥浆泵吸扬集矿、射流附壁效应集矿和射流举升集矿，水力集矿结构简单且经久耐用，但功率消耗大、采集效率不高，而且对海底和水体产生的环境影响很大，还需要进一步改进才能用于商业采矿系统；复合式集矿主要是利用水射流冲采和倾斜链带输送机输送结核，或利用水射流和机械齿耙联合挖取结核，该方法虽然结合了水力式和机械式的部分优点，但仍存在射流冲采集矿率受制于喷嘴离底高度，以及沉积物淤积等问题，一旦喷嘴离底高度过大或沉积物淤积，集矿效率将大幅度减小。

中国专利公开CN 106121655 A公开了一种海底采矿车的水力集矿头及其集矿方法，利用螺旋水流实现海底矿物的采集，并且可以在运行速度不达要求时实现外部换挡，但此装置仍使用纯水力集矿，仍对海底和水体会产生较大影响。因此，急需一种新型的集矿头来解决上述问题，满足实际生产工作的需要。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种仿蟹螯式深海采矿集矿头，其结构简单、设计合理，巧妙利用水力举升和仿生机械运动，并充分考虑多金属结核附存特点，实现多金属结核的高效稳定采集，并有效保护海底生态环境。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

仿蟹螯式深海采矿集矿头，包括旋转射流扬矿装置、导流通道和输送通道，所述导流通道和输送通道分别为两个前后敞口的空心长方体，且导流通道和输送通道前后拼接为一体呈L型，导流通道为横向的第一长方体、输送通道为倾斜向上的第二长方体、且第一长方体的尾端和第二长方体的首端连接成一体，旋转射流扬矿装置固定在第一长方体的首端。

所述旋转射流扬矿装置包括固定框架和固定在固定框架前侧面的一对扬矿机构，固定框架为前后敞口的空心长方体，且固定框架的尾端与第一长方体首端完全相同并连接成一体、首端的截面面积比尾端的截面面积大1/4-1/2，固定框架的左右侧面自首端至尾端均呈漏斗状圆滑收拢。

所述固定框架底面前端固定有L型挡板，挡板与固定框架同宽且挡板竖向顶端固定在固定框架底面前端、另一端向固定框架尾端延伸并超过第一长方体和第二长方体连接竖向投影，挡板竖向部分设有多个横向设置的清洁喷嘴，清洁喷嘴的尾端固定在挡板竖向部分、首端朝向固定框架的尾端。

所述一对扬矿机构完全相同且沿固定框架的竖向中轴线对称设置，每个扬矿机构均包括四只仿蟹螯式射流臂、中心控制器和吊杆；吊杆的顶端固定在固定框架顶面的内侧前端、底端通过多根均匀分布的连接杆与中心控制器固定连接；中心控制器包括圆柱形蓄水仓和固定在蓄水仓顶面的电动机，电动机的转子和定子竖向同轴设置，定子为圆筒形，转子嵌入定子空腔中的圆柱形，转子的底面固定在蓄水仓的顶面处且转子与蓄水仓同轴设置，连接杆的底端固定在定子的顶面处、连接杆的顶端固定在吊杆的底面处；四只仿蟹螯式射流臂呈风车扇叶状均匀分布在蓄水仓的侧面。

所述仿蟹螯式射流臂分为前臂和后臂，前臂为前窄后宽的空心三棱柱，后臂为截面与前臂尾端截面相同的空心三棱柱，前臂的前端封闭、尾端敞口且与后臂的首端固定为一体，后臂的尾端固定在蓄水仓的侧面；前臂和后臂的截面均为高所在的直线竖向设置的等腰三角形，且前臂和后臂自延伸方向之间呈120°-150°角，且前臂弯折向仿蟹螯式射流臂的旋转方向。

所述前臂底面均匀分布有若干射流喷嘴，前臂底面处开有与射流喷嘴对应的圆形通孔，射流喷嘴的射流中心线斜向下与前臂底面呈45°夹角，且射流喷嘴倾斜向前臂的旋转方向。

所述射流喷嘴处设有软管，各软管汇集至仿蟹螯式射流臂的空腔中的送水管处，送水管的尾端连接至蓄水仓处，蓄水仓处开有与送水管对应的圆形导水孔；蓄水仓顶面圆心处也开有圆形通孔、此通孔处固定有竖向设置的导水管，导水管依次贯穿电动机的转子和吊杆并连接至外部水泵处。

所述蓄水仓内部装有挡水片，挡水片呈弧形且紧贴蓄水仓内壁设置，挡水片内侧通过两根挡水片连接杆与导水管固定，挡水片连接杆的一端固定在导水管侧面底端、另一端固定在挡水片内侧，挡水片的面积等于蓄水仓内壁面积的一半，且挡在蓄水仓位于固定框架内部的一侧，保证射流喷嘴只在离开固定框架后才工作，避免射流对导流通道内流场的扰动。

所述第一长方体的底面为半网状板，所述半网状板的前端至仿蟹螯式射流臂长度范围内为实心板，半网状板的后半部分即自实心板尾端至附壁喷嘴向下投影位置范围内为镂空网状板，网眼直径小于结核的平均最小直径，半网状板便于将进入集矿头中的多金属结核附带的泥土除去。

所述第一长方体与第二长方体连接处设有附壁喷头，附壁喷头固定在连接处顶面，附壁喷头为筒状、连接至外部水泵提供射流动力且其前后两侧均有支撑杆固定，附壁喷头朝内布置一排朝向输送通道方向的喷嘴口，连接处顶面开有与喷嘴口匹配的圆形通孔，附壁喷头利用水力将多金属结核通过输送通道输送上去。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种仿蟹螯式深海采矿集矿头，巧妙利用水力举升和仿生机械运动，实现多金属结核的高效稳定采集，本集矿头结构简单、设计合理，有效规避了现有集矿头对海底环境的破坏。

附图说明

图1是集矿头的结构示意图；

图2是旋转射流扬矿装置的工作示意图；

图3是仿蟹螯式射流臂的结构示意图；

图4是仿蟹螯式射流臂的俯视图；

图5是前臂的剖面示意图；

图6是中心控制器的结构示意图；

图7是集矿头俯视图；

其中，1.旋转射流扬矿装置；11.仿蟹螯式射流臂；111.前臂；112.后臂；113.送水管；12.中心控制器；121.电动机；122.蓄水仓；123.导水管；124.转子；125.定子；126.导水孔；127.挡水片；13.射流喷嘴；14.吊杆；2.导流通道；21.附壁喷头；22.支撑杆；23.半网状板；24.挡板；25.清洁喷嘴；3.输送通道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图7所示，仿蟹螯式深海采矿集矿头，包括旋转射流扬矿装置1、导流通道2和输送通道3，导流通道2和输送通道3分别为两个前后敞口的空心长方体，且导流通道2和输送通道3前后拼接为一体呈L型，导流通道2为横向的第一长方体、输送通道3为倾斜向上的第二长方体、且第一长方体的尾端和第二长方体的首端连接成一体，第一长方体的底面为半网状板23，半网状板23的前端至仿蟹螯式射流臂11长度范围内为实心板，半网状板23的后半部分即自实心板尾端至附壁喷嘴向下投影位置范围内为镂空网状板，网眼直径小于结核的平均最小直径，半网状板23便于将进入集矿头中的多金属结核附带的泥土除去。第一长方体与第二长方体连接处设有附壁喷头21，附壁喷头21固定在连接处顶面，附壁喷头21为筒状、连接至外部水泵提供射流动力且其前后两侧均有支撑杆22固定，附壁喷头21朝内布置一排朝向输送通道3方向的喷嘴口，连接处顶面开有与喷嘴口匹配的圆形通孔，附壁喷头21利用水力将多金属结核通过输送通道3输送上去。

旋转射流扬矿装置1固定在第一长方体的首端，旋转射流扬矿装置1包括固定框架和固定在固定框架前侧面的一对扬矿机构，固定框架为前后敞口的空心长方体，且固定框架的尾端与第一长方体首端完全相同并连接成一体、首端的截面面积比尾端的截面面积大1/4-1/2，固定框架的左右侧面自首端至尾端均呈漏斗状圆滑收拢。固定框架底面前端固定有L型挡板24，挡板24与固定框架同宽且挡板24竖向顶端固定在固定框架底面前端、另一端向固定框架尾端延伸并超过第一长方体和第二长方体连接竖向投影，挡板24竖向部分设有多个横向设置的清洁喷嘴25，清洁喷嘴25的尾端固定在挡板24竖向部分、首端朝向固定框架的尾端。

一对扬矿机构完全相同且沿固定框架的竖向中轴线对称设置，每个扬矿机构均包括四只仿蟹螯式射流臂11、中心控制器12和吊杆14；吊杆14的顶端固定在固定框架顶面的内侧前端、底端通过多根均匀分布的连接杆与中心控制器12固定连接；中心控制器12包括圆柱形蓄水仓122和固定在蓄水仓122顶面的电动机121，电动机121的转子124和定子125竖向同轴设置，定子125为圆筒形，转子124嵌入定子125空腔中的圆柱形，转子124的底面固定在蓄水仓122的顶面处且转子124与蓄水仓122同轴设置，连接杆的底端固定在定子125的顶面处、连接杆的顶端固定在吊杆14的底面处；四只仿蟹螯式射流臂11呈风车扇叶状均匀分布在蓄水仓122的侧面。仿蟹螯式射流臂11分为前臂111和后臂112，前臂111为前窄后宽的空心三棱柱，后臂112为截面与前臂111尾端截面相同的空心三棱柱，前臂111的前端封闭、尾端敞口且与后臂112的首端固定为一体，后臂112的尾端固定在蓄水仓122的侧面；前臂111和后臂112的截面均为高所在的直线竖向设置的等腰三角形，且前臂111和后臂112自延伸方向之间呈120°-150°角，且前臂111弯折向仿蟹螯式射流臂11的旋转方向。前臂111底面均匀分布有若干射流喷嘴13，前臂111底面处开有与射流喷嘴13对应的圆形通孔，射流喷嘴13的射流中心线斜向下与前臂111底面呈45°夹角，且射流喷嘴13倾斜向前臂111的旋转方向。射流喷嘴13处设有软管，各软管汇集至仿蟹螯式射流臂11的空腔中的送水管113处，送水管113的尾端连接至蓄水仓122处，蓄水仓122处开有与送水管113对应的圆形导水孔126；蓄水仓122顶面圆心处也开有圆形通孔、此通孔处固定有竖向设置的导水管123，导水管123依次贯穿电动机121的转子124和吊杆14并连接至外部水泵处。蓄水仓122内部装有挡水片127，挡水片127呈弧形且紧贴蓄水仓122内壁设置，挡水片127内侧通过两根挡水片127连接杆与导水管123固定，挡水片127连接杆的一端固定在导水管123侧面底端、另一端固定在挡水片127内侧，挡水片127的面积等于蓄水仓122内壁面积的一半，且挡在蓄水仓122位于固定框架内部的一侧，保证射流喷嘴13只在离开固定框架后才工作，避免射流对导流通道2内流场的扰动。

具体使用时，将装置布设在待采集区域，将外部水泵连接至装置各射流部位，开启装置，此时电动机121带动蓄水仓122和仿蟹螯式射流臂11一起转动，蓄水仓122内的挡水板127使伸出固定框架的仿蟹螯式射流臂11处的射流喷嘴13喷射水流，激起海底的多金属结核，并在装置向前行进过程中将多金属结核收集至导流通道2内，第一长方体的底面半网状板23对多金属结核进行筛分，利用挡板24处固定的清洁喷嘴25射出的水流，将泥土沿网状孔洗脱，并利用水力将多金属结核向输送通道3运输，此时附壁喷头21喷射水流，同样利用水力将多金属结核沿输送通道3输送至收集装置处。

本装置多处巧妙利用水力举升和仿生机械运动，实现多金属结核的高效稳定采集，同时本集矿头结构简单、设计合理，有效规避了现有集矿头对海底环境的破坏。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。