自行式海底作业车的研究

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1、第16卷第4期海洋技术Vol.16,No.41997年12月OCEANTECHNOLOGYDec,1997自行式海底作业车的研究王明和简曲陈新明(中国有色金属工业总公司长沙矿山研究院410012)摘要理论分析和试验研究是本文写作基础,它详细地总结了为大洋多金属结核资源开发而研究自行式海底作业车取得的中期成果,它对我国大洋采矿和其它海底工程车辆的发展有着重要的文献价值和指导意义。关键词大洋采矿海底作业车履带底盘1前言当今人类社会生存与发展面临的三大问题是人口、资源与环境。随着世界人口的不断增长,陆地资源日渐短缺,人们不得不把目光转向海洋,开发大洋矿产资源已经成为

2、世界各国发展的战略目标。在世界大洋表层蕴藏着极其丰富的多金属结核矿产资源,其中富集有铜、钴、镍、锰等多金属元素。海底作业车加装采矿装置构成集矿机,它除了要适应于水深4800～5300m海底恶劣环境外,还需适应于海底地形地貌的变化,其好坏直接关系到大洋采矿成败。海底作业车的研究核心问题就是要在剪切强度极低的软海底上行走,满足承载能力高、牵引力大、压陷深度小、搅动海底轻的要求。2分析与研究2.1作业的原始条件(1)海流:表面流以东向流为主,平均流速0.4～0.6m/s,最大1.7m/s,属赤道逆流。底层流的流向主要取决于地形,以向西北流最多,流速为0.01～0.1

3、m/s,局部地区流动状态受地形和海潮影响。海底水温为1°～2℃,因此海流对采矿作业不会带来大的影响。(2)海底地貌:矿区总体走向与南北两条断裂带大致平行,地势较平坦,高差一般为50～*国家长远攻关,中国大洋协会资助项目,参加研究工作的还有李力、高宇清等同志*收稿日期:1997-03-27第4期自行式海底作业车的研究45100m,大部分属海底丘陵。其中分布有少数海山。山顶水深一般为4500m,海山高差100～300m,可采区平均坡度<5°,局部地段存在断层、悬崖和高达10m的礁石和能陷入机器的坑穴。(3)海底表层沉积物:沉积物主要以硅质粘土和硅质软泥为主,沉积物

4、厚度为100～3200m,局部达300m以上。沉积物密度为1.2～1.3t/m,粒径为0.001～0.1mm。含水率高,海底沉积层0～15cm深处含水率为500%～220%,深度超过15cm时保持在220%左右。相应深度处的抗剪强度为0～10kPa。2.2行走方式的选择在过去30年间,国际上为适应深海采矿已开发和试验了的海底作业车行走方式主要有拖曳式、螺旋桨式、阿基米德螺旋式和履带自行式四大类型(图1)。图1(1)拖曳式:由海面采矿船钢绳牵引,结构简单,对海底扰动和破坏小,但不便控制,避障困难,不能准确的按预定的开采路线行走,采集效率低,回采损失大。(2)螺旋

5、桨式:结构简单,但牵引力小,能耗大,对海底破坏严重,甚至将邻近采集路径内的结核矿石吹走或埋入沉积层内,不能适应大洋采矿和环境保护要求。(3)阿基米德螺旋式:结构较简单,但螺旋线凹槽易被沉积物敷住,行走打滑严重,转弯更困难,与地面接触小,承载能力低,对海底搅动较大。(4)履带自行式:牵引力大,承载能力高,跨越或绕过海底障碍容易,对海底扰动较小,操纵性和可行驶性机构能很好地满足软海底作业要求。综上分析,选择履带自行式为研究方向。2.3作业车基本参数确定(1)接地比压:它是作业车行驶性的重要指标,它取决于沉积物的承压强度。根据目前所掌握的海底表层沉积物力学性质测定数

6、据分析表明,海底表层以下10～15cm处剪切强度急剧增加,从3.5kPa上升到10kPa,超过15cm以后有一段平稳值(图2)。因此,为了充分利用这一层沉积物支承作业车,压陷深度定在15cm,甚至再深些。沉积物最大承压强度可由剪切强度乘以搅动系数近似估定。按搅动程度为25%,搅动系数为0.7,则15～20cm处承压强度近似为7kPa。如果考虑履带压实作用,承压强度还会有所增加。故试验中取海底沉积物承压强度7kPa为计算基础。因此,设计的作业车应满足:W≤7kPa⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)2bL46海洋技术第16卷式中:W-车辆重力,kN;b-履带宽度

7、,m;L-履带接地长度,m。由公式知机重对可行驶性影响极大,应尽量降低。(2)行走速度:它是影响采矿效率的重要因素。根据国外所做试验,在结核矿石粒径分布均匀条件下,进行速度Vc≤1m/s时,采矿效率最高;当Vc>1m/s时,牵引力随Vc的提高而明显增大。同时,作业车行进速度还受采矿船拖曳提升管道系统航速的限制。70年代太平洋海域中试时,由于对其系统运动的水力动力学了解不够,采取不超过2km/h(0.55m/s)的谨慎集矿航速。因此,试验选定作业车行进速度约0.5～0.8m/s,无级调速。(3)最大牵引力:在车辆作用下由地面发生变形而产生的最大牵引力FHmax是

8、由土壤的抗剪强度所决定。根据库伦定律: