CN104895569B - 一种水力式采集机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力式采集机构，包括海底采矿车、采集输送管道和分离装置，采集输送管道的前端设有吸入口，分离装置与采集输送管道的后端输出口相连，吸入口的前后两侧均设有扰动喷嘴，采集输送管道内设有用于喷出输送水流的输送喷嘴，采集输送管道通过地形自适应补偿装置上下浮动的安装于海底采矿车上，采集输送管道上还设有将其支承在海底沉积物表面的滑板，滑板位于吸入口下方并与吸入口在竖直方向上留有间距。本发明具有采集效率高、工作稳定可靠、环境扰动小、能够自适应海底地形环境和地质环境等优点。

Description

一种水力式采集机构

技术领域

本发明涉及海底工程作业设备技术领域，具体涉及一种适用于海底多金属结合采集的水力式采集机构。

背景技术

锰结核主要赋存于水深3000～6000m、承载能力和抗剪强度很低的海底沉积物表层，沉积物厚度达百米乃至数百米。据初步调查估计，总储量约3万亿吨，其中有工业开采价值的储量约700亿吨，而且每年还以约1000万吨的速率增长。深海锰结核开采是一个高新技术密集的领域，其开采系统是一个庞大复杂的系统工程，集矿和扬矿是开采系统的核心技术和关键组成部分。

水力式采集机构以其结构简单、工作可靠、采集效率高、对沉积物扰动小等特点，被认为具有良好的工业应用前景而日益受到重视，国内科研院所已经着手研究这类采集机构，例如长沙矿冶研究院在1996年申请的专利号为96118206中国发明专利公开了一种大洋多金属结核水力式采集机构，它是利用输送通道内喷射的高速射流带动周围液体流动，使输送通道内形成大流量高速液体流，并在随动采集通道吸入口处形成负压，对锰结核进行抽吸采集。随动采集通道吸入口两端采用扰动喷嘴，使结核在随动采集通道吸入口区域内扬起，便于随动采集通道吸入口的吸入。在海底地形变化和沉积物剪切强度变化较大时，该机构不能很好的维持其随动采集通道吸入口高度，存在采集效率不高和吸入沉积物较多等不足；输送喷嘴口位于采集输送通道的上部，造成采集输送通道的下部形成低速区，造成体积较大的结核在采集吸入口堆积，形成堵塞或无法高效输送。

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，提供一种采集效率高、工作稳定可靠、环境扰动小、能够自适应海底地形环境和地质环境的水力式采集机构。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种水力式采集机构，包括海底采矿车、采集输送管道和分离装置，所述采集输送管道的前端设有吸入口，所述分离装置与所述采集输送管道的后端输出口相连，所述吸入口的前后两侧均设有扰动喷嘴，所述采集输送管道内设有用于喷出输送水流的输送喷嘴，所述采集输送管道通过地形自适应补偿装置上下浮动的安装于海底采矿车上，所述采集输送管道上还设有将其支承在海底沉积物表面的滑板，所述滑板位于所述吸入口下方并与吸入口在竖直方向上留有间距。

上述的水力式采集机构，优选的，所述海底采矿车上安装有用于驱使采集输送管道升降运动的升降装置。

上述的水力式采集机构，优选的，所述升降装置包括伸缩油缸、交叉杆升降机构和用于控制伸缩油缸工作的油缸控制阀组，所述采集输送管道通过交叉杆升降机构安装于海底采矿车上，所述伸缩油缸的伸缩杆与交叉杆升降机构相连；所述油缸控制阀组使伸缩油缸具有四个工作状态，第一个工作状态为使伸缩油缸的有杆腔和无杆腔连通，第二个工作状态为使伸缩油缸的有杆腔和无杆腔均断开，第三个工作状态为使伸缩油缸的有杆腔进油、无杆腔回油，第四个工作状态为使伸缩油缸的无杆腔进油、有杆腔回油。

上述的水力式采集机构，优选的，所述油缸控制阀组包括电控通断阀和中位为U型的电控三位四通换向阀，所述电控三位四通换向阀的进油口和出油口分别连接压力油源和油箱，所述电控三位四通换向阀的一个工作油口与伸缩油缸的无杆腔相连，另一个工作油口通过电控通断阀与伸缩油缸的无杆腔相连；所述交叉杆升降机构包括两根中部相互铰接的升降杆，所述交叉杆升降机构一侧的两根升降杆的端部分别与海底采矿车和采集输送管道铰接，所述交叉杆升降机构另一侧的两根升降杆的端部分别与海底采矿车和采集输送管道滑动连接，所述伸缩油缸的伸缩杆与其中一根升降杆滑动连接的端部铰接。

上述的水力式采集机构，优选的，所述伸缩油缸的伸缩杆上套设有一阻碍其缩入运动的伸缩弹簧，所述伸缩油缸、交叉杆升降机构、油缸控制阀组和伸缩弹簧组合形成所述地形自适应补偿装置。

上述的水力式采集机构，优选的，所述采集输送管道的后端输出口依次通过柔性管道和固定输送管道与分离装置相连，所述固定输送管道固定安装于海底采矿车上；所述采集输送管道和固定输送管道为矩形管道，所述柔性管道为橡胶矩形管道，所述分离装置为排泥网仓。

上述的水力式采集机构，优选的，所述输送喷嘴的喷出口紧贴采集输送管道下侧壁的内侧设置，且喷出口的喷出方向与采集输送管道的输送方向相同。

所述采集输送管道由顶板、底板和两块侧板围合而成，所述底板靠近吸入口的一端设有螺旋板，所述螺旋板、底板和两块侧板围合形成所述输送喷嘴，所述螺旋板和两块侧板围合形成所述输送喷嘴的进水通道，所述侧板上开设有进水孔。

上述的水力式采集机构，优选的，所述吸入口前后两侧的扰动喷嘴分别固定安装于横向管道上并通过横向管道供水，各侧的横向管道可调整旋转角度的安装于采集输送管道上，且两侧的横向管道与同一根供水管相连；所述扰动喷嘴为楔形喷嘴。

上述的水力式采集机构，优选的，所述滑板设有两块，两块滑板分设于采集输送管道的吸入口的两侧，所述滑板呈船型。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的水力式采集机构，在采集输送管道通过地形自适应补偿装置上下浮动的安装于海底采矿车上，在采集输送管道的吸入口下方设有滑板，滑板支承在海底沉积物表面，使吸入口位于海底沉积物表面上方的一定高度，可保证吸入口处在扰动喷嘴和输送喷嘴作用下形成高速的扰动流和输送流，提高采集效率；同时采集输送管道在海底采矿车上可随海底地形上下浮动，在海底采矿车随海底地形起伏而沉降振动时，使吸入口离海底沉积物表面始终保持在一定高度范围，因而水力式采集机构对海底地形和对海底底质的变化具有自适应性，能够保证采集的稳定可靠性，对环境扰动小。

附图说明

图1为本发明水力式采集机构的主视结构示意图。

图2为本发明水力式采集机构的局部俯视结构示意图。

图3为本发明中采集输送管道的局部剖视结构示意图。

图4为本发明中采集输送管道在输送喷嘴处的截面结构示意图。

图5为本发明中油缸控制阀组的液压原理图。

图例说明：

1、海底采矿车；2、采集输送管道；20、吸入口；21、顶板；22、侧板；23、底板；24、螺旋板；3、分离装置；4、扰动喷嘴；5、输送喷嘴；6、滑板；7、升降装置；71、伸缩油缸；72、交叉杆升降机构；73、电控通断阀；74、电控三位四通换向阀；75、压力油源；76、油箱；8、伸缩弹簧；9、柔性管道；10、固定输送管道；11、横向管道；12、供水管。

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和图2所示，本发明的水力式采集机构，包括海底采矿车1、采集输送管道2和分离装置3，采集输送管道2的前端设有吸入口20，吸入口20呈喇叭口型，利于矿物的采集。分离装置3与采集输送管道2的后端输出口相连，吸入口20的前后两侧均设有扰动喷嘴4，采集输送管道2内设有用于喷出输送水流的输送喷嘴5，采集输送管道2通过地形自适应补偿装置安装于海底采矿车1上，可相对于海底采矿车1上下浮动，采集输送管道2上还设有将其支承在海底沉积物表面的滑板6，滑板6位于吸入口20下方并与吸入口20在竖直方向上留有间距，本实施例中该间距为150mm。滑板6支承在海底沉积物表面，使吸入口20位于海底沉积物表面上方的一定高度，可保证吸入口20处在扰动喷嘴4和输送喷嘴5作用下形成高速的扰动流和输送流，提高采集效率；同时采集输送管道2在海底采矿车1上可随海底地形上下移动，在海底采矿车1随海底地形起伏而沉降振动时，使吸入口20离海底沉积物表面始终保持在一定高度范围，因而水力式采集机构对海底地形和对海底底质的变化具有自适应性，能够保证采集的稳定可靠性。

本实施例中，滑板6共设有两块，各滑板6均呈船型，利于在海底沉积物表面滑行，两块滑板6呈对称状分设于采集输送管道2的吸入口20的两侧，保证了对采集输送管道2的支承稳定性，同时避免了干扰吸入口20的采集工作。

本实施例中，海底采矿车1上安装有用于驱使采集输送管道2升降运动的升降装置7。升降装置7包括伸缩油缸71、交叉杆升降机构72和用于控制伸缩油缸71工作的油缸控制阀组，采集输送管道2通过交叉杆升降机构72安装于海底采矿车1上，伸缩油缸71的伸缩杆与交叉杆升降机构72相连；油缸控制阀组使伸缩油缸71具有四个工作状态，第一个工作状态为使伸缩油缸71的有杆腔和无杆腔连通，第二个工作状态为使伸缩油缸71的有杆腔和无杆腔均断开，第三个工作状态为使伸缩油缸71的有杆腔进油、无杆腔回油，第四个工作状态为使伸缩油缸71的无杆腔进油、有杆腔回油。

上述交叉杆升降机构72包括两根中部相互铰接的升降杆，交叉杆升降机构72一侧的两根升降杆的端部分别与海底采矿车1和采集输送管道2铰接，交叉杆升降机构72另一侧的两根升降杆的端部分别与海底采矿车1和采集输送管道2滑动连接，伸缩油缸71的伸缩杆与其中一根升降杆滑动连接的端部铰接，伸缩杆伸出时驱使交叉杆升降机构72上升运动，伸缩缸缩入时驱使交叉杆升降机构72下降运动。

本实施例中，伸缩油缸71的伸缩杆上套设有一阻碍其缩入运动的伸缩弹簧8，伸缩油缸71、交叉杆升降机构72、油缸控制阀组和伸缩弹簧8组合形成上述地形自适应补偿装置。伸缩弹簧8的一端与油缸缸体相抵，另一端与伸缩杆的球形头部相抵，从而可阻碍伸缩杆的缩入运动。

本实施例中，如图5所示，油缸控制阀组包括电控通断阀73和中位为U型的电控三位四通换向阀74，电控三位四通换向阀74的进油口和出油口分别连接压力油源75和油箱76，电控三位四通换向阀74的一个工作油口与伸缩油缸71的无杆腔相连，另一个工作油口通过电控通断阀73与伸缩油缸71的无杆腔相连。上述电控通断阀73和中位为U型的电控三位四通换向阀74均为现有技术，在此不再赘述。

当电控三位四通换向阀74不通电处在中位，且电控通断阀73开启将电控三位四通换向阀74与无杆腔之间的油路连通时(第一个工作状态)，伸缩油缸71的有杆腔和无杆腔连通，此时伸缩杆在外力作用下可以伸缩运动，而伸缩弹簧8的作用力与采集输送管道2和滑板6的重力基本达到平衡，从而使采集输送管道2可相对于海底采矿车1上下浮动，以适应海底地形的变化。同时，由于油缸内活塞面积比进出油管的截面积大，伸缩杆在做伸缩运动时油会受到挤压，对伸缩杆的伸缩运动形成阻尼作用，能有效降低海底采矿车1颠簸造成的震动；需要调整采集输送管道2的吸入口20高度时，电控通断阀73保持开启状态，电控三位四通换向阀74通电换向可将压力油源75的压力油通入无杆腔或有杆腔(第三和第四个工作状态)，伸缩油缸71的伸缩杆相应做伸缩运动，进而驱使采集输送管道2升降运动；调整采集输送管道2的吸入口20处于某一高度位置后，电控通断阀73断电将电控三位四通换向阀74与无杆腔之间的油路断开，同时电控三位四通换向阀74断电回到中位，此时有杆腔和无杆腔均处于断开状态(第二个工作状态)，其内的液压油被封闭，伸缩杆被锁止而不能做伸缩运动，进而使采集输送管道2也不能升降，该种情况用于用于水力式采集机构布放、回收和存放状态下，防止水力式采集机构晃动造成结构磨损或破坏。

本发明将地形自适应补偿装置和升降装置7结合为一体，通过控制电控通断阀73和电控三位四通换向阀74即可实现不同的工作状态，不仅使设备整体结构更加紧凑、制作成本更低，且操作控制也更加方便。在其他实施例中，地形自适应补偿装置和升降装置7也可以分别独立设置，例如地形自适应补偿装置可以是直接支撑采集输送管道2的弹性支撑机构。

本实施例中，采集输送管道2的后端输出口依次通过柔性管道9和固定输送管道10与分离装置3相连，固定输送管道10固定安装于海底采矿车1上；采集输送管道2和固定输送管道10为矩形管道，柔性管道9为橡胶矩形管道，也即整个矿物采集和输送的通道均呈矩形。分离装置3为排泥网仓。

本实施例中，如图1、图3和图4所示，输送喷嘴5的喷出口紧贴采集输送管道2下侧壁的内侧设置，喷出口沿整个采集输送管道2内腔的宽度方向延伸布设，且喷出口的喷出方向与采集输送管道2的输送方向相同，这样输送喷嘴5喷出的流体沿采集输送管道2下侧壁高速运动，可在距输送喷嘴5喷出口500mm后的采集输送管道2内形成均匀、高速、大体积的水流，能够降低水泵总流量和功率，提高采集效率，并降低能耗。上述采集输送管道2由顶板21、底板23和两块侧板22围合而成。底板23靠近吸入口20的一端设有螺旋板24，螺旋板24、底板23和两块侧板22围合形成输送喷嘴5，输送喷嘴5的喷出口的截面呈矩形，流道的截面面积沿喷出方向逐渐减小，也即输送喷嘴5的流道呈楔形。螺旋板24和两块侧板22围合形成输送喷嘴5的进水通道，一块侧板22上开设有进水孔，用于连接管路通入压力水。同时，顶板21靠近吸入口20的一端沿弧面向外侧弯曲延伸，形成吸入口20的一个弧面，螺旋板24的外壁则形成吸入口20的另一个弧面，这样吸入口20的截面呈沿吸入方向逐渐减小，利于锰结核的采集。上述顶板21、底板23、侧板22和螺旋板24均可采用钢板，相互之间封闭焊接。该种输送喷嘴5结构简单、制作方便、成本低。

上述输送喷嘴5的喷出口安装在采集输送管道2下侧壁的内侧，能在吸入口20至输送喷嘴5的喷出口后500mm的距离内形成沿采集输送管道2的下侧壁高速流动的输送流，由于锰结核在沉降过程中会沿着采集输送管道2的下侧壁向下滑动，而这股高速输送流正好沿着采集输送管道2的下侧壁向上流动，带动锰结核向上输送；如果输送喷嘴5的喷出口安装在采集输送管道2上侧壁的内侧，这股高速输送流沿着采集输送管道2的上侧壁向上流动，采集输送管道2的下侧壁附近的流速较低，则较大锰结核在沉降过程中会沿着采集输送管道2的下侧侧壁向吸入口20滑落，并在吸入口20区域内形成堵塞。所以本实施例中的安装位置是最佳安装方法，能有效提高锰结核的输送效率。

本实施例中，吸入口20前后两侧的扰动喷嘴4分别固定安装于横向管道11上，横向管道11的内腔与扰动喷嘴4连通进行供水，各侧的横向管道11可调整旋转角度的安装于采集输送管道2上，从而可调整扰动喷嘴4的喷出方向，便于调节达到最佳的扰动效果。两侧的横向管道11与同一根供水管12相连，采用一个供水源即可向两侧的横向管道11供水，该结构提高了结构的紧凑性，也降低了设备成本；扰动喷嘴4为楔形喷嘴，也即其流道的截面呈矩形，且流道的截面面积沿喷出方向逐渐减小，该扰动喷嘴4由两块相对设置的钢板和位于钢板两端的挡板连接围成，并直接焊接在横向管道11上，其制作方便、成本低。

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。

Claims (8)

1.一种水力式采集机构，包括海底采矿车(1)、采集输送管道(2)和分离装置(3)，所述采集输送管道(2)的前端设有吸入口(20)，所述分离装置(3)与所述采集输送管道(2)的后端输出口相连，所述吸入口(20)的前后两侧均设有扰动喷嘴(4)，所述采集输送管道(2)内设有用于喷出输送水流的输送喷嘴(5)，其特征在于：所述采集输送管道(2)通过地形自适应补偿装置上下浮动的安装于海底采矿车(1)上，所述采集输送管道(2)上还设有将其支承在海底沉积物表面的滑板(6)，所述滑板(6)位于所述吸入口(20)下方并与吸入口(20)在竖直方向上留有间距；所述海底采矿车(1)上安装有用于驱使采集输送管道(2)升降运动的升降装置(7)；所述升降装置(7)包括伸缩油缸(71)、交叉杆升降机构(72)和用于控制伸缩油缸(71)工作的油缸控制阀组，所述采集输送管道(2)通过交叉杆升降机构(72)安装于海底采矿车(1)上，所述伸缩油缸(71)的伸缩杆与交叉杆升降机构(72)相连；所述油缸控制阀组使伸缩油缸(71)具有四个工作状态，第一个工作状态为使伸缩油缸(71)的有杆腔和无杆腔连通，第二个工作状态为使伸缩油缸(71)的有杆腔和无杆腔均断开，第三个工作状态为使伸缩油缸(71)的有杆腔进油、无杆腔回油，第四个工作状态为使伸缩油缸(71)的无杆腔进油、有杆腔回油。

2.根据权利要求1所述的水力式采集机构，其特征在于：所述油缸控制阀组包括电控通断阀(73)和中位为U型的电控三位四通换向阀(74)，所述电控三位四通换向阀(74)的进油口和出油口分别连接压力油源(75)和油箱(76)，所述电控三位四通换向阀(74)的一个工作油口与伸缩油缸(71)的无杆腔相连，另一个工作油口通过电控通断阀(73)与伸缩油缸(71)的无杆腔相连；所述交叉杆升降机构(72)包括两根中部相互铰接的升降杆，所述交叉杆升降机构(72)一侧的两根升降杆的端部分别与海底采矿车(1)和采集输送管道(2)铰接，所述交叉杆升降机构(72)另一侧的两根升降杆的端部分别与海底采矿车(1)和采集输送管道(2)滑动连接，所述伸缩油缸(71)的伸缩杆与其中一根升降杆滑动连接的端部铰接。

3.根据权利要求1所述的水力式采集机构，其特征在于：所述伸缩油缸(71)的伸缩杆上套设有一阻碍其缩入运动的伸缩弹簧(8)，所述伸缩油缸(71)、交叉杆升降机构(72)、油缸控制阀组和伸缩弹簧(8)组合形成所述地形自适应补偿装置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的水力式采集机构，其特征在于：所述采集输送管道(2)的后端输出口依次通过柔性管道(9)和固定输送管道(10)与分离装置(3)相连，所述固定输送管道(10)固定安装于海底采矿车(1)上；所述采集输送管道(2)和固定输送管道(10)为矩形管道，所述柔性管道(9)为橡胶矩形管道，所述分离装置(3)为排泥网仓。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的水力式采集机构，其特征在于：所述输送喷嘴(5)的喷出口紧贴采集输送管道(2)下侧壁的内侧设置，且喷出口的喷出方向与采集输送管道(2)的输送方向相同。

6.根据权利要求5所述的水力式采集机构，其特征在于：所述采集输送管道(2)由顶板(21)、底板(23)和两块侧板(22)围合而成，所述底板(23)靠近吸入口(20)的一端设有螺旋板(24)，所述螺旋板(24)、底板(23)和两块侧板(22)围合形成所述输送喷嘴(5)，所述螺旋板(24)和两块侧板(22)围合形成所述输送喷嘴(5)的进水通道，所述侧板(22)上开设有进水孔。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的水力式采集机构，其特征在于：所述吸入口(20)前后两侧的扰动喷嘴(4)分别固定安装于横向管道(11)上并通过横向管道(11)供水，各侧的横向管道(11)可调整旋转角度的安装于采集输送管道(2)上，且两侧的横向管道(11)与同一根供水管(12)相连；所述扰动喷嘴(4)为楔形喷嘴。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的水力式采集机构，其特征在于：所述滑板(6)设有两块，两块滑板(6)分设于采集输送管道(2)的吸入口(20)的两侧，所述滑板(6)呈船型。