CN107328601B - 一种海底表面固体矿物取样装置及取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底表面固体矿物取样装置及取样方法。所述取样装置包括主体架、轨道车、破碎采集装置、牵引装置、声学成像系统和液压系统。主体架是整个取样装置的结构主体，取样装置的所有相关零部件都安装固定在主体架上。破碎采集装置通过牵引座安装在破碎采集装置轨道车上，声学成像系统安装在声学基阵轨道车上，二者在液压系统驱动下，在主体架上配合作业，实现微地形引导破碎采集装置的自适应取样作业。本发明的海底表面固体矿物取样装置，利用声学成像原理构建铣挖区域地形图，根据地形数据，自动调整铣挖头升降，并采用铣挖头与泵吸一体化的设计提高矿物收集效率。

Description

一种海底表面固体矿物取样装置及取样方法

技术领域

本发明涉及海底采矿技术领域，尤其涉及一种海底表面固体矿物取样装置及取样方法。

背景技术

随着陆地矿产资源的日益枯竭，海洋资源越来越受到各国的重视，占地球表面71％的海洋蕴藏着丰富的矿产资源，是世界矿产资源的重要储备，现已探明具有商业开采价值的海洋矿产资源主要有多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等，富钴结壳与多金属硫化物大多附着于海底表面，并一般依微地形起伏，在其底下为基岩，对这两种矿物进行取样时首先要对其进行铣挖破碎，然后利用采集机构进行采集，对其破碎一般采用铣刨鼔，采集多用水力采集，常用的采集工具为泥浆泵。经过破碎和采集后的矿物被存入取样装置的料箱当中，随取样装置回收至科考船甲板。

海底固体矿物取样装置因矿物微地形复杂，在铣挖破碎过程中容易出现铣挖阻力时大时小的情况，铣挖阻力瞬时增大，容易将铣挖马达逼停。另一方面，对破碎后散落在海底表面的矿物进行采集主要由机械式采集和水力式采集。现主流用的最多的采集方式是水力采集，但通过水泵进行采集时，由于被采集矿物相对静止在海底表面，不利于水泵抽吸采集，采集效率低下。这两个方面是制约海底表面矿物取样装置取样效率的重要因素。

综上所述，现有的海底固体矿物取样装置对地形适应能力差和铣挖头或铣刨鼓在铣挖破碎过程中容易出现卡死，成了本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种海底表面固体矿物取样装置及取样方法，旨在解决现有海底固体矿物取样装置存在地形适应能力差和铣挖头或铣刨鼓在铣挖破碎过程中容易出现卡死的现象。

为了实现上述目的，本发明提供一种海底表面固体矿物取样装置，所述海底表面固体矿物取样装置包括主体架、轨道车、破碎采集装置、牵引装置、声学成像系统和液压系统，

所述主体架是整个取样装置的结构主体，用于安装所述轨道车、所述破碎采集装置、所述牵引装置、所述声学成像系统和所述液压系统，

所述轨道车安装在所述主体架上，包括用于安装所述声学成像系统的声学基阵轨道车和用于安装所述破碎采集装置的破碎采集装置轨道车，

所述破碎采集装置在所述液压系统的驱动下，通过牵引装置的牵引，以及所述轨道车的导引，进行破碎采集作业，所述声学成像系统与破碎采集装置相配合扫描出取样装置底下的微地形，反馈信息到所述破碎采集装置，通过所述牵引装置调节水平位移和通过位移油缸调节升降位移实现自适应地形的海底表面固体矿物取样。

优选地，所述破碎采集装置包括上下两部分，所述破碎采集装置上部有渣浆泵和料箱，所述渣浆泵上安装有泵吸马达，所述渣浆泵通过输料管与所述料箱连通，所述料箱上配合有料箱盖，

所述破碎采集装置下部有铣挖滚筒和铣挖马达，所述铣挖滚筒为圆柱形，有铣挖刀具均匀分布于所述铣挖滚筒表面，所述铣挖滚筒与所述铣挖马达相连，安装在集料罩上，所述铣挖滚筒的一半在所述集料罩内，另一半露在所述集料罩外面，所述集料罩顶部与所述渣浆泵的进口相连，在所述集料罩的两边固定有牵引座，牵引座用于与位移油缸相连接，所述位移油缸与所述轨道车相连，用于控制所述破碎采集装置运动。

优选地，所述铣挖刀具呈螺旋状分布于所述铣挖滚筒表面。

优选地，所述液压系统包括液压站和阀箱，所述液压站的动力液流经过所述阀箱后通往取样装置的各个油缸和液压马达，驱动取样装置作业机构作业。

优选地，所述牵引装置包括钢丝绳、定滑轮、钢丝盘和两个液压马达，所述钢丝绳的一端与所述轨道车相连，另一端绕过所述定滑轮后与所述钢丝盘相连，所述钢丝盘由所述液压马达驱动旋转。

优选地，所述牵引装置的数量为两套，所述两套牵引装置的钢丝绳、定滑轮、钢丝盘、液压马达均呈两端对称布置，两侧所述液压马达为进出油口反接串联形式，即出口相连，所述液压马达的进油口分别接在所述阀箱上。

优选地，所述声学成像系统包括安装在所述轨道车上的声学基阵和安装在电子仓内部控制基阵的基阵控制器，所述声学基阵与所述位移油缸相连接，所述位移油缸安装在所述轨道车上。

优选地，所述海底表面固体矿物取样装置还包括监控系统，所述监控系统包括视频监视组件和控制组件，在所述主体架上安装有若干灯和摄像头，用于观测取样装置在海底的工作情况。

优选地，所述主体架顶部设置有与海洋装备专用承重头相连的连接接口。

为了实现上述目的，本发明提供一种前述的海底表面固体矿物取样装置的取样方法，包括如下步骤：

科考船通过绞车将取样装置下放至海底指定位置后，打开取样装置监控系统，上高压电，启动液压系统，取样装置开始作业；

利用位移油缸使声学基阵处于最高位置，启动声学基阵控制器，在牵引装置的作用下，声学基阵开始在水平方向上缓慢移动，扫描出取样装置底下的微地形；

当声学基阵轨道车到达终点时停止运动，此时已形成微地形信息，参照所形成的微地形信息，使声学基阵在位移油缸的作用下，下降一个合适的高度，再次启动牵引装置，使声学基阵返回至原来位置，再形成一次微地形信息，依照两次的微地形信息形成微地形地图；

然后启动破碎采集装置，在牵引装置的作用下破碎采集装置在破碎采集装置轨道车上沿轨道水平移动，进行破碎采集作业，依照声学系统形成的地形图，通过位移油缸控制铣挖高度，使整个铣挖过程保持稳定的破碎铣削深度；

在牵引装置的作用下来回铣削破碎作业，直至铣挖马达的作业压力明显增大时，表明已经铣削至基岩层，停止取样作业。

本发明的海底表面固体矿物取样装置及取样方法，利用声学成像原理构建铣挖区域地形图，根据地形数据，自动调整铣挖头升降，并采用铣挖头与泵吸一体化的设计能够有效提高矿物收集效率。

附图说明

图1为本发明海底表面固体矿物取样装置一实施例的结构图；

图2为图1所示海底表面固体矿物取样装置的破碎采集装置的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1和图2所示，本发明的一种具体实施方式为一种海底表面固体矿物取样装置，包括主体架1、声学基阵轨道车4、破碎采集装置轨道车5、破碎采集装置3、牵引装置、声学成像系统和液压系统。

主体架1是海底表面固体矿物取样装置的结构主体，取样装置的所有相关零部件都安装在主体架1上，主体架1顶部设置有与海洋装备专用承重头相连的连接接口101。在取样装置上有两个轨道车，即破碎采集装置轨道车5和声学基阵轨道车4，其中，破碎采集装置轨道车5用于移动破碎采集装置3，声学基阵轨道车4用于移动声学基阵14。两个轨道车为双边安装有与取样装置轨道相配合的轮子，并可以沿取样装置轨道来回移动的装置。轨道车上设置有位移传感器6，可以测出轨道车在水平方向上的位置信息，位置信息用于建立微地形的位置坐标。

破碎采集装置3是整个取样装置的核心部件，破碎采集装置3完成对矿物的破碎与收集，破碎采集装置3包括上下两部分，其上部有渣浆泵35和料箱32，渣浆泵35上安装有泵吸马达33，渣浆泵35通过输料管34与料箱32连通，料箱32上配合有料箱盖31。破碎采集装置3下部有铣挖滚筒39、铣挖马达38、集料罩37和牵引座36。其中铣挖滚筒39为圆柱形桶，在铣挖滚筒39的桶型表面上分布着用于铣削破碎矿物的铣挖刀具40，铣挖刀具40螺旋状均匀分布于铣挖滚筒39的表面。铣挖滚筒39与铣挖马达38相连，铣挖马达38带动铣挖滚筒39旋转，进行铣挖作业，铣挖马达38和铣挖滚筒39都安装在集料罩37上，铣挖滚筒39的一半在集料罩37内，另一半露在集料罩37外面。集料罩37顶部与渣浆泵35的进口相连，渣浆泵35由其顶部的泵吸马达33驱动。集料罩37除了用来安装铣挖马达38和铣挖滚筒39之外还有吸料的功能，在铣挖的过程中被甩起来的料在泥浆泵和渣浆泵35的共同作用下被顺利抽吸至料箱32当中。牵引座36固定在集料罩37的两边，牵引座36与位移油缸相12连接，用于控制破碎采集装置3的上下运动。位移油缸12与破碎采集装置轨道车5相连，带动破碎采集装置3沿取样装置的轨道水平移动。料箱32上配合有料箱盖31，料箱盖31为镂空状不锈钢网，便于海水排出。

声学成像系统包括安装在声学基阵轨道车4上的声学基阵14和安装在电子仓8内用于控制基阵的基阵控制器。声学基阵14与声学基阵轨道车4上的位移油缸12相连接，位移油缸12能使声学基阵14上下移动，声学基阵轨道车4使声学基阵14水平移动。基阵控制器能与电子仓8的通讯总线进行通讯，并可将信息传至科考船甲板上位机，在上位机上对声学信息进行处理形成微地形图。

液压系统包括液压站2和阀箱15。液压站2的动力液流经过阀箱15后通往取样装置的各个油缸和液压马达7，驱动取样装置作业机构作业。取样装置上的所有马达均由液压驱动。

牵引装置主要用于驱动两套轨道车水平移动，与两套轨道车相适应，取样装置有两套独立的牵引装置，一套用于驱动声学基阵轨道车4运动，一套用于驱动破碎采集装置轨道车5运动。牵引装置包括钢丝绳9、定滑轮10、钢丝盘11和液压马达7，钢丝盘11与液压马达7连接，并由液压马达7驱动钢丝盘11旋转。钢丝绳9的一端与轨道车相连，另一端绕过定滑轮10后与钢丝盘11相连。两套牵引装置的钢丝绳9、定滑轮10、钢丝盘11、液压马达7均两端对称布置，两侧液压马达7为进出油口反接串联形式，即两液压马达7的出口相连，两液压马达7的进油口分别接在阀箱15的控制口上。这样保证其中一个液压马达7正转时，另一个液压马达7反转，并保持两液压马达7转速一致。

监控系统包括视频监视组件和控制组件。在取样装置的主体架1上安装有若干灯和摄像头，用于观测取样装置在海底的工作情况，摄像头信号经过电子仓8内的光端机将摄像头信号转变成光信号并传输至科考船甲板上位机，这一部分成为视频监视组件。控制组件包括电子仓8内的控制器和通讯模块，科考船甲板上位机控制信号通过光纤传至电子仓8内的通讯模块控制电子仓8内控制器，控制器再控制液压系统上的电磁阀从而控制取样装置的所有作业动作。

本实施例中，海底表面固体矿物取样装置的取样方法如下：

科考船通过绞车将取样装置下放至海底指定位置后，打开取样装置监控系统，上高压电，启动液压系统，取样装置开始作业；

利用位移油缸12使声学基阵14处于最高位置，启动声学基阵控制器，在牵引装置的作用下，声学基阵14开始在水平方向上缓慢移动，扫描出取样装置底下的微地形；

当声学基阵轨道车4到达终点时停止运动，此时已形成微地形信息，参照所形成的微地形信息，使声学基阵14在位移油缸12的作用下，下降一个合适的高度，再次启动牵引装置，使声学基阵14返回至原来位置，再形成一次微地形信息，依照两次的微地形信息形成微地形地图；

然后启动破碎采集装置3，在牵引装置的作用下破碎采集装置3在破碎采集装置轨道车5上沿轨道13水平移动，进行破碎采集作业，依照声学系统形成的地形图，通过位移油缸12控制铣挖高度，使整个铣挖过程保持稳定的破碎铣削深度，有效防止铣挖马达卡死现象的发生，提高作业效率；

在牵引装置的作用下来回铣削破碎作业，直至铣挖马达的作业压力明显增大时，表明已经铣削至基岩层，停止取样作业；

作业完成后，切断动力电源，回收取样装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海底表面固体矿物取样装置，其特征在于，所述海底表面固体矿物取样装置包括主体架、轨道车、破碎采集装置、牵引装置、声学成像系统和液压系统，所述主体架是整个取样装置的结构主体，用于安装所述轨道车、所述破碎采集装置、所述牵引装置、所述声学成像系统和所述液压系统，所述轨道车安装在所述主体架上，包括用于安装所述声学成像系统的声学基阵轨道车和用于安装所述破碎采集装置的破碎采集装置轨道车，所述破碎采集装置在所述液压系统的驱动下，通过牵引装置的牵引，以及所述轨道车的导引，进行破碎采集作业，所述声学成像系统与破碎采集装置相配合扫描出取样装置底下的微地形，反馈信息到所述破碎采集装置，通过所述牵引装置调节水平位移和通过位移油缸调节升降位移实现自适应地形的海底表面固体矿物取样；

所述声学成像系统与破碎采集装置相配合扫描出取样装置底下的微地形包括：

利用位移油缸使声学基阵处于最高位置，启动声学基阵控制器，在牵引装置的作用下，声学基阵开始在水平方向上缓慢移动，扫描出取样装置底下的微地形；

当声学基阵轨道车到达终点时停止运动，此时已形成微地形信息，参照所形成的微地形信息，使声学基阵在位移油缸的作用下，下降一个合适的高度，再次启动牵引装置，使声学基阵返回至原来位置，再形成一次微地形信息，依照两次的微地形信息形成微地形地图；

所述破碎采集装置包括上下两部分，所述破碎采集装置上部有渣浆泵和料箱，所述渣浆泵上安装有泵吸马达，所述渣浆泵通过输料管与所述料箱连通，所述料箱上配合有料箱盖，所述破碎采集装置下部有铣挖滚筒和铣挖马达，所述铣挖滚筒为圆柱形，有铣挖刀具均匀分布于所述铣挖滚筒表面，所述铣挖滚筒与所述铣挖马达相连，安装在集料罩上，所述铣挖滚筒的一半在所述集料罩内，另一半露在所述集料罩外面，所述集料罩顶部与所述渣浆泵的进口相连，在所述集料罩的两边固定有牵引座，牵引座用于与位移油缸相连接，所述位移油缸与所述轨道车相连，用于控制所述破碎采集装置运动；

所述液压系统包括液压站和阀箱，所述液压站的动力液流经过所述阀箱后通往取样装置的各个油缸和液压马达，驱动取样装置作业机构作业；

所述海底表面固体矿物取样装置还包括监控系统，所述监控系统包括视频监视组件和控制组件，在所述主体架上安装有若干灯和摄像头，用于观测取样装置在海底的工作情况。

2.根据权利要求1所述的海底表面固体矿物取样装置，其特征在于，所述铣挖刀具呈螺旋状分布于所述铣挖滚筒表面。

3.根据权利要求1所述的海底表面固体矿物取样装置，其特征在于，所述牵引装置包括钢丝绳、定滑轮、钢丝盘和两个液压马达，所述钢丝绳的一端与所述轨道车相连，另一端绕过所述定滑轮后与所述钢丝盘相连，所述钢丝盘由所述液压马达驱动旋转。

4.根据权利要求3所述的海底表面固体矿物取样装置，其特征在于，所述牵引装置的数量为两套，所述两套牵引装置的钢丝绳、定滑轮、钢丝盘、液压马达均呈两端对称布置，两侧所述液压马达为进出油口反接串联形式，即出口相连，所述液压马达的进油口分别接在所述阀箱上。

5.根据权利要求4所述的海底表面固体矿物取样装置，其特征在于，所述声学成像系统包括安装在所述轨道车上的声学基阵和安装在电子仓内部控制基阵的基阵控制器，所述声学基阵与所述位移油缸相连接，所述位移油缸安装在所述轨道车上。

6.根据权利要求1所述的海底表面固体矿物取样装置，其特征在于，所述主体架顶部设置有与海洋装备专用承重头相连的连接接口。

7.一种根据权利要求1至6项中任意一项所述的海底表面固体矿物取样装置的取样方法，包括如下步骤：

科考船通过绞车将取样装置下放至海底指定位置后，打开取样装置监控系统，上高压电，启动液压系统，取样装置开始作业；

利用位移油缸使声学基阵处于最高位置，启动声学基阵控制器，在牵引装置的作用下，声学基阵开始在水平方向上缓慢移动，扫描出取样装置底下的微地形；

当声学基阵轨道车到达终点时停止运动，此时已形成微地形信息，参照所形成的微地形信息，使声学基阵在位移油缸的作用下，下降一个合适的高度，再次启动牵引装置，使声学基阵返回至原来位置，再形成一次微地形信息，依照两次的微地形信息形成微地形地图；

然后启动破碎采集装置，在牵引装置的作用下破碎采集装置在破碎采集装置轨道车上沿轨道水平移动，进行破碎采集作业，依照声学系统形成的地形图，通过位移油缸控制铣挖高度，使整个铣挖过程保持稳定的破碎铣削深度；

在牵引装置的作用下来回铣削破碎作业，直至铣挖马达的作业压力明显增大时，表明已经铣削至基岩层，停止取样作业。