CN111411965A - 深海采矿坐底式接驳处理中心 - Google Patents

Abstract

本发明属于深海采矿设备技术领域，具体涉及深海采矿坐底式接驳处理中心。包括接驳室、多自由度平台和接驳装置，接驳装置设置在多自由度平台上，沿接驳室的周向间隔设置数个竖直隔板，将接驳室分为数个扇形的接驳空间，接驳空间内设有水平隔板，水平隔板将接驳空间分为废料库和新料库，废料库位于新料库的上方，接驳装置位于废料库和新料库之间，废料库和新料库之间相互间隔，接驳装置通过其上方的废料装载输送带与废料库连接，废料库底部的出口位于肥料装在输送带的上方，接驳室的顶端通过万向节和提矿立管连接，提矿立管内分别设置有新料上升通道和废料下沉通道。深海采矿坐底式接驳处理中心与深海采矿机器人配合，保证了深海采矿过程的稳定性。

Description

深海采矿坐底式接驳处理中心

技术领域

本发明属于深海采矿设备技术领域，具体涉及深海采矿坐底式接驳处理中心。

背景技术

1873年，英格兰环球科考船队，在南太平洋西南海底深处，发现了多金属结核矿物，使海底金属矿物第一次展现在人类的视野中。在20世纪60年代以前，人类对深海多金属结核的调查研究多为科学探索驱动，直到1978年，美国、比利时、意大利、德国等国的多家公司一起，在太平洋海底两次试采成功后，才激发人们开始关注深海采矿系统研究。至今，进行过深海采矿试验的装备共有拖斗式、连续链斗式、穿梭艇式和管道提升式四种类型。

拖斗式采矿系统(Submarine Drag Bucket Mining System)。于20世纪60年代，由美国提出，该系统包括采矿船、拖缆、铲斗三个部分，铲斗沉于海底，采矿船通过拖缆拖动铲斗在海底横向移动，进行集矿作业，集满后提升至船上卸载。这种采矿系统的采矿效率偏低，操作性较差，难以应用于大规模商业化开采。连续链斗式采矿系统(Continuous LineBucket Mining System)。于20世纪60年代，由日本提出，其工作原理是在提升系统(缆索)上每隔一段距离安装一个链斗，在缆绳带动下，链斗上下循环运转，将海底矿物提升至采矿船上。该采矿系统结构简单，设备制造和维护成本较低。海试表明，这种采矿系统作业效率虽有所提高，但只适用于平坦海底，且对缆索循环运转的稳定性要求较高。

穿梭艇式采矿系统(Shuttle Vessel Mining System)。于1972年，由法国提出，这种系统依靠穿梭艇进行海底矿物的采集与运输。穿梭艇下潜至海底进行矿物收集，并储存在舱室内，等舱室装满后，穿梭艇上浮到海面，在卸矿平台上完成卸载，之后再次下潜作业。该模式虽然具有操作灵活、子系统相互独立等优点，但是效率偏低，需要配备高性能蓄电池维持长时间作业，且设备的制造工艺、成本和操作难度均较高，不适宜大规模商业化开采。

管道提升式采矿系统(Pipeline Lift Mining System)。于20世纪七八十年代，由OMI、OMA、OMCO、KENNECOTT四个国际机构研制。该系统包含水面采矿船、提升系统、海底采矿机器人、测控动力系统四个主要部分，提升方式分为水力和气力两类，水力提升是由泥浆泵提供动力，气力提升则是由压缩空气提供动力。该采矿系统作业连续，效率较高，比较适用于现代化商业开采。但是由于海底环境极端恶劣，海底采矿机器人稳健控制仍存在许多尚未解决的问题，这种深海采矿系统至今也没实现规模化应用。

发明内容

本发明采用解决现有的缆控水下机器人在海底稳健控制不可控的问题。本发明的目的在于提供深海采矿坐底式接驳处理中心，深海采矿坐底式接驳处理中心与深海采矿机器人配合，保证了深海采矿过程的稳定性。

本发明的技术方案是：一种深海采矿坐底式接驳处理中心，其中，包括接驳室、多自由度平台和接驳装置，接驳装置设置在多自由度平台上，沿接驳室的周向间隔设置数个竖直隔板，将接驳室分为数个扇形的接驳空间，接驳空间内设有水平隔板，水平隔板将接驳空间分为废料库和新料库，废料库位于新料库的上方，接驳装置位于废料库和新料库之间，废料库和新料库之间相互间隔，接驳装置通过其上方的废料装载输送带与废料库连接，废料库底部的出口位于废料装载输送带的上方，接驳室的顶端通过万向节和提矿立管连接，提矿立管内分别设置有新料上升通道和废料下沉通道，废料库与废料下沉通道相连，新料库与新料上升通道相连；

所述接驳装置包括包括进料机构、压载机构、出料机构，所述进料机构依次包括送料螺杆、上料输送带和下料输送带，上料输送带和下料输送带套设在传输辊上且连续传动；所述压载机构包括压载舱、压杆、传动部、推杆和密封腔，压载舱的底部和压杆连接，压杆底部通过传动部和推杆连接，推杆的末端和密封腔内嵌设的密封板连接；所述出料机构包括卸料舱和卸料螺杆，卸料舱内部设置有二阶推板，密封腔通过连通管和卸料舱连接，密封腔和连通管相互连通且填充密封介质，连通管内通过嵌设活塞，活塞通过活塞杆和卸料舱内的二阶推板连接，通过密封板作用于密封介质控制活塞及二阶推板左右移动。

本发明中，所述接驳室呈圆柱形，沿接驳室的圆周方向间隔设置数个竖直隔板，接驳处理中心设置为圆柱体结构，其底部中心位置设置有泥浆泵，接驳空间呈扇形的柱体结构，每接驳空间的侧面均设有出入口。

进一步的，所述废料库的出口端和新料库的入口端分别设置有废料装载输送带和新料卸载输送带，废料装载输送带和新料卸载输送带的端部通过接驳装置相衔接。

进一步的，所述接驳装置上设置有无线充电模块和通信模块，通过无线充电模块补充电能；通过通信模块与外界进行双向高速数据传输及通信。

进一步的，所述传动部包括竖向齿条、横向齿条以及同轴排布的大齿轮、小齿轮，竖向齿条、横向齿条分别设置在压杆、推杆上，小齿轮、大齿轮分别与竖向齿条、横向齿条相互啮合传动。

进一步的，所述传动部设置为凸轮结构，凸轮沿着压杆的底端向外凸出延伸设置为一体式结构，所述推杆和压杆相互对应的端部设置为倾斜的坡面，其与水平面的夹角为30-60°。

进一步的，所述压载舱设置为顶端敞口式的舱体结构，压载舱的外侧设置有与其相适配的压载舱支撑架。

更进一步的，所述压杆的外侧套设弹簧，弹簧的上端、下端分别抵靠在压载舱底部和压载舱支撑架上。

进一步的，所述送料螺杆和卸料螺杆的外侧壁均沿轴向排布设置有数排集料爪，送料螺杆设置在上料输送带的进料端，上料输送带的出料端和下料输送带的进料端相连且连续传动，下料输送带的下料端悬设在压载舱的上方。

进一步的，所述卸料舱的末端设置有敞开式结构的卸料口，卸料螺杆安装在卸料口处，卸料口处向下呈倾斜式排布设置有软性材质的卸料板。

进一步的，所述进料机构将矿料输送至压载舱，压杆、推杆相互传动，推动密封板作用于密封介质，密封介质传递给活塞及活塞杆一定的推力，推动卸料舱内的二阶推板，从而推动卸料舱中矿料排出。

本发明的有益效果为：

本发明提出一种新型深海采矿作业模式，消除了脐带缆和输矿软管带来的强非线性动态干扰影响，使自主式水下采矿机器人稳健控制变为可能，革命性地改变了海底采矿作业模式。

在深海采矿坐底式接驳处理中心设置有无线充电模块，克服了接驳处理中心能源供给不足的问题；接驳装置上安装无线耦合电力载波双向通信模块，通过电力载波方式，实现采矿机器人DSAMV与外界的双向高速数据传输及通信；在深海采矿坐底式接驳处理中心存在多个扇形工作区域，极大地提高了与该接驳处理中心配合工作的采矿机器人的工作效率，增加了采矿量，同时还解决了多采矿机器人作业场景混乱的现象。

本发明中的采矿机器人通过进料机构、出料机构可精确地分度定量每一次进料量和卸料量，通过压载机构和出料机构的同时动作，使送料和出料达到稳定平衡的状态，使接驳装置所在的接驳处理中心能够达到随动的平衡调节状态，使送料量和出料量基本相等，既满足了深海采矿要求的标准，也能够保证整个接驳处理中心的稳定性和准确性。

附图说明

图1为本发明中深海采矿坐底式接驳处理中心的整体结构示意图。

图2为本发明中采矿机器人的整体结构示意图。

图3为图2中传动机构的结构示意图。

图4为凸轮结构的传动机构的结构示意图。

其中，1、提矿立管；2、新料上升通道；3、废料下沉通道；4、废料库；5、接驳室；6、多自由度平台；7、废料装载输送带；8、接驳装置；9、无线充电模块；10、通信模块；11、新料卸载输送带；12、新料库；13、泥浆泵；14、进出口；15、送料螺杆；16、传输辊；17、上料输送带；18、下料输送带；19、压载舱；20、压载舱支撑架；21、矿料；22、竖向齿条；23、大齿轮；24、小齿轮；25、横向齿条；26、推杆；27、密封板；28、密封介质；29、活塞；30、连通管；31、二阶推板；32、卸料舱；33、卸料螺杆；34、卸料板；35、弹簧；36、压杆；37、密封腔；38、凸轮。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

实施例1

如图1和图2所示，深海采矿坐底式接驳处理中心包括接驳室5、多自由度平台6和接驳装置8，接驳室5设置在多自由度平台6上，多自由度平台6的底部设有数个液压缸，通过数个液压缸控制多自由度平台6的高低、水平和倾斜角度，本发明中，通过液压缸保证多自由度平台6呈水平设置。本发明中，接驳室5呈圆柱形，沿接驳室5的圆周方向间隔设置数个竖直隔板，将接驳室5分为若干个扇形的接驳空间。接驳空间内设有水平隔板，水平隔板将接驳空间分为废料库4和新料库12，废料库4位于新料库12的上方，接驳装置位于废料库4和新料库12之间，废料库4和新料库12之间是相互间隔的。接驳装置5通过其上方的废料装载输送带7与废料库4连接，废料库4底部的出口位于废料装载输送带7的上方，因此废料库4中的肥料通过出口直接落至废料装载输送带7上，并输送至接驳装置内。接驳装置5通过其下部的新料卸载输送带11与新料库12连接，新料卸载输送带11的卸料端位于新料库12的入口处，因此新料卸载输送带11运输的新料通过入口直接进入新料库12内。接驳室5的顶端通过万向节与提矿立管1连接，提矿立管1内分别设置有新料上升通道2和废料下沉通道3，其中新料库12与新料上升通道2相连，废料库4与废料下沉通道3相连。

接驳装置8上设置有无线充电模块9和通信模块10，通过无线充电模块9为接驳装置补充电能；通过通信模块10实现接驳装置8与外界进行双向高速数据传输及通信。每个接驳空间的侧边均设有进出口14，采矿机器人通过进出口14进出接驳装置。

如图2和图3所示，接驳装置8包括进料机构、压载机构、出料机构，进料机构依次包括送料螺杆15、上料输送带17和下料输送带18，上料输送带17呈自下而上的倾斜式排布设置，下料输送带18呈自上而下的倾斜式排布设置，上料输送带17和下料输送带18套设在传输辊16上且连续传动，送料螺杆15设置在上料输送带17的进料端，上料输送带17的出料端和下料输送带18的进料端相连且连续传动，下料输送带18的下料端悬设在压载舱19的上方。

送料螺杆15和卸料螺杆33的外侧壁均沿轴向排布设置有数排集料爪，通过集料爪。通过送料螺杆15进行送料，通过卸料螺杆33进行卸料，送料螺杆15和卸料螺杆33在电机驱动下旋转，送料螺杆15或卸料螺杆33每旋转一次，送料螺杆15或卸料螺杆33上沿轴向排布的集料爪集矿一次，将矿料21进行传输。保证了进料和卸料的平衡稳定性。

本发明中，进料结构并不限于图2的上述结构，进料机构也可以与废料装载输送带7呈一体式结构。

压载机构包括压载舱19、压杆36、传动部、推杆26和密封腔37，压载舱19设置为顶端敞口式的舱体结构，压载舱19的外侧设置有与其相适配的压载舱支撑架20，压载舱19的底部通过弹簧35和压杆36连接，弹簧35套设在压杆36的外侧，弹簧35的上端、下端分别抵靠在压载舱19底部和压载舱支撑架20上，压载舱19的底部和压杆36连接，压杆36底部通过传动部和推杆26连接，推杆26的末端和密封腔37内嵌设的密封板27连接。

出料机构包括卸料舱32和卸料螺杆33，卸料舱32内部设置有二阶推板31，密封腔37通过连通管30和卸料舱32连接，密封腔37和连通管30相互连通且填充密封介质28，连通管30内通过嵌设活塞29，活塞29通过活塞杆和卸料舱32内的二阶推板31连接，通过密封板27作用于密封介质28控制活塞29及二阶推板31左右移动。

本实施例中的传动部包括竖向齿条22、横向齿条25以及同轴排布的大齿轮23、小齿轮24，竖向齿条22、横向齿条25分别设置在压杆36、推杆26上，小齿轮24、大齿轮23分别与竖向齿条22、横向齿条25相互啮合传动。

卸料舱32的末端设置有敞开式结构的卸料口，卸料螺杆33安装在卸料口处，卸料舱32的卸料口处向下呈倾斜式排布设置有卸料板34，卸料板34采用软性材质制备而成。软性卸料板34是为了防止对海底泥沙出现较大的搅动，从而保护环境。本实施例中，卸料板34的一端与卸料舱32的卸料口连接，另一端位于新料卸载输送带11的上方，从卸料舱32内卸出的物质通过卸料板34落至新料卸载输送带11上，并沿新料卸载输送带11输送至新料库12内。

压载舱19设置为顶端敞口式的舱体结构，压载舱19的外侧设置有与其相适配的压载舱支撑架20。压杆36的外侧套设弹簧35，弹簧35的上端、下端分别抵靠在压载舱19底部和压载舱支撑架20上。

接驳装置的工作原理如下所述：通过安装在前端的送料螺杆15将矿料21沿着上料输送带17和下料输送带18进行收集，最后传输到压载舱19内。单一压载舱19的储矿量为1t左右。随着矿料21对压载舱19的填充，压载舱19承受的压力逐渐增大，压载舱19将压力传递给压杆36外侧套设的弹簧35，压载舱19在支撑架上弹簧35方向下沉，同时弹簧35下方的压杆36上的竖向齿条22与小齿轮24相互啮合传动，从而带动同轴的大齿轮23转动，同时大齿轮23与推杆26上的横向齿条25啮合传动，使推杆26向右运动，该传动机构增大了传动的量程，从而提高了负载的调节能力。通过传统的齿轮齿条啮合传动，实现大量程负载压力与浮力的双向调节。

压杆36、推杆26相互传动，推杆26向右驱动且推杆26同步挤压密封板27，密封介质28传递给活塞29及活塞杆一定的推力，推动卸料舱32内的二阶推板31，从而推动卸料舱32中矿料21排出。

包含上述接驳装置的坐底式矿物接驳处理中心的工作过程如下所述。作业平台上的废料沿着废料下沉通道3不断落入废料库4内，并通过废料装载输送带4运输至压载舱19内，直至压载舱19内装有约1t废料，关闭废料下沉通道3。接驳空间的进出口14打开，采矿机器人沿着进出口进入到扇形的接驳空间，采矿机器人采挖到的矿料作为新料输送至卸料舱32内。将新料装入卸料舱32的过程中，随着新料的不断装入，对二阶推板31产生推力，该推力通过活塞杆和活塞29传递至密封介质28，并通过密封介质28作用于密封板27上，推动密封板27移动的过程中，带动推杆26移动，并通过传动部带动压杆36向上移动，将压载舱19内的废料从压载舱19内推出，可以推出至采矿机器人内，由采矿机器人输送至接驳处理中心的外部，实现对海底采矿处的填埋。压载舱19内的1t废料被完全推出后，输送至卸料舱32内的新料也约为1t。

废料从压载舱内全部推出后，打开废料下沉通道3，通过进料机构的送料螺杆15将废料库4内的废料输送至压载舱19内，随着压载舱19的物料增加，压杆36、推杆26相互传动，推动密封板27作用于密封介质28，密封介质28将传递给活塞29及活塞杆一定的推力，推动卸料舱32内的二阶推板31，从而推动卸料舱32中的矿料21排出至新料卸载输送带11上，新料卸载输送带11将开采得到的矿料不断输送至新料库12内。矿料卸载到新料库12内后，通过粉碎、搅拌和泥浆泵13将采集到的新矿通过新料上升管道2运送到作业平台。

重复上述动作过程，可以实现新料和废料的交替输送和卸载。在上述两个相反的动作过程中，实现了一边收料一边放料，实现装载多少新料卸载多少废料、卸载多少新料装载多少废料，以保证收料和放料的动态平衡，实现了接驳装置的动态平衡。由于接驳装置整个稳态变化会改变机身的浮力状态，从而使整个接驳中心的浮力状态发生变化，因此在接驳过程中尽量不影响整机的重浮心姿态以及稳心高等关键姿态，从而达到整机的稳态平衡。通过接驳装置中压载机构和出料结构的同时动作，真正实现了进多少出多少，即进料1t的同时卸料1t，从而保证进料与卸料的稳态变化，以确保整个接驳处理中心的稳定性。

实施例2

在实施例1的基础上，不同于实施例1，如图2和图4所示，深海采矿机器人的压载机构包括压载舱19、压杆36、推杆26和密封腔37，所述压载舱19设置为顶端敞口式的舱体结构，压载舱19的外侧设置有与其相适配的压载舱支撑架20，压载舱19的底部通过弹簧35和压杆36连接，弹簧35套设在压杆36的外侧，弹簧35的上端、下端分别抵靠在压载舱19底部和压载舱支撑架20上，压杆36底部通过凸轮38和推杆26连接，推杆26的末端和密封腔37内嵌设的密封板27连接。

出料机构包括卸料舱32和卸料螺杆33，卸料舱32内部设置有二阶推板31，密封腔37通过连通管30和卸料舱32连接，密封腔37和连通管30相互连通且填充密封介质28，连通管30内通过嵌设活塞29，活塞29通过活塞杆和卸料舱32内的二阶推板31连接，通过密封板27作用于密封介质28控制活塞29及二阶推板31左右移动。

所述压杆36和凸轮38设置为一体式结构，凸轮38沿着压杆36的底端向外凸出延伸设置，推杆26和压杆36相互对应的端部设置为倾斜的坡面，其与水平面的夹角为0-90°。凸轮型压杆36的特殊结构，可实现压杆36下压时沿竖直方向的压力转化为推杆26水平方向的推力，保证了推杆26推力的稳定输出；同时也也实现将推杆26在水平方向移动时推力转化为压杆36在竖直方向的推力，保证了压杆推力的稳定输出。

卸料舱32的末端设置有敞开式结构的卸料口，卸料螺杆33安装在卸料口处，所述卸料舱32的卸料口处向下呈倾斜式排布设置有卸料板34，卸料板34采用软性材质制备而成。软性卸料板34是为了防止对海底泥沙出现较大的搅动，从而保护环境。

其接驳装置和接驳处理中心的具体运行过程如实施例所述，本实施例中不再赘述。

以上对本发明所提供的深海采矿坐底式接驳处理中心进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，包括接驳室、多自由度平台和接驳装置，接驳装置设置在多自由度平台上，沿接驳室的周向间隔设置数个竖直隔板，将接驳室分为数个扇形的接驳空间，接驳空间内设有水平隔板，水平隔板将接驳空间分为废料库和新料库，废料库位于新料库的上方，接驳装置位于废料库和新料库之间，废料库和新料库之间相互间隔，接驳装置通过其上方的废料装载输送带与废料库连接，废料库底部的出口位于废料装载输送带的上方，接驳室的顶端通过万向节和提矿立管连接，提矿立管内分别设置有新料上升通道和废料下沉通道，废料库与废料下沉通道相连，新料库与新料上升通道相连；

所述接驳装置包括包括进料机构、压载机构、出料机构，所述进料机构依次包括送料螺杆、上料输送带和下料输送带，上料输送带和下料输送带套设在传输辊上且连续传动；所述压载机构包括压载舱、压杆、传动部、推杆和密封腔，压载舱的底部和压杆连接，压杆底部通过传动部和推杆连接，推杆的末端和密封腔内嵌设的密封板连接；所述出料机构包括卸料舱和卸料螺杆，卸料舱内部设置有二阶推板，密封腔通过连通管和卸料舱连接，密封腔和连通管相互连通且填充密封介质，连通管内通过嵌设活塞，活塞通过活塞杆和卸料舱内的二阶推板连接，通过密封板作用于密封介质控制活塞及二阶推板左右移动。

2.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述接驳室呈圆柱形，沿接驳室的圆周方向间隔设置数个竖直隔板，接驳处理中心设置为圆柱体结构，其底部中心位置设置有泥浆泵，接驳空间呈扇形的柱体结构，每接驳空间的侧面均设有出入口。

3.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述废料库的出口端和新料库的入口端分别设置有废料装载输送带和新料卸载输送带，废料装载输送带和新料卸载输送带的端部通过接驳装置相衔接。

4.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述接驳装置上设置有无线充电模块和通信模块，通过无线充电模块补充电能；通过通信模块与外界进行双向高速数据传输及通信。

5.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述传动部包括竖向齿条、横向齿条以及同轴排布的大齿轮、小齿轮，竖向齿条、横向齿条分别设置在压杆、推杆上，小齿轮、大齿轮分别与竖向齿条、横向齿条相互啮合传动。

6.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述传动部设置为凸轮结构，凸轮沿着压杆的底端向外凸出延伸设置为一体式结构，所述推杆和压杆相互对应的端部设置为倾斜的坡面，其与水平面的夹角为30-60°。

7.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述压载舱设置为顶端敞口式的舱体结构，压载舱的外侧设置有与其相适配的压载舱支撑架。

8.根据权利要求7所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述压杆的外侧套设弹簧，弹簧的上端、下端分别抵靠在压载舱底部和压载舱支撑架上。

9.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述送料螺杆和卸料螺杆的外侧壁均沿轴向排布设置有数排集料爪，送料螺杆设置在上料输送带的进料端，上料输送带的出料端和下料输送带的进料端相连且连续传动，下料输送带的下料端悬设在压载舱的上方。

10.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述卸料舱的末端设置有敞开式结构的卸料口，卸料螺杆安装在卸料口处，卸料口处向下呈倾斜式排布设置有软性材质的卸料板。

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