富鈷結(jié)殼采礦車微地形行走技術(shù)的研究現(xiàn)狀*

劉 偉,吳鴻云,江 敏,侯井寶,徐俊杰,李江明

(長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

富鈷結(jié)殼是一種極具開(kāi)發(fā)價(jià)值的深海礦產(chǎn)資源。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)際上開(kāi)始了海底富鈷結(jié)殼礦產(chǎn)資源的勘探、開(kāi)采和冶煉等方面的技術(shù)研究，比較有代表性的方案主要有日本提出的拖曳式采礦機(jī)，美國(guó)提出的自行式采礦機(jī)，俄羅斯專家提出的絞車牽引式采礦車等，由于海底環(huán)境的復(fù)雜性，開(kāi)采難度較大，目前仍然處于方案研究階段[1]。

1 富鈷結(jié)殼微地形及其行駛要求

富鈷結(jié)殼微地形特性對(duì)采礦車的行走以及富鈷結(jié)殼的破碎和采集有很大的影響。結(jié)殼礦床的微地形按礦床賦存特征來(lái)分可以概括為6大類[2-4]，包括熔巖流帶型、復(fù)合帶型、卵石帶型、沉積物帶型、結(jié)核帶型、大片結(jié)殼層型。其中以大片結(jié)殼層型最具有開(kāi)采價(jià)值，通常大面積(可達(dá)數(shù)十平方千米)附著在海山山坡上，地形坡度約為7°～15°，地形起伏約為5～10 cm，基底層為玄武巖、變質(zhì)玄武巖、玻璃質(zhì)碎屑巖、火山碎屑巖等。鈷結(jié)殼的形態(tài)也比較多樣化，大致呈板狀、礫狀和鈷結(jié)核狀3大類。

我國(guó)在2013年取得西太平洋富鈷結(jié)殼礦區(qū)的專屬勘探權(quán)，面積為3000 km2。以西太平洋富鈷結(jié)殼礦區(qū)的采薇海山為例，利用多波束測(cè)深和回波強(qiáng)度分析得到的結(jié)果如圖1所示。可以看出海山山頂為鈣質(zhì)遠(yuǎn)洋沉積物區(qū)，因此呈現(xiàn)出軟底質(zhì)。斜坡區(qū)域通常為富鈷結(jié)殼發(fā)育區(qū)或者裸露的基巖，因而呈現(xiàn)出硬底質(zhì)或者中等硬底質(zhì)，中等硬度底質(zhì)通常附有少量遠(yuǎn)洋鈣質(zhì)沉積[5]。利用深海淺鉆對(duì)該區(qū)域的巖芯取樣結(jié)果表明，在海山平頂邊緣地帶的基巖主要由碎屑巖、玄武巖、硅酸巖、磷塊巖等組成，其中以碎屑巖為主，且碎屑巖上生長(zhǎng)的結(jié)殼平均厚度最大[6]。圖2是36航次調(diào)查的海底攝像圖片，其結(jié)殼發(fā)育區(qū)中分布有大面積板狀結(jié)殼和礫狀結(jié)殼。

圖1 西太平洋結(jié)殼礦區(qū)底質(zhì)分布

國(guó)內(nèi)外對(duì)富鈷結(jié)殼及其基巖的物理特性進(jìn)行了一系列研究，但由于取樣地點(diǎn)、取樣方法以及試驗(yàn)方法各不相同，不同的研究機(jī)構(gòu)最終得到的數(shù)據(jù)之間相差較大。通過(guò)比對(duì)國(guó)內(nèi)外的測(cè)試數(shù)據(jù)[7-11]得到表1，可以看出富鈷結(jié)殼的抗壓強(qiáng)度一般都在5～10 MPa之間，基巖的抗壓強(qiáng)度通常在20～60 MPa之間。

圖2 結(jié)殼區(qū)域微地形攝像

試樣抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa泊松比鈷結(jié)殼5～103．11～4．250．18～0．25基巖20～602．24～4．760．21～0．27試樣內(nèi)摩擦角/(°)內(nèi)聚力/MPa莫氏硬度鈷結(jié)殼50．4～54．430．275～0．373～4基巖65．26～760．325～6

通過(guò)對(duì)礦區(qū)的勘探和鈷結(jié)殼力學(xué)特性相關(guān)分析，對(duì)富鈷結(jié)殼可采區(qū)域地形行走提出如下要求：行走速度約為0.1～0.8 m/s;爬坡能力大于15°;越過(guò)臺(tái)階高度大于200 mm。

2 國(guó)外深海復(fù)雜地形采礦車的研究

1995年，美國(guó)在“國(guó)際海洋工程及其環(huán)境”會(huì)議上提出了自行式鈷結(jié)殼采礦車的設(shè)計(jì)方案，推薦的方案模型見(jiàn)圖3，配有8條三角形行走履帶，多履帶的布置結(jié)構(gòu)將利于改善采礦車整體接地情況，提升微地形的適應(yīng)能力。行駛速度0.2 m/s、作業(yè)功率900 kW、長(zhǎng)13 m、寬8 m、高6 m、空氣中重100 t。采礦車一共裝備有6個(gè)切割頭破碎鈷結(jié)殼，切割頭的工作高度利用機(jī)械臂的上下移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)[13]，以適應(yīng)微地形的起伏，減少對(duì)基巖的切割。水力吸礦器布置在切割頭的后部，用于將破碎后的鈷結(jié)殼吸入儲(chǔ)存?zhèn)}，經(jīng)過(guò)重新破碎和分選之后，由揚(yáng)礦管提升至緩沖倉(cāng)。這種設(shè)計(jì)方案對(duì)于本文課題的研究具有很好的借鑒意義，即通過(guò)多履帶、多采礦頭的設(shè)計(jì)來(lái)解決富鈷結(jié)殼采礦車的地形適應(yīng)難題，是一種簡(jiǎn)單可靠且行之有效的辦法。

深海多金屬硫化物是另外一種海底礦產(chǎn)資源，其礦區(qū)地形相對(duì)于富鈷結(jié)殼地形更加復(fù)雜和多變，因此硫化物采礦車的行走技術(shù)對(duì)富鈷結(jié)殼采礦車行走具有一定的借鑒意義。

日本石油、天然氣和金屬國(guó)家公司(JOGMEC)、三菱重工等于2012年在沖繩縣附近海域開(kāi)展了海底多金屬硫化物開(kāi)采試驗(yàn)，試驗(yàn)取得25 kg的硫化物。試驗(yàn)用采礦車長(zhǎng)7 m，寬3.2 m，高3.5 m，工作水深2000 m，水下重量16 t，功率為184 kW。其行走部分采用了4條履帶，并且4條履帶均為獨(dú)立懸掛和獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)采礦車高度和姿態(tài)的調(diào)節(jié)[14]，履帶采用了大接近角和離去角的結(jié)構(gòu)來(lái)提高其越障能力，但履帶本身與地面的附著面積較小。

圖3 美國(guó)提出的富鈷結(jié)殼采礦機(jī)器人

3 國(guó)內(nèi)深海復(fù)雜地形采礦車的研究

國(guó)內(nèi)的部分相關(guān)高校和科研院所對(duì)車輛在海底的行走技術(shù)進(jìn)行過(guò)一系列研究。中南大學(xué)設(shè)計(jì)了一款鉸接履帶式采礦機(jī)器人，實(shí)驗(yàn)室模擬樣機(jī)如圖4所示。樣機(jī)由前履帶車、后履帶車和中間鉸接機(jī)構(gòu)組成，采用三自由度鉸接機(jī)構(gòu)使前后履帶車之間產(chǎn)生縱向俯仰、橫向側(cè)翻和水平轉(zhuǎn)向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以提高復(fù)雜地形的通過(guò)能力[15]。其越障鉸接機(jī)構(gòu)及其工作原理圖如圖5所示，當(dāng)模擬樣機(jī)越過(guò)垂直障礙時(shí)，鎖死油缸3，對(duì)油缸2施加運(yùn)動(dòng)控制來(lái)調(diào)整前后履帶的姿態(tài)；當(dāng)樣機(jī)越溝時(shí)，將俯仰油缸2和轉(zhuǎn)向油缸3鎖死，前后車體變?yōu)橐粋€(gè)整體；當(dāng)樣機(jī)爬坡時(shí)，將俯仰油缸2設(shè)置為自由狀態(tài)，鎖死其他油缸；當(dāng)樣機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，可以通過(guò)對(duì)油缸3施加運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前后履帶之間的偏轉(zhuǎn)，能夠減小轉(zhuǎn)向半徑。這種方案具有很好的地形適應(yīng)性和通過(guò)性，但也對(duì)控制性能提出了很高的要求。

圖4 鉸接履帶式采礦車行走模型樣機(jī)

圖5 鉸接機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

北京科技大學(xué)曾提出過(guò)行星輪式行走機(jī)構(gòu)[16]、復(fù)合輪式行走機(jī)構(gòu)[17]等針對(duì)海底復(fù)雜地形的行走方案，行星輪式行走機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖6所示：圖6(a)為總體傳動(dòng)布置，圖7(b)為行星輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)總圖。行走機(jī)構(gòu)由前后2個(gè)驅(qū)動(dòng)橋和4組行星輪系組成，每個(gè)行星輪系有3個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。在平地時(shí)，任意2個(gè)車輪著地，驅(qū)動(dòng)輪系相當(dāng)于定軸輪系。當(dāng)障礙高度大于驅(qū)動(dòng)輪能越過(guò)的極限高度時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪系演變?yōu)樾行禽喯担行禽喖芎万?qū)動(dòng)輪一起繞行星輪系的中心轉(zhuǎn)動(dòng)翻越障礙，行星輪系越障形式的切換不需要輔助機(jī)構(gòu)來(lái)控制,雖然行星輪式行走機(jī)構(gòu)采用了被動(dòng)適應(yīng)的越障形式,對(duì)控制要求不高，但行星輪作翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的瞬間其驅(qū)動(dòng)輪的扭矩和承載力以及整個(gè)采礦車的速度都會(huì)急劇變化，一旦車重較大，越障瞬間的沖擊力就會(huì)很大，影響采礦車可靠性。復(fù)合輪式采礦車的模型樣機(jī)如圖7所示，采礦車由4套復(fù)合輪組和鉸接式罐式車架組成，行走時(shí)，復(fù)合輪組的前、中、后輪在油缸的伸縮作用下，實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)的變化，從而使整個(gè)機(jī)構(gòu)具備主、被動(dòng)混合越障模式，由于海底壓力巨大，輪式行走機(jī)構(gòu)在海底行走需要解決承壓?jiǎn)栴}。

長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)了一款步履式采礦車樣機(jī)，如圖8所示，采用兩對(duì)液壓支腿交替著地，機(jī)身和平移架在牽引油缸作用下相互推進(jìn)，完成步履前進(jìn)，底盤(pán)和機(jī)身機(jī)架采用回轉(zhuǎn)支呈連接，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。原理樣機(jī)包括機(jī)身、平移架、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、底盤(pán)、支腿、牽引油缸和液壓站等。該原理樣機(jī)的外形尺寸約為1.9 m×1.7 m×1.8 m，機(jī)重2 t，功率為4 kW，可原地回轉(zhuǎn)±90°，越障高度約為0.4 m。此外，長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司還主持研發(fā)了四履帶式行走底盤(pán)樣機(jī)(見(jiàn)圖9)[18]，樣機(jī)底盤(pán)采用4個(gè)三角履帶行走裝置，三角履帶輪由4個(gè)同等排量的液壓馬達(dá)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)左側(cè)、右側(cè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)向。三角履帶輪能夠圍繞各自的驅(qū)動(dòng)輪前后擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)地形的適應(yīng)，越障高度約為0.25 m。

圖6 行星輪式采礦車傳動(dòng)模型

圖7 復(fù)合輪式采礦車模型樣機(jī)

圖8 步履式采礦車樣機(jī)

圖9 四履帶式采礦車樣機(jī)

4 結(jié)論與展望

經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，我國(guó)在富鈷結(jié)殼地形行走

技術(shù)方面進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究，有了長(zhǎng)足的發(fā)展，設(shè)計(jì)并研制了多種適應(yīng)于富鈷結(jié)殼地形的采礦車原理樣機(jī)，但目前這些采礦車仍處于原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)階段，沒(méi)有開(kāi)展富鈷結(jié)殼礦區(qū)試驗(yàn)。富鈷結(jié)殼采礦車的微地形適應(yīng)難題亟待解決。未來(lái)對(duì)于富鈷結(jié)殼采礦車的設(shè)計(jì)主要注重于以下技術(shù)的提升：

(1) 由于富鈷結(jié)殼地形的復(fù)雜性，采礦車必須具備全地形行駛能力，對(duì)爬坡、越障、越溝的要求比常規(guī)地面全地形車輛更高。

(2) 由于富鈷結(jié)殼生長(zhǎng)于海底，如果單純采用人工遠(yuǎn)程控制會(huì)出現(xiàn)延遲，因此富鈷結(jié)殼采礦車的自動(dòng)化程度必須足夠高，需具備路徑規(guī)劃和控制能力。

(3) 行走裝置和采集裝置的自適應(yīng)地形技術(shù)。由于富鈷結(jié)殼礦區(qū)微地形比較復(fù)雜，結(jié)殼厚度不均勻，行走裝置如果不能適應(yīng)地形，俯仰太過(guò)劇烈，會(huì)嚴(yán)重影響采集裝置的采集效率，與此同時(shí)采集裝置與礦區(qū)地面的相互作用力又會(huì)反過(guò)來(lái)影響行駛裝置的穩(wěn)定性。二者之間的聯(lián)動(dòng)和協(xié)調(diào)是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

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