多金屬結核水力集礦機構離地高度控制研究①

彭建平

（長沙礦冶研究院有限責任公司 深海礦產資源開發利用技術國家重點實驗室，湖南 長沙410012）

多金屬結核主要賦存于水深5 000 ～6 000 m 的大洋底面極稀軟沉積物表面，富含錳、銅、鎳、鈷等76 種元素，受到國內外普遍關注，極具商業開采前景［1］。經過國內外多年試驗研究以及不同采礦系統的對比，普遍認為“海底履帶自行式水力集礦車采集?水力管道礦漿泵提升?海面采礦船支持”這種模式的深海采礦系統是一種具有工業發展前景的多金屬結核采礦工藝與方法。

作為海底履帶自行式水力集礦車重要組成部分，水力集礦機構的主要功能是采集海底沉積物上的多金屬結核，完成深海采礦過程的第一道工序。 水力式集礦機構采集多金屬結核主要由相對安裝的前后兩排噴嘴組成的捕捉噴嘴和輸送噴嘴來完成，它具有結構簡單、運動件少、工作可靠、故障率低等優點，同時采集能力和采集效率高，對海底環境擾動較?。?］。

通過試驗表明：在給定參數情況下，水力集礦機構對離地高度有一定要求，允許變化區間為40～180 mm，一旦離地高度超出這個適用范圍，就會造成采集率和能力大大下降［2］。 所以保證集礦機構離地高度在允許區間內十分重要。

1 離地高度影響因素研究

多金屬結核礦區海底沉積物表層含水量高，土質屬于稀軟泥土。 海底沉積物剪切強度一般隨深度增加而增大，0 ～8 cm 深度范圍呈流動狀，剪切強度極?。?～14 cm 深度范圍呈流塑狀，剪切強度從1 kPa 急速增加到6 kPa；14 ～20 cm 深度范圍沉積物抗剪性能均勻，剪切強度從6 kPa 緩慢降至5.8 kPa；剪切強度峰值出現在深度40～45 cm 處，約為11.8 kPa，在這之后小幅度降低。 海底沉積物貫入阻力一般隨深度增加而增大，0 ～8 cm 深度范圍呈流動狀，貫入阻力極小；8～14 cm 深度范圍呈流塑狀，承載特性變化大，貫入阻力從10 kPa 急速增加到46 kPa；14～20 cm 深度范圍承載性能均勻，貫入阻力從46 kPa 緩慢增加到50 kPa；海底沉積物貫入阻力峰值出現在深度45 cm 處，為100 kPa，在這之后小幅度降低［3-6］。

深海多金屬結核集礦車采用履帶行走機構，行走履帶與海底沉積物直接接觸，它在海底沉積物上邊行走邊采集結核，行走履帶壓陷并剪切深海稀軟底質，對海底稀軟底質層施加向后的水平力，這構成海底沉積物對作業車的推力。 水力集礦機構及其他部件等負載均布置安裝在履帶底盤上，整車的負載最終由履帶作用于稀軟底質并由其來承載，造成履帶下陷一定深度。但不同區域海底底質力學特性有差異，引起集礦車行走機構壓陷深度的變化，這直接體現在水力集礦機構離地高度的變化。 如圖1 所示，多金屬結核集礦車履帶陷入沉積物的深度為A（單位為mm），A值大小會在一定范圍內波動。

圖1 水力集礦機構離地高度影響因素圖

結核賦存區C?C 區屬于典型的深海丘陵區，海底地貌總體為與洋殼斷裂一致的南北向延伸的丘陵，丘陵的間隔為2～5 km，最西部升起100 ～300 m，總體平均坡度約5°。 多金屬結核賦存量最多的是起伏平原，約占54%，其次是高地坡面，約占19%。 多金屬結核集礦車應適應小地貌特征，可開采區地形坡度一般設計不大于5°［7］。

多金屬結核礦區海底地形有一定的坡度，集礦車從平坦海底區塊沿海底下坡面行進時，由于水力集礦機構處于集礦車前部，它會首先探入下坡面，如果水力集礦機構與車體相對位置保持不變，離地高度會增大，如圖1 中B（水力集礦機構的離地高度，單位為mm）值會變大；同理，如果集礦車沿海底上坡面行進時，水力集礦機構離地高度會減小，也就是B值會減小。B值變化大小與坡度大小以及水力集礦機構與履帶間距成比例關系。

水力集礦機構在深海海底采集多金屬結核時，由于海底地形的變化及海底沉積物力學特性的差異構成了離地高差的變化，可以得到：

式中T為水力集礦機構離地高度變化值，mm；X為海底沉積物力學特性差異導致履帶下陷深度變化值，mm；Y為由于地形坡度導致的離地高度變化值，mm。

式中α為海底地形的坡度，（°）；L為水力集礦機構捕捉噴嘴與履帶間距，mm。

將式（2）代入式（1），可得：

即水力集礦機構離地高度值由海底沉積物力學特性、地形坡度和捕捉噴嘴與履帶間距所決定。

2 離地高度控制機構

由于多金屬結核礦區海底地形坡度及海底沉積物力學性能差異，集礦車在海底稀軟底質上行走采集多金屬結核時，水力集礦機構離地高度會發生一定的上下浮動。 為了保證集礦車在海底高效作業，集礦車必須同時具備水力集礦機構離地高度調整機構和離地高度測量機構，離地高度測量機構為離地高度調整機構提供響應的依據。

離地高度測量機構固定在水力集礦機構噴嘴兩側，用于測量水力集礦機構的離地高度。 離地高度測量機構要實現兩種功能，一個功能是離地高度測量基準要保持與海底稀軟底質表層接觸，也就是說要保證離地高度測量基準的真實性；另一功能是及時準確地測量噴嘴相對于離地高度標準基準的距離。

如圖2 所示，離地高度測量機構主要包括導向桿安裝座、導向桿鉸座、彈性元件、導向桿、地形檢測板、立桿固定座、立桿。 導向桿安裝座與立桿安裝座固定在水力集礦機構的側面。 導向桿有兩根，分別位于立桿前后兩側，導向桿一端通過銷軸與地形檢測板鉸接，另一端穿過導向桿鉸座形成移動副并用雙螺母限位。導向桿鉸座另一鉸孔穿于導向桿安裝座上形成回轉副。 彈性元件套于導向桿圓柱面上，隨地形檢測板上升或下降，導向桿在導向桿鉸座軸孔內向上或向下滑動，使彈性元件壓縮或伸長。 立桿一端通過銷軸與地形檢測板鉸接成回轉副，另一端圓柱面與立桿固定座的孔同軸形成移動副。 在地形檢測板、導向桿、立桿等部件自身重力和彈性元件的彈性力共同作用下，能夠實現地形檢測板下表面與海底沉積物表層相重合，實現離地高度測量基準的準確性。

圖2 離地高度測量與調整機構示意圖

離地高度測量元件固定在立桿固定座上。 當地形檢測板下底面相對于離地高度標準零基準有變化時，立桿就會沿立桿固定座內孔作相應滑動，這種相對位置的變動能被離地高度測量元件檢測出來。

離地高度調整機構主要由連桿和升降油缸組成。連桿一端鉸接在水力集礦機構上，另一端鉸接在多金屬集礦車前端；連桿共有4 根，兩個一組，一組連桿與水力集礦機構本體及集礦車車架共同組成平行四連桿機構，實現水力集礦機構與集礦車的連接。 升降油缸一端鉸接在水力集礦機構上，另一端通過耳軸鉸接安裝在采礦車上，升降油缸活塞桿伸長，水力集礦機構相對集礦車車架上升，離地高度就會增大；而油缸活塞桿縮短，水力集礦機構相對集礦車車架下降，離地高度就會減小，通過升降油缸來實現水力集礦機構的上下平行移動，以調節對地的高度。

3 離地高度控制策略

離地高度控制的總體策略就是將離地高度測量機構所測得的水力集礦機構離地高度值與離地高度設定允許范圍進行比較判斷，根據判斷結果來指令離地高度調整機構采取相應對策，作出相應響應。 控制流程如圖3 所示。 設定水力集礦機構離地高度控制設定值為H，離地高度設定允許偏差為±L，即離地高度在H-L～H＋L范圍為水力集礦機構的設定允許范圍（此范圍小于水力集礦機構離地高度適用范圍），此范圍內對水力集礦機構的采集率影響不大。 離地高度測量元件測量值為S，當S≥H＋L時，即判定離地高度過高，這時通過伺服閥控制升降油缸縮短，使離地高度下降，直至離地高度測量值S＝H為止；當S≤H-L時，即判定離地高度過低，這時通過伺服閥控制升降油缸伸長，使離地高度上升，直至離地高度測量值S＝H為止；當H-L＜S＜H＋L時，即認為離地高度處于合適的范圍，這時升降油缸保持不動，離地高度也就保持不動。

圖3 離地高度控制流程

當多金屬結核集礦車開始在海底采集多金屬結核時，首先升降油缸縮短，水力集礦機構下降。 隨著水力集礦機構下降，離地高度測量機構中的地形檢測板首先接觸海底，然后水力集礦機構繼續下降，彈性元件受到壓縮，導向桿在導向桿鉸座軸孔內向上滑動，立桿也在立桿固定座軸孔內向上滑動，離地高度測量元件的測量值減小，直至測量值減小到H時，升降油缸停止動作，保證水力集礦機構離地高度處于設定值。

多金屬結核集礦車行走采集多金屬結核時，當前方為上坡地形，地形檢測板前端弧形板接觸上坡地形，在海底面作用力下，地形檢測板相對于水力集礦機構向上運動，立桿也相對向上滑動，離地高度測量元件檢測到真實的S變小。S與設定值H-L進行比較，一旦S≤H-L，伺服閥作出相應響應，升降油缸活塞桿伸長，使水力集礦機構上升，在彈性元件彈性力及地形檢測板等自身重力共同作用下，地形檢測板始終與海底接觸，導向桿和立桿在相應軸孔中向下滑動，離地高度測量元件檢測到真實的S增大，直至S＝H為止，伺服閥停止動作，升降缸停止動作，使水力集礦機構離地高度值恢復為H，即離地高度控制的設定值。

當前方為下坡地形，地形檢測板接觸下坡地形，在彈性元件的彈性力及地形檢測板等自身重力共同作用下，地形檢測板相對于水力集礦機構向下運動，立桿也相對向下滑動，離地高度測量元件檢測到真實的S變大。S與設定值H＋L進行比較，一旦S≥H＋L，伺服閥作出相應響應，升降油缸活塞桿縮短，使水力集礦機構下降，導向桿和立桿在相應軸孔中向上滑動，離地高度測量元件檢測到真實的S減小，直至S＝H為止，升降缸停止動作，使水力集礦機構離地高度值恢復為H，即離地高度控制的設定值。

多金屬結核集礦車在海底稀軟底質行走時，由于稀軟底質的力學性質不一致，導致履帶壓陷深度變化，這樣變化會直接傳遞到水力集礦機構上，引起離地高度的變化，離地高度測量元件檢測到此時的S，當S≥H＋L，伺服閥作出相應響應，升降油缸活塞桿縮短，使水力集礦機構下降，導向桿和立桿在相應軸孔中向上滑動，離地高度測量元件檢測到真實的S減小，直至S＝H為止，升降缸停止動作，使水力集礦機構離地高度值恢復為H，即離地高度控制的設定值。 當S≤H-L，伺服閥作出相應響應，升降油缸活塞桿伸長，使水力集礦機構上升，在彈性元件彈性力及地形檢測板等自身重力共同作用下，地形檢測板始終與海底接觸，導向桿和立桿在相應軸孔中向下滑動，離地高度測量元件檢測到真實的S增大，直至S＝H為止，伺服閥停止動作，升降缸停止動作，使水力集礦機構離地高度值恢復為H，即離地高度控制的設定值。

4 海試實驗

“鯤龍500”多金屬結核集礦車具有海底稀軟底質履帶自行駛、海底礦物水力自適應采集、海底綜合導航定位等功能，能夠完成海底規劃路徑行駛并且海底地形自適應礦石采集的任務。 “鯤龍500”集礦車上的水力集礦機構安裝了離地高度檢測機構與離地高度調整機構，并按上述的控制策略進行水力集礦機構離地高度的自適應調整。

“鯤龍500”集礦車于2019 年5 月搭載“長和海洋”號試驗船在我國東海70 m 水深海域進行了相關實驗，其中分兩次入水開展了海底集礦作業實驗，均采集到模擬結核，第一次采集模擬結核246.8 kg，第二次采集模擬結核191.5 kg。 2019 年6 月，“鯤龍500”集礦車搭載“張謇”號試驗船在我國南海完成了500 m水深實驗。 此次實驗最大作業水深514 m，集礦車實現了自動行駛模式下按規劃采集路徑的智能采礦作業，采集海底模擬結核204.7 kg。

圖4 為水力集礦機構離地高度自適應響應圖。 當離地高度超出設定的上下限時，離地高度調整油缸作出相應的響應而伸長或縮短，使水力集礦機構的離地高度恢復到設定值，從而保證水力集礦機構高效的采集能力。

“鯤龍500”集礦車70 m 與500 m 水深海域采集實驗驗證了離地高度測量機構和離地高度調整機構及控制策略能夠自適應調整集礦車水力集礦機構離地高度，滿足采集工藝的要求。

圖4 水力集礦機構離地高度自適應響應圖

5 結 論

1） 集礦車水力集礦機構離地高度主要影響因素為海底稀軟底質的力學特性、海底地形坡度及水力集礦機構捕捉噴嘴與履帶間距。

2） 集礦車必須同時具備水力集礦機構離地高度調整機構和離地高度測量機構，離地高度測量機構測量離地高度數值，為離地高度調整機構提供響應依據。

3） 集礦車通過將離地高度測量機構所測得的水力集礦機構離地高度值與離地高度設定允許范圍進行比較判斷，根據判斷結果來指令離地高度調整機構采取相應對策，作出相應的響應。

4） “鯤龍500”集礦車70 m 與500 m 水深海域采集實驗驗證了離地高度測量機構和離地高度調整機構及控制策略能夠自適應調整集礦車水力集礦機構離地高度，滿足采集工藝的要求。