深海礦床沖擊式破碎器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析

魯?shù)氯瑒c亮，毛洪偉

（1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3.上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；4.國(guó)家深海基地管理中心，山東 青島 266237）

全世界海洋的總面積約為3.61 億平方公里，約占地球表面積的71%。同陸地一樣，深海海底中蘊(yùn)藏著極其豐富的礦產(chǎn)資源，包括石油、天然氣、多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、熱液硫化物、海洋生物、天然氣水合物和黏土礦物等，這些資源具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。在陸地資源日趨枯竭的今天，人類(lèi)越來(lái)越重視深海礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)和利用。通常深海礦產(chǎn)資源的埋藏深淺不一，且形態(tài)與硬度等方面也有很大的差異。

目前中國(guó)已成為全球唯一與國(guó)際海底管理局簽訂多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和海底熱液硫化物3 種海底礦產(chǎn)資源勘探合同，以及擁有4 塊專(zhuān)屬勘探權(quán)和優(yōu)先開(kāi)采權(quán)礦區(qū)的國(guó)家。我國(guó)擁有的國(guó)際海底區(qū)域礦區(qū)包括中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)于2001年獲得的東太平洋75 000 km2多金屬結(jié)核勘探礦區(qū)、西南印度洋10 000 km2多金屬硫化物勘探礦區(qū)和于2013 年獲得的西太平洋3 000 km2富鈷結(jié)殼勘探礦區(qū)，中國(guó)五礦于2015 年獲得的東太平洋73 000 km2多金屬結(jié)核勘探礦區(qū)[1]。

深海礦床包括硫化物礦床、鈷結(jié)殼礦床和鐵錳結(jié)核礦床。深海礦床的探查開(kāi)采是深海進(jìn)入、深海探查、深海開(kāi)發(fā)的重要組成部分。深海礦床的巖芯取樣調(diào)查是深海礦床開(kāi)采前的重要工作。目前，鐵錳結(jié)核礦床主要依靠科考船拖網(wǎng)、拖箱海底拖曳取樣，也可由潛水器下潛后，使用鏟斗、機(jī)械手等取樣得到結(jié)核巖芯樣品；硫化物礦床和鈷結(jié)殼礦床主要依靠船載鉆機(jī)巖芯取樣及潛水器搭載小型鉆機(jī)鉆取巖芯取樣，或者由潛水器機(jī)械手直接抓取撿拾取樣。由潛水器機(jī)械手直接抓取撿拾取樣只能獲得礦床表面的獨(dú)立樣品，無(wú)法獲得礦床內(nèi)部的樣品。國(guó)際上，美國(guó)、日本、俄羅斯、法國(guó)、英國(guó)等國(guó)家利用載人潛水器（Human Occupied Vehicles，HOV）和有纜無(wú)人潛水器（Remote Operated Vehicle，ROV）已實(shí)現(xiàn)了海洋鈷結(jié)殼的取芯[2-4]。國(guó)內(nèi)基于“海馬”號(hào)ROV、“蛟龍”號(hào)HOV 也相繼開(kāi)展了潛水器搭載作業(yè)工具進(jìn)行深海礦床取芯的研究工作，不過(guò)目前的鉆機(jī)巖芯取樣對(duì)巖芯鉆機(jī)的操作要求較高，對(duì)深海礦床地形要求也較高，取樣成功率不高，因?yàn)槿⌒俱@頭水下更換技術(shù)的制約，單潛次中只能進(jìn)行一次或者有限次數(shù)取芯作業(yè)[5-9]。本文開(kāi)展了ROV搭載的深海礦床沖擊式破碎器的研究工作，研制了一種由電力驅(qū)動(dòng)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為沖擊傳動(dòng)裝置的深海礦床沖擊式破碎器。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求及指標(biāo)

本文的深海礦床沖擊式破碎器主要用于鈷結(jié)殼礦床和多金屬硫化物礦床的沖擊破碎作業(yè)，通過(guò)高頻沖擊使海底礦床破碎，其高頻沖擊能力需達(dá)到使鈷結(jié)殼、多金屬硫化物礦床破裂的強(qiáng)度。

海洋鈷結(jié)殼主要分布在水深800～3 000 m 的海山、海臺(tái)頂部和斜面上，為皮殼狀鐵錳氧化物和氫氧化物。各國(guó)都對(duì)鈷結(jié)殼的物理機(jī)械特性進(jìn)行了研究分析，分析結(jié)果表明，鈷結(jié)殼的抗壓強(qiáng)度為8～30 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.1～2.3 MPa；基巖的抗壓強(qiáng)度為2～40 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.3～20 MPa[9]。

多金屬硫化物多分布在崎嶇不平的2 000～3 000 m的海底區(qū)域，富含有鐵、銅、鋅及金、銀、銅等大量貴金屬，大多以塊狀、煙囪狀等狀態(tài)存在于海底。劉偉等[10]和劉少軍等[11-12]對(duì)深海底獲取到的硫化物樣品進(jìn)行了力學(xué)特性分析，分析結(jié)果表明，硫化物的破裂強(qiáng)度小于37 MPa。

由上述分析可以得出，深海礦床沖擊式破碎器需達(dá)到以下功能指標(biāo)：（1）最大工作水深：4 000 m；（2）沖擊能力：40 MPa；（3）整機(jī)重量：不大于40 kg。

1.2 總體結(jié)構(gòu)組成

深海礦床沖擊式破碎器搭載潛水器下潛到深海礦床，由潛水器的機(jī)械手夾持破碎器頂部的T 型把手，并將破碎器置于待取樣礦床進(jìn)行取樣，破碎器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)曲柄滑塊結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)沖擊頭結(jié)構(gòu)，沖擊頭高頻率沖擊深海礦床表層，獲得深海礦床表層破裂樣品。深海礦床沖擊式破碎器主要由沖擊緩沖結(jié)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、曲柄滑塊結(jié)構(gòu)、彈簧復(fù)位結(jié)構(gòu)、沖擊頭結(jié)構(gòu)等組成，如圖1所示。沖擊緩沖結(jié)構(gòu)可減小破碎器沖擊工作時(shí)巖石對(duì)機(jī)械手的反向沖擊力；電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電機(jī)在深海底的耐壓水密需求，并為破碎器提供驅(qū)動(dòng)力；齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)用于將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)輸出換向傳遞到曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)上；曲柄滑塊結(jié)構(gòu)將電機(jī)及齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的直線運(yùn)動(dòng)；彈簧復(fù)位結(jié)構(gòu)用于沖擊頭結(jié)構(gòu)快速?gòu)?fù)位；沖擊頭結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)破碎器對(duì)深海礦床表層的高頻沖擊。

圖1 破碎器總體結(jié)構(gòu)圖

破碎器的電機(jī)采用120 V 直流電壓驅(qū)動(dòng)，以適應(yīng)“海龍Ⅲ”號(hào)ROV 的外接電源接口；T 型把手的尺寸與“海龍Ⅲ”號(hào)ROV 的七功能機(jī)械手手爪尺寸適配，以便機(jī)械手可以牢固夾持住破碎器。破碎器的外形尺寸與“海龍Ⅲ”號(hào)ROV 的采樣籃尺寸適配，方便破碎器在采樣籃內(nèi)存放并可由七功能機(jī)械手將破碎器從采樣籃中取出。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 水密設(shè)計(jì)

深海礦床沖擊式破碎器用于在深海底沖擊取樣，其作業(yè)環(huán)境具有高水壓力的特點(diǎn)，在此環(huán)境下既要保證破碎器的水密性，又要保證其高頻率的沖擊動(dòng)作是相當(dāng)困難的，因此，本文的破碎器結(jié)構(gòu)采用了可適用于深海海底中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、曲柄滑塊結(jié)構(gòu)、彈簧復(fù)位結(jié)構(gòu)、沖擊頭結(jié)構(gòu)均可直接在深海海底中動(dòng)作，不需進(jìn)行水密設(shè)計(jì)，只需將電機(jī)進(jìn)行水密處理。將電機(jī)安裝在水密艙中，水密艙內(nèi)部填充硅油，水密艙的端部設(shè)置有補(bǔ)償油膜。當(dāng)外界的海水壓力變化時(shí)，補(bǔ)償油膜發(fā)生彈性變形，使水密艙內(nèi)部空間隨海水壓力變化而變化，因此可使水密艙內(nèi)部硅油壓力與外部海水壓力相平衡，在此情況下，當(dāng)電機(jī)高速輸出時(shí)，電機(jī)軸的密封設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足電機(jī)及水密艙的水密要求，如圖2 所示。

圖2 電機(jī)的水密結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 沖擊及復(fù)位結(jié)構(gòu)

沖擊頭結(jié)構(gòu)主要由沖擊頭和撞塊組成。彈簧復(fù)位結(jié)構(gòu)主要由沖擊頭復(fù)位彈簧、撞塊復(fù)位彈簧組成。曲柄滑塊結(jié)構(gòu)中的滑塊在電機(jī)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滑塊向沖擊頭方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑塊撞擊撞塊，將自身速度傳遞到撞塊，使撞塊獲得向沖擊頭方向的運(yùn)動(dòng)速度，撞塊撞擊沖擊頭，使沖擊頭向前產(chǎn)生沖擊動(dòng)作；撞塊向沖擊頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，撞塊復(fù)位彈簧同時(shí)被撞塊壓縮產(chǎn)生壓縮變形；沖擊頭向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，沖擊頭復(fù)位彈簧同時(shí)被沖擊頭壓縮產(chǎn)生壓縮變形；當(dāng)一個(gè)沖擊動(dòng)作結(jié)束時(shí)，滑塊向反方向運(yùn)動(dòng)，沖擊頭復(fù)位彈簧的反彈力使沖擊頭復(fù)位，撞塊復(fù)位彈簧的反彈力使撞塊復(fù)位，如圖3 所示。

圖3 沖擊及復(fù)位結(jié)構(gòu)圖

高頻率沖擊破碎巖石是用高頻微小位移的沖擊運(yùn)動(dòng)，使巖石表面破裂，因此沖擊頭復(fù)位彈簧采用小尺寸、高剛度系數(shù)的碟簧，既可以實(shí)現(xiàn)微小位移的沖擊運(yùn)動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)沖擊頭的快速?gòu)?fù)位；撞塊復(fù)位彈簧采用低剛度系數(shù)的壓縮彈簧，以減少撞塊的能量損耗，并能增加滑塊的運(yùn)動(dòng)空間以使滑塊獲得更大的速度。

2 工作性能參數(shù)計(jì)算

破碎器的工作性能參數(shù)計(jì)算主要目的在于選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率及轉(zhuǎn)速、曲柄偏心尺寸、撞塊質(zhì)量、沖擊頭的質(zhì)量、撞塊復(fù)位彈簧的剛度及長(zhǎng)度參數(shù)，并進(jìn)行匹配計(jì)算，以確保沖擊頭在沖擊巖芯時(shí)，具有充足的沖擊能量。本節(jié)中的計(jì)算為破碎器性能的簡(jiǎn)單估算，詳細(xì)工作性能確認(rèn)通過(guò)下節(jié)中的動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)現(xiàn)。破碎器參數(shù)如表1 所示。

表1 破碎器參數(shù)

破碎器的能量由驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)提供，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)化為滑塊的直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能；在滑塊與撞塊撞擊后，滑塊的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為撞塊的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能；撞塊的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為沖擊頭的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能以及撞塊復(fù)位彈簧的彈性勢(shì)能。在此節(jié)的計(jì)算中，暫不考慮撞擊的能量損失和摩擦的能量損失。由于沖擊頭的沖擊距離、沖擊時(shí)間較短，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算沖擊頭復(fù)位彈簧的壓縮距離，因此暫不考慮沖擊頭復(fù)位彈簧的彈性勢(shì)能損失。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在一個(gè)沖擊循環(huán)中可提供的能量如下。

式中，W曲為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在一個(gè)沖擊循環(huán)中可提供的能量。

撞塊最大速度如下。

式中，v 為撞塊最大速度。

撞塊最大動(dòng)能如下。

式中，E 為撞塊最大動(dòng)能。

撞塊復(fù)位彈簧的最大彈性勢(shì)能如下。

式中，W1為撞塊復(fù)位彈簧的最大彈性勢(shì)能。

撞塊及沖擊頭的沖擊能力如下。

式中，W 為沖擊頭的沖擊能力。

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，W曲＞E，W曲＞W(wǎng)，電機(jī)功率可以滿(mǎn)足目前的沖擊能力，撞塊及沖擊頭的沖擊能力也滿(mǎn)足巖芯的沖擊需求。

3 動(dòng)力學(xué)仿真

為使破碎器實(shí)現(xiàn)最大的沖擊效率，需滿(mǎn)足以下3 個(gè)條件：（1）滑塊以最大速度撞擊到撞塊，使撞塊獲得最大的撞擊速度；（2）沖擊頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率、撞塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率與滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率相同，以便最大化利用電機(jī)的輸出功率；（3）在滿(mǎn)足以上兩個(gè)條件的情況下，沖擊頭復(fù)位彈簧與撞塊復(fù)位彈簧的最大反彈力應(yīng)盡量小，從而使撞塊和沖擊頭正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)彈簧的彈性勢(shì)能達(dá)到最小，沖擊能量達(dá)到最大。

為實(shí)現(xiàn)以上3 個(gè)條件，本文對(duì)撞塊的質(zhì)量、尺寸、沖擊頭的質(zhì)量、撞塊復(fù)位彈簧、沖擊頭復(fù)位彈簧的初始力、剛度系數(shù)、撞塊的正反向運(yùn)動(dòng)行程等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)破碎器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真模擬，以驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。

本文選用ANSYS Workbench 中的剛體動(dòng)力學(xué)模塊，對(duì)滑塊、撞塊、沖擊頭之間的沖擊能量傳遞，撞塊復(fù)位彈簧和沖擊頭復(fù)位彈簧的彈性力作用過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真，仿真模型如圖4 所示。

圖4 仿真模型圖

ANSYS Workbench 的剛體動(dòng)力學(xué)模塊是ANSYS產(chǎn)品的一個(gè)附加模塊，它集成于ANSYS Workbench環(huán)境下，在ANSYS 所具有的柔性體動(dòng)力學(xué)（瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)）分析功能的基礎(chǔ)上，基于全新的模型處理方法和求解算法（顯式積分技術(shù)），專(zhuān)用于模擬由運(yùn)動(dòng)副和彈簧連接起來(lái)的剛性組件的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

在ANSYS Workbench 的剛體動(dòng)力學(xué)模塊中，撞塊復(fù)位彈簧與沖擊頭復(fù)位彈簧均采用模擬彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)，在彈簧設(shè)置頁(yè)面對(duì)彈簧的剛度、初始彈力進(jìn)行設(shè)置。

撞塊與滑塊之間、撞塊與沖擊頭之間均采用Frictionless（無(wú)摩擦）接觸，對(duì)Frictionless 接觸中的Pinball Region（接觸球區(qū)域）參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，選擇Radius（半徑）模式，將Pinball Radius（接觸球半徑）的值設(shè)置為1e-5 m。

設(shè)置分析時(shí)間為0.09 s，此時(shí)間為曲柄完成3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期的時(shí)間，分析設(shè)置按照步長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行控制，初始步長(zhǎng)時(shí)間為1e-5 s，最小步長(zhǎng)時(shí)間為1e-6 s，最大步長(zhǎng)時(shí)間為5e-5 s。

在分析結(jié)果中，分別對(duì)滑塊位置、撞塊位置、沖擊頭位置、沖擊頭速度、沖擊頭加速度的變化及規(guī)律進(jìn)行分析，以觀察沖擊器各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及沖擊效果。

由圖5 至圖9 可以看出，滑塊位置、撞塊位置、沖擊頭位置、沖擊頭速度、沖擊頭加速度的變化是相互吻合的。當(dāng)曲柄連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)3 周時(shí)，滑塊在曲柄的驅(qū)動(dòng)下按照既定速度完成3 周的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其位置及運(yùn)動(dòng)速度按照正弦曲線變化；撞塊在滑塊的沖擊及撞塊復(fù)位彈簧的變彈性復(fù)位力作用下，完成了3 個(gè)周期的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；而沖擊頭在一個(gè)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)完成了6 次周期性沖擊動(dòng)作，在這6 個(gè)周期內(nèi)，完成了7 次沖擊，第一次沖擊的速度最快，可達(dá)3.710 8 m/s，以后的6 次沖擊按照同參數(shù)的周期進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，每個(gè)沖擊動(dòng)作周期參數(shù)基本相同，說(shuō)明沖擊頭的沖擊動(dòng)作穩(wěn)定可靠。

圖5 滑塊位置圖

圖6 撞塊位置圖

圖7 沖擊頭位置圖

圖9 沖擊頭速度圖

圖8 沖擊頭加速度圖

沖擊頭的最大沖擊速度為3.710 8 m/s，沖擊頻率為14 000 r/min，沖擊頭的質(zhì)量為0.81 kg。一個(gè)曲柄運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，沖擊頭第一次的沖擊能量計(jì)算如下。

式中，W模擬1為沖擊頭第一次沖擊能量；m沖擊為沖擊頭的質(zhì)量；v模擬1為沖擊頭第一次沖擊速度。

一個(gè)曲柄運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，沖擊頭的第2 次至第7次的沖擊速度為1.552 7 m/s，其單次沖擊能量計(jì)算如下。

式中，W模擬2為沖擊頭第2 次至第7 次的單次沖擊能量；v模擬2為沖擊頭第2 次至第7 次的單次沖擊速度。

一個(gè)曲柄運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的總沖擊能量計(jì)算如下。

式中，W模擬為沖擊頭在一個(gè)曲柄運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的總沖擊能量。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，仿真模擬得到的沖擊能量與第2 節(jié)中理論計(jì)算得到的數(shù)據(jù)相近，且在11.435 3 J的沖擊能力，每分鐘2 000 次的沖擊頻率下，可以完成對(duì)海底硫化物礦床及鈷結(jié)殼礦床的巖芯沖擊取樣。

4 結(jié) 論

本文在分析深海礦床取芯特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于“海龍Ⅲ”號(hào)ROV 的搭載特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了深海礦床沖擊式取樣器的主要結(jié)構(gòu)，依據(jù)鈷結(jié)殼、多金屬硫化物等深海礦場(chǎng)的破裂強(qiáng)度，對(duì)破碎器的功能指標(biāo)進(jìn)行了推導(dǎo)計(jì)算，并基于ANSYS Workbench 對(duì)破碎器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真模擬，并在仿真模擬過(guò)程中，對(duì)破碎器的撞塊質(zhì)量、尺寸、沖擊頭的質(zhì)量、撞塊復(fù)位彈簧、沖擊頭復(fù)位彈簧的初始力、剛度系數(shù)、撞塊的正反向運(yùn)動(dòng)行程等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明：（1）深海礦床沖擊式破碎器工作水深為水下4 000 m，巖石沖擊破斷力為40 MPa；（2）深海礦床沖擊式破碎器由水密電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，撞塊、沖擊頭、撞塊復(fù)位彈簧、沖擊頭復(fù)位彈簧完成沖擊及復(fù)位動(dòng)作；（3）通過(guò)理論計(jì)算及動(dòng)力學(xué)仿真模擬分析相結(jié)合的方式，得到了沖擊式破碎器的沖擊能量及沖擊規(guī)律，在11.435 3 J 的沖擊能力，每分鐘2 000 次的沖擊頻率下，可以完成對(duì)海底硫化物礦床及鈷結(jié)殼礦床的巖芯沖擊取樣；（4）本文設(shè)計(jì)的沖擊式破碎器可以實(shí)現(xiàn)“海龍Ⅲ”號(hào)ROV 在復(fù)雜的富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物區(qū)域深海礦產(chǎn)巖芯取樣的目標(biāo)，為深海礦產(chǎn)資源勘探和地質(zhì)調(diào)查提供必要支撐。