采样切割海底智能采矿车的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种采样切割海底智能采矿车，包括：采矿车工作平台，正中央开有一个小孔；设置于所述采矿车工作平台的四个顶角的槽型开口；安置于所述槽型开口内的杵型切割机和打桩机，其中，所述杵型切割机和打桩机纵向伸缩和且在所述槽型开口内作水平直线滑动；向下镶嵌于所述小孔内的环形吸矿罩；设置于所述吸矿罩的下端环形边缘内的可旋转的环形水射流喷嘴；贯穿所述采矿车工作平台和环形吸矿罩插入海底地面下的柱型升降机；安置于所述环形吸矿罩内的矿浆泵。本发明的采样切割海底智能采矿车由水下高压电机驱动，集采样、切割、集矿等功能为一体，具有工作配合流畅、安全可靠、定位精准，智能高效，节能环保等一系列优点。
【专利说明】
采样切割海底智能采矿车
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种采样切割海底智能采矿车。
【背景技术】
[0002]众所周知，地球表面超过70%的面积都被浩瀚的海洋所包围，是名副其实的蓝色星球。海洋在人类的发展繁衍中发挥着举足轻重的作用，不仅是地球气候的调节器，更蕴藏着无穷无尽的自然资源。除海洋石油气资源和海滨矿砂外，海底目前已知有商业开采价值的还有多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等金属矿产资源。这些矿物中富含镍、钴、铜、锰及金、银金属等，总储量分别高出陆上相应储量的几十倍到几千倍。其中，稀有金属钴更是被称为21世纪的“新金属”，在现代工业中，其应用领域不断扩大，钴的需求量也呈增长态势。目前，陆地上的钴资源主要作为铜、镍金属矿床的伴生元素存在，且全球分布极不均匀。陆地上钴含量大于0.1%的矿床为数很少，钴储量严重不足。相比之下，海底富钴结壳的含量则大得多，据推测钴资源含量达到了3 X 109L2013年，我国又正式获得一块太平洋富钴结壳矿区的开发权。可以看出，海洋在矿产资源开发方面具有非常大的潜力，我国也应积极部署发展深海工程装备与高科技船舶。正是在这样的时代背景下，国家在中央十八大报告中提出，要努力将我国建设成“海洋强国”，具体包括加大海洋资源的开发、推动海洋经济的发展，提高海洋科技的创新，抓紧海洋生态文明的建设以及加强海洋权益的维护。而在2015年5月19日公布的《中国制造2025》报告中，国家又明确提出了“制造强国”的新战略，把“深海工程装备及高科技船舶”归为重点突破的十大战略领域之一，要着重进行先进海洋工程装备的研发和国有化。
[0003]现今，全世界都将目光聚集于海底富钴结壳的开采，从相关研究结果可知，海底富钴结壳中钴绝大部分赋存在铁锰水合氧化物中，而铁锰水合氧化物通常只赋存在海床较薄的一层表面当中，通常在几米到十几米之间，再往下的地质通常为极其坚硬的基岩部分，倘若采矿车的打粧机盲目地打击到基岩部分，则有可能损坏。因此，在采矿之前先进行采样过程，测定分析该矿区的地质条件，再进行切割、集矿等过程是十分有必要的，相关技术也是当今采矿领域内研究的热点。
[0004]现今国际采矿技术大多采用机械式开采的方式，具体为先通过切割机将海底矿物切碎，再利用长的链斗或海底机器人把海底表面的矿石收集起来，最后运用传送带提上来。但是由于是简单的高强度机械式采样，故会对海底生态环境造成较为严重的扰动和破坏，自身能量消耗也极大。同时，由于深海地形和海底通信的限制，该方式的工作范围和工作效率都受到了严重的限制。其次，现今采样切割海底智能采矿车，大多将采样、切割和收集等工作分别交给不同的机械装置作业，这导致各装置之间常常出现工作协调性较差，在宏观指挥上也更加繁琐，总体效率不高。部分情况下也采用浮式开采，即利用高速对射水流把海底矿物吹起，再通过栗和管道以水力或气力的方式将矿石从海底提升。然而，该方法由于采用了高强度对冲式水射流产生激荡以提升矿物，势必存在极大的耗能负担，这无疑不符合未来工业节能减排的大趋势。并且，对冲式水射流大范围式的激荡在提升矿物的同时也会附带大量泥浆的扩散，严重危害海洋的生态环境。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种采样切割海底智能采矿车，能够改善原油海底采矿装备操作繁琐，效率低，耗能大，对海底生态环境破坏较大等不足。
[0006]为解决上述问题，本发明提供一种采样切割海底智能采矿车，包括:
[0007]采矿车工作平台，正中央开有一个小孔；
[0008]设置于所述采矿车工作平台的四个顶角的槽型开口；
[0009]安置于所述槽型开口内的杵型切割机和打粧机，其中，所述杵型切割机和打粧机纵向伸缩和且在所述槽型开口内作水平直线滑动；
[0010]向下镶嵌于所述小孔内的环形吸矿罩；
[0011]设置于所述吸矿罩的下端环形边缘内的可旋转的环形水射流喷嘴；
[0012]贯穿所述采矿车工作平台和环形吸矿罩插入海底地面下的柱型升降机；
[0013]安置于所述环形吸矿罩内的矿浆栗。
[0014]进一步的，在上述采样切割海底智能采矿车中，所述环形吸矿罩的形状为下宽上窄的圆台型。
[0015]进一步的，在上述采样切割海底智能采矿车中，所述柱型升降机包括四根可纵向伸缩运动的圆柱形金属筒。
[0016]进一步的，在上述采样切割海底智能采矿车中，所述圆柱形金属筒在所述环形吸矿罩内以环形吸矿罩的圆心为原点，每隔90度布置一根，四根圆柱形金属筒总体呈现四点对称均布。
[0017]进一步的，在上述采样切割海底智能采矿车中，所述打粧机上的设置有高精度力学传感器，用于采集指定区域内的各坐标的采样数据，并根据所述采样数据分析计算得到矿物分析数据，将所述矿物分析数据传送给杵型切割机与环形水射流喷嘴。
[0018]进一步的，在上述采样切割海底智能采矿车中，所述采样数据包括压力作用大小和频率的变化规律。
[0019]进一步的，在上述采样切割海底智能采矿车中，所述矿物分析数据包括所述区域各坐标处富钴结壳的埋藏深度、蕴藏和储存量以及存在形式。
[0020]进一步的，在上述采样切割海底智能采矿车中，所述杵型切割机，用于在收到高精度力学传感器传输过来的矿物分析数据后，根据所述矿物分析数据选择相应的自旋速度和功率在槽型开口内作往复运动，同时根据所述矿物分析数据选择相应的功率在纵向作升降运动。
[0021]进一步的，在上述采样切割海底智能采矿车中，所述环形水射流喷嘴，用于在收到所述高精度力学传感器传输过来的矿物分析数据后，根据矿物分析数据进行水动力学计算，根据计算结果将环形水射流喷嘴调整到对应倾斜角度和喷射强度。
[0022]进一步的，在上述采样切割海底智能采矿车中，所述环形吸矿罩内设有所述矿浆栗的固定槽，所述固定槽的内壁上设有侧向固定螺丝孔和微型丝杠，所述微型丝杠设于侧向固定螺丝孔内并在侧向上固定所述矿浆栗。
[0023]进一步的，在上述采样切割海底智能采矿车中，所述杵型切割机和打粧机的数量为四的整数倍。
[0024]进一步的，在上述采样切割海底智能采矿车中，所述环形吸矿罩的上部镶嵌于所述采矿车工作平台中央所开的小孔内，并与所述采矿车工作平台焊接固定。
[0025]进一步的，在上述采样切割海底智能采矿车中，所述环形水射流喷嘴采用低强度大流量水射流技术。
[0026]与现有技术相比，本发明有如下优点:
[0027]1.不同工种之间衔接流畅，配合默契
[0028]当今大多数采矿过程是将采样，切割和收集等过程单一分开，分别通过不同的机械装置完成，但这种做法的问题在于不同工种之间的信息数据不能在相互之间及时反馈，以至于常常出现配合不协调的情形，从而导致效率低下。本装置由于同时配备了切割机，打粧机和吸矿罩，故在一次操作过程中可依次完成采样，切割和收集几项功能，配合协调，井然有序，从而在整体上提升了工作效率。
[0029]2.环保节能
[0030]相比于传统单纯的大功率机械式采矿对海床造成的巨大负面影响以及易受限于海底地形环境等不足之处，本装置在机械式提矿的基础上引入了内置有矿浆栗的吸矿罩以及环形水射流喷嘴装置，通过矿浆栗抽吸作用形成的负压，以及以一定倾角喷射而出的低强度大流量水射流两者的共同作用综合诱导形成龙卷风式涡流场，压强由四周向中间，由下向上逐渐变小，锰结核或富钴结壳颗粒在压力差作用下向圆心集聚并旋升，从而实现集矿。漩涡的形成将会降低海床表面矿物颗粒临界启动速度的大约20%左右，从而在同种工况和集矿状态下，此装置吸矿所需要的功率将会大大减少，极大地降低了能源的消耗，同时也避免了当今海底采矿活动中大型装备对海床表面剧烈的冲刷扰动以及海底泥沙大范围扩散等严重破幻海洋环境的现象，保证了海洋生态的可持续发展。
[0031]3.智能高效
[0032]本采样切割海底智能采矿车在打粧同时可以完成该区域矿产初步采样的过程，由安置在打粧机上的高精度力学传感器采集指定坐标处的采样数据，例如压力作用大小和频率等特征量的变化规律，进而分析计算该区域各坐标处富钴结壳的埋藏深度，蕴藏和储存量以及存在形式，并将相关测试结果传送给杵型切割机和环形水射流喷嘴。杵型切割机根据打粧机的反馈数据信息，自主控制、调整相应工作的功率，时间和纵向打击深度等参数，以达到精确切割富钴结壳的目的，实现效率最大化。环形水射流喷嘴同样根据传输过来的矿区地理环境参数，通过旋转水射流喷头喷射的角度以及控制水射流喷射的流量，来与矿浆栗配合综合诱导龙卷风式涡流场的形成，从而达到裹挟富钴结壳等矿物的目的。
[0033]4.安全可靠
[0034]采样切割海底智能采矿车的险情预防和处理措施充分，工作流程可控，运行可靠。
【附图说明】
[0035]图1是本发明一实施例的采样切割海底智能采矿车的侧视图；
[0036]图2是本发明一实施例的采样切割海底智能采矿车的主视图；
[0037]图3是本发明一实施例的采样切割海底智能采矿车的俯视图；
[0038]图中，打粧机-1，杵型切割机-2，柱型升降机-3，环形水射流喷嘴-4，采矿车工作平台-5，环形吸矿罩-6，槽型开口 -7。
【具体实施方式】
[0039]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0040]如图1至3所示，本发明提供一种采样切割海底智能采矿车，包括:
[0041 ]采矿车工作平台5，采矿车工作平台正中央开有一个小孔；
[0042]设置于所述采矿车工作平台5的四个顶角的槽型开口7;
[0043]安置于所述槽型开口内的杵型切割机2和打粧机I，其中，所述杵型切割机2和打粧机I可纵向伸缩和且可在所述槽型开口7内作水平直线滑动;具体的，采样切割海底智能采矿车在矿区缓速前行，移动到指定区域后，打粧机I开始高速旋转，到达一定转速后，开始向下沉降，进而纵向插入海底，牢牢地支撑稳固整个采样切割海底智能采矿车；
[0044]向下镶嵌于所述小孔内的环形吸矿罩6;
[0045]设置于所述吸矿罩的下端环形边缘内的可旋转的环形水射流喷嘴4;
[0046]贯穿所述采矿车工作平台5和环形吸矿罩6插入海底地面下的柱型升降机3;具体的，在环形吸矿罩6和采矿车工作平台5之间，四根圆柱形金属筒3贯穿采矿车工作平台5和环形吸矿罩5插入海底地面下，根据实际矿区地理环境，可通过纵向伸缩运动实现整个工作平台的任意升降过程；
[0047]安置于所述环形吸矿罩6内的矿浆栗；具体的，矿浆栗通过抽吸作用，形成局部负压，通过矿浆栗抽吸作用结合环形水射流喷嘴4的水射流的倾斜喷射形成水漩涡，使矿石受升力而被吸起。具体的，为改善原油海底采矿装备操作繁琐，效率低，耗能大，对海底生态环境破坏较大等不足，本发明的采样切割海底智能采矿车由水下高压电机驱动，集采样、切害Ij、集矿等功能为一体，具有工作配合流畅、安全可靠、定位精准，智能高效，节能环保等一系列优点。
[0048]优选的，所述吸矿罩的形状为下宽上窄的圆台型。
[0049]优选的，所述柱型升降机包括可纵向伸缩运动的四根圆柱形金属筒3。
[0050]优选的，所述圆柱形金属筒3在所述环形吸矿罩6内以环形吸矿罩6的圆心为原点，每隔90度布置一根，四根圆柱形金属筒3总体呈现四点对称均布，故其数量也为四的整数倍。
[0051]优选的，所述打粧机I上的设置有高精度力学传感器，用于采集指定区域内的各坐标的采样数据，并根据所述采样数据分析计算得到矿物分析数据，将所述矿物分析数据传送给杵型切割机2与环形水射流喷嘴4。较佳的，所述采样数据包括压力作用大小和频率的变化规律。较佳的，所述矿物分析数据包括所述区域各坐标处富钴结壳的埋藏深度、蕴藏和储存量以及存在形式。具体的，打粧机在打粧的同时完成初步采样的过程，由安置在打粧机上的高精度力学传感器采集指定区域内的各坐标的采样数据，例如压力作用大小和频率等特征量的变化规律，进而分析计算该区域各坐标处的矿物分析数据如富钴结壳的埋藏深度，蕴藏和储存量以及存在形式，并将相关矿物分析数据传送给杵型切割机2与环形水射流喷嘴4。
[0052]优选的，所述杵型切割机2，用于在收到高精度力学传感器传输过来的矿物分析数据后，根据所述矿物分析数据选择相应的自旋速度和功率在槽型开口 7内作往复运动，同时根据所述矿物分析数据选择相应的功率在纵向作升降运动。具体的，所述杵型切割机2在收到高精度力学传感器传输过来的矿物分析数据后，根据所述矿物分析数据选择相应的自旋速度和功率在槽型开口 7内作往复运动，将较大的海底矿石如富钴结壳或锰结核切割成较小的块状以利于后续步骤的采集，同时杵型切割机2在纵向作升降运动，根据矿石的深度自主控制功率，以实现精确打击切割富钴结壳的目的。
[0053]优选的，所述环形水射流喷嘴4，用于在收到高精度力学传感器传输过来的矿物分析数据后，根据矿物分析数据进行水动力学计算，根据计算结果将环形水射流喷嘴调整到对应倾斜角度和喷射强度，以射出低强度大流量水射流。具体的，在收到高精度力学传感器传输过来的矿物分析数据后，环形水射流喷嘴根据高精度力学传感器初步采样过程中收集到的矿物分析数据如矿区地理环境参数，通过CFD等相关水动力学计算，自动将水射流喷嘴调整到最适合的倾斜角度，进而喷射出低强度大流量水射流，并结合矿浆栗的抽吸作用综合诱导形成龙卷风式涡流场，压强由四周向中间，由下向上逐渐变小，锰结核或富钴结壳颗粒在压力差作用下向圆心集聚并旋升，从而实现集矿。漩涡的形成将会降低海床表面矿物颗粒临界启动速度的大约20%左右，从而在同种工况和集矿状态下，此装置吸矿所需要的功率将会大大减少，极大地降低了能源的消耗，同时也避免了当今海底采矿活动中大型装备对海洋环境的负面影响，保证了海洋生态的可持续发展。
[0054]优选的，所述环形吸矿罩6内设有所述矿浆栗的固定槽，所述固定槽的内壁上设有侧向固定螺丝孔和微型丝杠，所述微型丝杠设于侧向固定螺丝孔内并在侧向上固定所述矿浆栗。
[0055]优选的，所述杵型切割机和打粧机的数量为四的整数倍，所述杵型切割机和打粧机于所述槽型开口 7内水平直线运动，同时也可在竖直方向作升降运动。无论是水平还是竖直方向上的运动，都可以通过调节功率来更改速度和切割、打击力度。
[0056]优选的，所述环形吸矿罩6的上部镶嵌于所述采矿车工作平台中央所开的小孔内，并与所述采矿车工作平台焊接固定，具体的，所述环形吸矿罩6的上部镶嵌于所述圆台中央所开的小孔内，通过焊接的方式与所述采矿车工作平台固定，保证在深海工作环境下安全可靠。
[0057]优选的，所述环形水射流喷嘴4采用低强度大流量水射流技术，自由改变水射流的喷射方向和喷射强度。所述环形吸矿罩6底部的环形水射流喷嘴4采用低强度大流量水射流技术，配合所述环形吸矿罩6的矿浆栗综合诱导形成龙卷风式涡流场，且水射流喷环可自由改变水射流的喷射方向和喷射强度，以实现各种角度，各种力度全方位造涡效果。
[0058]与现有技术相比，本发明有如下优点:
[0059]1.不同工种之间衔接流畅，配合默契
[0060]当今大多数采矿过程是将采样，切割和收集等过程单一分开，分别通过不同的机械装置完成，但这种做法的问题在于不同工种之间的信息数据不能在相互之间及时反馈，以至于常常出现配合不协调的情形，从而导致效率低下。本装置由于同时配备了切割机，打粧机和吸矿罩，故在一次操作过程中可依次完成采样，切割和收集几项功能，配合协调，井然有序，从而在整体上提升了工作效率。
[0061 ] 2.环保节能
[0062]相比于传统单纯的大功率机械式采矿对海床造成的巨大负面影响以及易受限于海底地形环境等不足之处，本装置在机械式提矿的基础上引入了内置有矿浆栗的吸矿罩以及环形水射流喷嘴装置，通过矿浆栗抽吸作用形成的负压，以及以一定倾角喷射而出的低强度大流量水射流两者的共同作用综合诱导形成龙卷风式涡流场，压强由四周向中间，由下向上逐渐变小，锰结核或富钴结壳颗粒在压力差作用下向圆心集聚并旋升，从而实现集矿。漩涡的形成将会降低海床表面矿物颗粒临界启动速度的大约20%左右，从而在同种工况和集矿状态下，此装置吸矿所需要的功率将会大大减少，极大地降低了能源的消耗，同时也避免了当今海底采矿活动中大型装备对海床表面剧烈的冲刷扰动以及海底泥沙大范围扩散等严重破幻海洋环境的现象，保证了海洋生态的可持续发展。
[0063]3.智能高效
[0064]本采样切割海底智能采矿车在打粧同时可以完成该区域矿产初步采样的过程，由安置在打粧机上的高精度力学传感器采集指定坐标处的采样数据，例如压力作用大小和频率等特征量的变化规律，进而分析计算该区域各坐标处富钴结壳的埋藏深度，蕴藏和储存量以及存在形式，并将相关测试结果传送给杵型切割机和环形水射流喷嘴。杵型切割机根据打粧机的反馈数据信息，自主控制、调整相应工作的功率，时间和纵向打击深度等参数，以达到精确切割富钴结壳的目的，实现效率最大化。环形水射流喷嘴同样根据传输过来的矿区地理环境参数，通过旋转水射流喷头喷射的角度以及控制水射流喷射的流量，来与矿浆栗配合综合诱导龙卷风式涡流场的形成，从而达到裹挟富钴结壳等矿物的目的。
[0065]4.安全可靠
[0066]采样切割海底智能采矿车的险情预防和处理措施充分，工作流程可控，运行可靠。
[0067]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0068]显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种采样切割海底智能采矿车，其特征在于，包括: 采矿车工作平台，正中央开有一个小孔； 设置于所述采矿车工作平台的四个顶角的槽型开口 ； 安置于所述槽型开口内的杵型切割机和打粧机，其中，所述杵型切割机和打粧机纵向伸缩和且在所述槽型开口内作水平直线滑动； 向下镶嵌于所述小孔内的环形吸矿罩； 设置于所述吸矿罩的下端环形边缘内的可旋转的环形水射流喷嘴； 贯穿所述采矿车工作平台和环形吸矿罩插入海底地面下的柱型升降机； 安置于所述环形吸矿罩内的矿浆栗。2.如权利要求1所述的采样切割海底智能采矿车，其特征在于，所述环形吸矿罩的形状为下宽上窄的圆台型。3.如权利要求1所述的采样切割海底智能采矿车，其特征在于，所述柱型升降机包括四根可纵向伸缩运动的圆柱形金属筒。4.如权利要求1所述的采样切割海底智能采矿车，其特征在于，所述圆柱形金属筒在所述环形吸矿罩内以环形吸矿罩的圆心为原点，每隔90度布置一根，四根圆柱形金属筒总体呈现四点对称均布。5.如权利要求1所述的采样切割海底智能采矿车，其特征在于，所述打粧机上的设置有高精度力学传感器，用于采集指定区域内的各坐标的采样数据，并根据所述采样数据分析计算得到矿物分析数据，将所述矿物分析数据传送给杵型切割机与环形水射流喷嘴。6.如权利要求5所述的采样切割海底智能采矿车，其特征在于，所述采样数据包括压力作用大小和频率的变化规律。7.如权利要求5所述的采样切割海底智能采矿车，其特征在于，所述矿物分析数据包括所述区域各坐标处富钴结壳的埋藏深度、蕴藏和储存量以及存在形式。8.如权利要求5所述的采样切割海底智能采矿车，其特征在于，所述杵型切割机，用于在收到高精度力学传感器传输过来的矿物分析数据后，根据所述矿物分析数据选择相应的自旋速度和功率在槽型开口内作往复运动，同时根据所述矿物分析数据选择相应的功率在纵向作升降运动。9.如权利要求5所述的采样切割海底智能采矿车，其特征在于，所述环形水射流喷嘴，用于在收到所述高精度力学传感器传输过来的矿物分析数据后，根据矿物分析数据进行水动力学计算，根据计算结果将环形水射流喷嘴调整到对应倾斜角度和喷射强度。10.如权利要求1所述的采样切割海底智能采矿车，其特征在于，所述环形吸矿罩内设有所述矿浆栗的固定槽，所述固定槽的内壁上设有侧向固定螺丝孔和微型丝杠，所述微型丝杠设于侧向固定螺丝孔内并在侧向上固定所述矿浆栗。11.如权利要求1所述的采样切割海底智能采矿车，其特征在于，所述杵型切割机和打粧机的数量为四的整数倍。12.如权利要求1所述的采样切割海底智能采矿车，其特征在于，所述环形吸矿罩的上部镶嵌于所述采矿车工作平台中央所开的小孔内，并与所述采矿车工作平台焊接固定。13.如权利要求1所述的采样切割海底智能采矿车，其特征在于，所述环形水射流喷嘴采用低强度大流量水射流技术。
【文档编号】E21C50/00GK105863644SQ201610392127
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】肖龙飞, 赵国成, 张康, 彭涛, 吕海宁, 张笑通, 姚昊, 王志强, 陈芝燚
【申请人】上海交通大学