基于高压水射流的深海钴结壳切削装置的制作方法

本发明涉及的是一种水下机器人领域的技术，具体是一种基于高压水射流的深海钴结壳切削装置。

背景技术：

人们对能源的需求不断上升，且陆地矿产资源不断被消耗。因而，人们逐渐将目光转向海洋。金属钴是生产各种特殊性能合金的重要原料，例如防腐合金。海底富钴结壳被认为是钴结壳的一个重要来源，富钴结壳的钴含量可达1％，远高于陆地钴矿的含量。

传统矿石开采方式是采用铰刀头进行矿石切削，但在实际应用中，铰刀头的磨损很快，寿命很低。同时铰刀切削的矿石贫化率较高，机械振动问题较严重。相比之下，目前不断发展的水射流切削技术可以很好得解决上述问题，但至今尚无水射流应用于深海富钴结壳采集的先例。由于高压水射流衰减很快，海底地面凹凸不平，需控制高压水射流喷嘴与海底地面之间的距离，且富钴结壳的采集需实现矿石的切削及与基岩的剥离，如何设计切削装置成为了关键问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种基于高压水射流的深海钴结壳切削装置，适用于我国南海海底钴结壳的地貌，能够提高切削精度并控制矿石贫化率。

本发明是通过以下技术方案实现的，

本发明包括：高压水输送系统、高压水射流喷嘴单元和喷嘴支架，其中：高压水输送系统与高压水射流喷嘴单元相连，高压水射流喷嘴单元中各喷嘴顶部设置在支撑框架上，各喷嘴底部呈球形并通过球铰结构分别连接有喷嘴支架。

所述的喷嘴支架为中空框架结构，框架内固定有球壳，球壳上开设有喷射口，球壳外表面最低点高于框架底部。

所述的高压水射流喷嘴内喷射流道上部呈柱状，在底部与上部连接处逐渐收缩成锥形。

所述的相邻的喷嘴支架之间通过弹簧相连。

所述的高压水射流喷嘴单元中的喷嘴不少于四组，其中：前两组喷嘴结构相同、喷射角度沿铅垂方向对称，后两组喷嘴结构相同、喷射角度与铅垂方向相同。

所述的高压水输送系统包括相连的高压水总管道与高压水分管道，其中：高压水分管道与各组高压水射流喷嘴一一对应设置并通过伸缩管连接。

所述的支撑框架设有外框架罩壳，外框架罩壳通过机械臂与采矿车车体相连。

所述的外框架罩壳设有前置挡板以牵引喷嘴支架。

所述的高压水射流喷嘴单元后方设置有集吸单元，所述的集吸单元包括：收集盖和输送软管，其中：收集盖为弧形与支撑框架尾部倾斜设置，输送软管与采矿车内暂储仓相连。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过球铰结构及机械臂控制高压水射流喷嘴的上下位置，以适应复杂的海底地形；同时本发明能够控制喷射距离，防止高压水射流的扩散，保证切削精度；通过调节高压水压强或切削遍数，控制切削厚度，降低贫化率，贫化率在理想状态下可达零，集吸过程中吸入的洋泥和细小岩石将导致贫化率升高，但仍远低于商业开采50％的贫化率要求；理论计算表明，钴结壳厚度在8cm以内的矿区，采矿车单次行走可保证90％以上的回收率，单个采矿车年产量可达120万吨。

附图说明

图1为基于本发明的采矿车整体结构示意图；

图2为本发明结构示意图；

图3为本发明中喷嘴内部结构剖面图；

图中：(a)为前两组喷嘴结构，(b)为后两组喷嘴结构；

图4为本发明中喷嘴装配结构剖面图；

图5为本发明中喷嘴支架结构示意图；

图6为本发明模拟切割示意图；

图7为本发明中导轨结构示意图；

图中a和b分别为不同角度示意图；

图8为本发明中集吸单元示意图；

图中：喷嘴1、喷嘴支架2、前置挡板3、机械臂4、集吸单元5、高压水总管道6、伸缩管7、高压水分管道8、支撑框架9、外框架罩壳10、收集盖11、输送软管12、筒状护套13。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图2和图4所示，本实施例包括：高压水输送系统、高压水射流喷嘴单元和喷嘴支架2，其中：高压水输送系统与高压水射流喷嘴单元相连，高压水射流喷嘴单元中各喷嘴1的顶部设置在支撑框架9上，各喷嘴1的底部呈球形并通过球铰结构分别连接有喷嘴支架2；

所述的高压水输送系统包括相连的高压水总管道6与高压水分管道8，其中：高压水分管道8与各组喷嘴1一一对应设置并通过伸缩管7连接；

如图5所示，所述的喷嘴支架2为中空框架结构，框架内固定有球壳，球壳上开设有喷射口，球壳外表面最低点高于框架底部3mm。

如图3所示，所述的喷嘴1内喷射流道上部呈柱状，在底部与上部连接处逐渐收缩成锥形。

如图2所示，优选地，所述的高压水射流喷嘴单元中的喷嘴1共四组，每组两排，每排16个，其中：前两组喷嘴1结构相同、喷射角度沿铅垂方向对称，与铅垂方向夹角均为45°，后两组喷嘴1结构相同、喷射角度与铅垂方向相同；上述四组水射流的设置及其运动形式可以实现钴结壳的破碎切削、从基岩上剥离。

所述的后两组喷嘴1顶部设有凸轮结构，如图7所示，相应支撑框架9上设有导轨，电机带动凸轮结构使后两组喷嘴1在导轨上横向往复运动；所述的曲柄滑块结构的往复运动单程在精确度要求较小的情况下，可近似认为是匀速运动。

如图4和图7a、图7b所示，所述的支撑框架9上对应各喷嘴1设有筒状护套13，筒状护套13内绕喷嘴1设有弹簧；如图3所示，所述的喷嘴1顶部对应设有凸起和筒状护套13配合；当地面突起时，地面支持力通过喷嘴支架2、喷嘴1传递至筒状护套13内的弹簧中，在弹簧的作用力下，使整个切削装置与凹凸不平的地面契合，喷嘴1能够与地面维持固定的对峙距离。

如图5所示，所述的相邻的喷嘴支架2之间通过弹簧相连；如图6所示，当采矿车行进在凹凸不平的地面上时，相邻的喷嘴支架2会在凹凸不平的地面所提供的不同方向的支持力的作用下相互带动，使射流尽可能与高低起伏的地面贴合，以提高水射流的效率。

如图1和图8所示，所述的高压水射流喷嘴单元后方设有集吸单元5，所述的集吸单元5包括：收集盖11和输送软管12，其中：收集盖11为弧形，相对于喷嘴1倾斜设置，输送软管12与采矿车内暂储仓相连；所述的集吸单元5采用吸扬式采集方式，以减少富钴结壳切碎后细小颗粒的损失；在惯性力和后方泵吸力的作用下，通过收集器和离心式泥泵将矿物颗粒和洋泥混合物输送至采矿车的暂储仓，进而通过水力提升系统运送至海面母船处。

所述的支撑框架9设有外框架罩壳10以保护切削装置；如图1所示，所述的外框架罩壳10通过机械臂4与采矿车车体相连，根据需要本实施例可在采矿车前进方向上组装若干个，而采矿车通过水面母船吊放至钴结壳矿区，采用履带式行走方并根据中国南海复杂的海底地况平稳越障、爬坡和越沟。

所述的外框架罩壳10设置有前置挡板3以牵引喷嘴支架2，所述的前置挡板3设置在第一组喷嘴1前，与支撑框架9为相同金属材料，宽度与支撑框架9相同；海底地形凹凸不平，当采矿车要在陡峭海平面上爬时，前置档板3可有效抵御海平面作用力，防止喷嘴支架2卡在海底；同时，前置挡板3可以有效阻止粉碎后的矿石扩散避免浪费。

本发明实施例在工作时，高压水输送系统与高压水泵相连，高压水泵抽取海水将其直接加压，并在抽水管道上增加过滤网防止生物附着；采矿车车体的机械臂4控制切削装置整体上下移动以应对不同的海底地形地貌；经过加压的高压水通过高压水总管道6引入各排喷嘴1对应的高压水分管道8内，再通过伸缩管7运输到每一个喷嘴1，从而形成切割矿石的高压水射流；喷嘴支架2随海底地貌的变化转动，同时通过球铰结构和弹簧结构抬升喷嘴1的高度，维持高压水射流的喷射距离，控制了高压水射流的扩散，保证切削精度。