一种集成式海底集矿实验平台

本发明属于深海采矿实验平台领域，具体涉及一种集成式海底集矿实验平台。

背景技术：

1、大洋蕴藏着丰富的金属矿产资源。目前，深海多金属结核集矿机引起了广泛的研究。然而对于大型工业化或商业化开采的原型机的研发来说，需要经历原理实验、中试实验乃至海试的过程。本专利即属于深海集矿头陆地水池中试实验平台领域。

2、深海作业集矿头一旦出现故障，维修过程复杂，因此在海试前需要开展充分的水池实验对集矿头作业的可靠性和技术经济性进行检验。

3、集矿机一般是在无限宽广的海域中移动作业，在模型试验中却要受到水池尺度的限制。需考虑含有粗颗粒的固液两相装备水动力学相似准则，合理设置模型尺度，避免水池池壁对于矿石采集的流场产生影响。特别是集矿头动态采集模式下，需要合理设计集矿头本体、矿物分离仓和泵管以及消波装置等，克服水池中的不规则波浪对矿石采集的干扰。同时，为了提高平台的运行效率，需集成多种集矿模式和动态采集模式，便于测试不同采集原理和采集工况下的集矿特性。集成多种采集模式的集矿机实验系统，无疑具有更大的优势，但设计难度较大。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种集成式海底集矿实验平台，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种集成式海底集矿实验平台，包括集矿装置、实验水池、给料小车、集矿装置行走小车、落料输料装置、测试控制系统和操作终端；

3、所述集矿装置包括集矿头本体、矿物分离仓、泵管回路和泵，所述集矿头本体设有前射流喷管、后射流喷管以及引射流喉部，可通过阀门切换实现引射和抽吸两种集矿模式采集矿物；

4、所述实验平台满足含粗颗粒的固液两相装备水动力学相似准则；

5、所述实验水池包括不锈钢骨架、玻璃面板、电缆铺设架、水平导轨、消波栅，所述消波栅为阶梯状，倾斜置于水池一端，其底面与水池之间形成空腔；

6、所述给料小车置于所述实验水池外，所述集矿装置行走小车置于所述水平导轨上；

7、所述落料输料装置装在所述给料小车上，包括落料斜斗和矿石传送装置，所述矿石传送装置包括驱动电机、驱动链条、传送带；

8、所述测试控制系统包括压力传感器、流量传感器、控制柜、控制软件、模态检测传输系统、电缆，并连接所述操作终端。

9、优选的，所述实验平台满足含粗颗粒的固液两相装备水动力学相似准则，即避免池壁影响的几何相似、弗劳德相似、斯特劳哈尔数相似、水密度修正受力准则、雷诺数自模化条件、固体颗粒相似；

10、几何相似表达式为线尺度、面积、体积的比例满足缩尺比λ的要求，即

11、

12、弗劳德相似表达式为

13、

14、斯特劳哈尔数表达式为

15、

16、其中，v、l、t分别为特征速度、特征尺度和周期；

17、水密度修正的受力准则为力f、力矩m和惯性矩i满足相应的缩尺比的要求

18、

19、其中γ为海水与淡水密度比；

20、雷诺数自模化的要求：含矿石颗粒的两相流集矿管道，当雷诺数re满足以下条件时，称雷诺数满足自模化条件，

21、

22、固体颗粒相似：

23、根据无损检测系统检测颗粒在采矿管道内处于悬浮或者推移状态，选择悬浮相似准则数fu数或推移相似准则数tu数，

24、若颗粒处于悬浮状态，则选用式：

25、

26、若颗粒处于推移状态，则选用式：

27、

28、优选的，所述实验水池为长方体结构，所述不锈钢骨架包括纵贯水池平行的两条水平长梁、两条水平短梁和多个纵向钢柱构成；水池底板由纵向钢柱架起，所述玻璃面板采用三层钢化玻璃构成，中间抽真空；水池一侧所述电缆铺设架铺设电缆；两条水平长梁正上方各架设一条水平轨道构成所述水平导轨，所述集矿装置行走小车可沿所述水平导轨运动，所述水平导轨上设有限位装置和防脱轨装置。

29、优选的，所述实验水池满足水池结构和刚度的要求，主梁需满足梁的刚度校核，即梁的刚度满足最大挠度和转角不超过许用挠度和许用转角，即

30、|w|max≤[σ]

31、|θ|max≤[θ]

32、主梁端截面转角的表达式为：

33、

34、主梁绝对值最大的挠度表达式为：

35、

36、其中，q是作用于梁上的载荷，l是梁的长度，e是钢材的弹性模量，i是梁的惯性矩。

37、优选的，所述实验水池设有远程液位监测装置。

38、优选的，所述集矿装置行走小车采用两层车架结构，包括下层支架和上层支架，所述下层支架架设于轮轴上，所述下层支架装有驱动电机和齿轮组，所述齿轮组从动齿轮与所述主轴固定连接，所述轮轴两端装有车轮；所述上层支架焊接有集矿头固定支架、分离仓固定支架、后部固定支架、泵管固定支架并开设有专用固定孔位，分别固定所述集矿头本体、所述矿物分离仓、所述集矿装置后部和所述泵管回路；所述上层支架布置多组第一力传感器。

39、优选的，所述给料小车包括机架、固定料斗、畚斗、驱动装置和升降机构，所述机架由钢材制成，所述升降机构由电动机或液压马达驱动，牵引带围绕在头轮和底轮之间，所述畚斗间隔固定在所述牵引带上，所述给料小车配备四个万向轮及相应的定位踏板，所述给料小车的驱动电机经所述测试控制系统控制。

40、优选的，所述落料斜斗贴近所述实验水池内侧壁，所述落料斜斗的缩口宽度与所述集矿装置采集宽度匹配；所述传送带上配备第二力传感器，可捕捉前、后射流对于底面的扰动，扰动通过底面剪切力来表达

41、底面剪切力τ可表达为：其中η是流体的动力粘度，表示平行于底面的速度分量u相对于壁面法向y方向的梯度。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

43、1、可实现有限空间下的深海集矿实验，具有抽吸和引射两种集矿模式，由集矿装置、实验水池、集矿头移动小车、给料小车、落料输料装置、动力和测试控制系统组成，可实现集矿头移动和传送带移动两种动态采集模式。

44、2、集矿头移动模式：将水池充满水，给料小车提升结核至水池上方，结核通过落料斜斗时，开启传送带使结核呈面式分布并铺满传送带，然后停止给料并保持传送带静止。从水池一端开启集矿装置移动小车，携带集矿装置沿导轨运动的同时采集结核，行进至水池另一端的限位装置处结束集矿过程。

45、3、传送带移动模式：将水池充满水，将集矿装置停至水池适当位置并固定集矿装置移动小车，给料小车提升结核至水池上方，使结核通过落料斜斗布满并呈面式分布铺展于传送带上。保持给料和传送带运转，开启集矿装置持续采集结核，料仓装满后结束集矿过程。

技术特征：

1.一种集成式海底集矿实验平台，其特征在于，包括集矿装置(01)、实验水池(02)、给料小车(03)、集矿装置行走小车(04)、落料输料装置(05)、测试控制系统(06)和操作终端(07)；

2.根据权利要求1所述的一种集成式海底集矿实验平台，其特征在于，所述实验平台满足含粗颗粒的固液两相装备水动力学相似准则，即避免池壁影响的几何相似、弗劳德相似、斯特劳哈尔数相似、水密度修正受力准则、雷诺数自模化条件、固体颗粒相似；

3.根据权利要求1所述的一种集成式海底集矿实验平台，其特征在于，所述实验水池(02)为长方体结构，所述不锈钢骨架(0201)包括纵贯水池平行的两条水平长梁、两条水平短梁和多个纵向钢柱构成；水池底板由纵向钢柱架起，所述玻璃面板采用三层钢化玻璃构成，中间抽真空；水池一侧所述电缆铺设架(0202)铺设电缆；两条水平长梁正上方各架设一条水平轨道构成所述水平导轨，所述集矿装置行走小车(04)可沿所述水平导轨运动，所述水平导轨上设有限位装置(0203)和防脱轨装置(0204)。

4.根据权利要求1所述的一种集成式海底集矿实验平台，其特征在于，所述实验水池(02)满足水池结构和刚度的要求，主梁需满足梁的刚度校核，即梁的刚度满足最大挠度和转角不超过许用挠度和许用转角，即

5.根据权利要求1所述的一种集成式海底集矿实验平台，其特征在于，所述实验水池(02)设有远程液位监测装置(0206)。

6.根据权利要求1所述的一种集成式海底集矿实验平台，其特征在于，所述集矿装置行走小车(04)采用两层车架结构，包括下层支架(0401)和上层支架(0402)，所述下层支架(0401)架设于轮轴上，所述下层支架(0401)装有驱动电机(0406)和齿轮组(0407)，所述齿轮组(0407)从动齿轮与所述主轴(0408)固定连接，所述轮轴两端装有车轮(0409)；所述上层支架(0402)焊接有集矿头固定支架(0403)、分离仓固定支架(0404)、后部固定支架(0405)、泵管固定支架(0410)并开设有专用固定孔位，分别固定所述集矿头本体(0101)、所述矿物分离仓(0105)、所述集矿装置(01)后部和所述泵管回路(0106)；所述上层支架(0402)布置多组第一力传感器(0411)。

7.根据权利要求1所述的一种集成式海底集矿实验平台，其特征在于，所述给料小车(03)包括机架(0301)、固定料斗(0302)、畚斗(0303)、驱动装置和升降机构(0304)，所述机架(0301)由钢材制成，所述升降机构(0304)由电动机或液压马达驱动，牵引带围绕在头轮和底轮之间，所述畚斗(0303)间隔固定在所述牵引带上，所述给料小车(03)配备四个万向轮(0305)及相应的定位踏板，所述给料小车(03)的驱动电机经所述测试控制系统(06)控制。

8.根据权利要求1所述的一种集成式海底集矿实验平台，其特征在于，所述落料斜斗(0501)贴近所述实验水池(02)内侧壁，所述落料斜斗(0501)的缩口宽度与所述集矿装置(01)采集宽度匹配；所述传送带(0504)上配备第二力传感器(0505)，可捕捉前、后射流对于底面的扰动，扰动通过底面剪切力来表达

技术总结
本发明公开了一种集成式海底集矿实验平台，包括集矿装置、实验水池、给料小车、集矿装置行走小车、落料输料装置、测试控制系统和操作终端；集矿装置包括集矿头本体、矿物分离仓、泵管回路和泵；实验水池包括不锈钢骨架、玻璃面板、电缆铺设架、水平导轨、消波栅，落料输料装置包括落料斜斗和矿石传送装置，矿石传送装置包括驱动电机、驱动链条、传送带；测试控制系统包括控制柜、控制软件、模态检测传输系统、电缆。可实现有限空间下的深海集矿实验，具有抽吸和引射两种集矿模式，由集矿装置、实验水池、集矿头移动小车、给料小车、落料输料装置、动力和测试控制系统组成，可实现集矿头移动和传送带移动两种动态采集模式。

技术研发人员：宿向辉,贾浩,王昊禹,陈斌斌,金庆明
受保护的技术使用者：浙江理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15