一种控制海底富钴结壳切削深度的液压系统的制作方法

本实用新型涉及海底矿产资源开采技术领域，具体涉及一种控制海底富钴结壳切削深度的液压系统。

背景技术：

随着陆地矿产资源的日益枯竭，开发海底矿产资源已成为人类寻求新资源的必然趋势。富钴结壳作为海底最具吸引力的矿产资源之一，一般形成于水深400～4000m的海山斜坡上，大多呈斑块状赋存于海山硬质基岩上。大片结壳层面积有时可达数十平方公里。富钴结壳及其基岩最佳的破碎方法之一为螺旋滚筒式截齿切削。然而，富钴结壳层的厚度变化不一，且其地形复杂，起伏差异很大。为保证足够的富钴结壳采集率和较低的废石混入率，当富钴结壳采矿车在海底作业时，必须对富钴结壳的切削深度进行有效控制，以适应海底微地形及结壳厚度变化，使其尽可能多地剥离富钴结壳，同时尽量减少基岩的切割。

目前研究中的富钴结壳切削深度的控制往往依赖于对微地形和富钴结壳厚度的探测，通过采集的微地貌信息自动调节采矿头至最佳切削位置，以提高富钴结壳开采率。这种方法成本较高，控制方法复杂，且探测精度容易受开采过程产生的碎屑颗粒影响，在推广和应用上存在一定难度。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种控制海底富钴结壳切削深度的液压系统，该液压系统能有效适应海底富钴结壳开采过程中的微地形变化与结壳厚度变化，具有成本低廉，简单可靠，易于实施等特点。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种控制海底富钴结壳切削深度的液压系统，包括用于驱动采矿头旋转切削运动的液压马达、用于驱动采矿头升降运动的伸缩油缸、用于控制液压马达工作的第一液压控制单元和用于控制伸缩油缸工作的第二液压控制单元，还包括根据液压马达工作压力调节伸缩油缸工作压力的自动调控装置，在液压马达工作压力维持预定值不变时，所述自动调控装置控制伸缩油缸工作压力不变；在液压马达工作压力大于预定值时，所述自动调控装置控制伸缩油缸工作压力降低以使采矿头向上运动减小切削深度；在液压马达工作压力小于预定值时，所述自动调控装置控制伸缩油缸工作压力升高以使采矿头向下运动增大切削深度。

上述的液压系统，优选的，所述第一液压控制单元包括第一压力油源和第一换向阀，所述液压马达的两个工作油口分别与第一换向阀的两个工作油口连通，所述第一换向阀的进油口和出油口分别与第一压力油源的出口和油箱连通，所述第二液压控制单元包括第二压力油源和第二换向阀，所述伸缩油缸的两个工作油口通过一双向液压锁与第二换向阀的两个工作油口连通，所述第二换向阀的进油口和出油口分别与第二压力油源的出口和油箱连通。

上述的液压系统，优选的，所述自动调控装置为具有比例压力调节功能的压力控制阀，所述压力控制阀的进油口与第二压力油源的出口连通，所述压力控制阀的出油口与油箱连通，所述压力控制阀的控制口与第一压力油源的出口连通。

上述的液压系统，优选的，所述压力控制阀的控制口设有阻尼。

上述的液压系统，优选的，所述自动调控装置包括电比例溢流阀、控制器和用于检测第一压力油源的出口油压的压力传感器，所述电比例溢流阀的进油口与第二压力油源的出口连通，所述电比例溢流阀的出油口与油箱连通，所述压力传感器安装在与第一压力油源的出口连通的检测腔中，所述控制器与压力传感器相连并根据压力传感器检测的油压信号值控制电比例溢流阀的阀芯开度。

上述的液压系统，优选的，所述第一压力油源的出口还连接有第一安全溢流阀，所述第二压力油源的出口还连接有第二安全溢流阀。

上述的液压系统，优选的，所述第一压力油源包括第一液压油泵和第一过滤器，所述第一过滤器的进口与第一液压油泵的出口连通，所述第一过滤器的出口与第一换向阀的进油口连通；所述第二压力油源包括第二液压油泵和第二过滤器，所述第二过滤器的进口与第二液压油泵的出口连通，所述第二过滤器的出口与第二换向阀的进油口连通。

上述的液压系统，优选的，所述采矿头通过一摆臂安装于采矿车上，所述伸缩油缸的缸体和伸缩杆分别与摆臂和采矿车铰接。

上述的液压系统，优选的，所述采矿头为旋转切削式采矿头。

本实用新型的原理为：富钴结壳和基岩的物理力学特性存在一定差异，在抗压强度、切削阻力方面，基岩一般均大于钴结壳。在一定的作业行走速度和切削转速下，切削阻力随切削深度的增加而增大。当采矿头从富钴结壳层切削至基岩层时，切削阻力的增加及其上升趋势将更加明显。切削阻力直接作用于采矿头，在液压系统中则直接体现为液压马达驱动采矿头旋转所需的工作压力，因此，切削阻力和马达工作压力的大小和变化趋势在一定程度上反映了当前的切削深度和切削状态，可作为富钴结壳切削深度判断和控制的依据。富钴结壳与基岩抗压强度差异越大，本实用新型的控制效果越好。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型利用富钴结壳与基岩物理力学特性差异以及富钴结壳切削阻力随切削深度变化规律，根据切削阻力变化对切削深度进行控制，无需探测设备对地形与富钴结壳厚度进行检测，能有效适应海底富钴结壳开采过程中的微地形变化与富钴结壳厚度变化，不仅可降低设备和控制成本，而且简单可靠，易于实施。

附图说明

图1为控制海底富钴结壳切削深度的液压系统的示意图。

图2为采用电比例溢流阀、控制器和压力传感器组合形式的自动调控装置的结构示意图。

图例说明：

1、采矿头；2、液压马达；3、伸缩油缸；4、第一压力油源；41、第一液压油泵；42、第一过滤器；5、第一换向阀；6、第二压力油源；61、第二液压油泵；62、第二过滤器；7、第二换向阀；8、双向液压锁；9、压力控制阀；10、电比例溢流阀；11、控制器；12、压力传感器；13、第一安全溢流阀；14、第二安全溢流阀；100、采矿车；200、摆臂。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实施例的控制海底富钴结壳切削深度的液压系统，包括用于驱动采矿头1旋转切削运动的液压马达2、用于驱动采矿头1升降运动的伸缩油缸3、用于控制液压马达2工作的第一液压控制单元和用于控制伸缩油缸3工作的第二液压控制单元，还包括根据液压马达2工作压力调节伸缩油缸3工作压力的自动调控装置，在液压马达2工作压力维持预定值不变时，自动调控装置控制伸缩油缸3工作压力不变；在液压马达2工作压力大于预定值时，自动调控装置控制伸缩油缸3工作压力降低以使采矿头1向上运动减小切削深度；在液压马达2工作压力小于预定值时，自动调控装置控制伸缩油缸3工作压力升高以使采矿头1向下运动增大切削深度。

本实施例中，第一液压控制单元包括第一压力油源4和第一换向阀5，液压马达2的两个工作油口分别与第一换向阀5的两个工作油口连通，第一换向阀5的进油口与第一压力油源4的出口连通，第一换向阀5的出油口与油箱连通，通过转换第一换向阀5可控制液压马达2是否转动，第一换向阀5控制液压马达2转动时，第一压力油源4流经第一换向阀5直接驱动液压马达2，为采矿头1旋转切削提供动力，液压马达2的工作压力由采矿头1旋转切削阻力决定。第二液压控制单元包括第二压力油源6和第二换向阀7，伸缩油缸3的两个工作油口通过一双向液压锁8与第二换向阀7的两个工作油口连通，具体是伸缩油缸3的无杆腔工作油口和有杆腔工作油口分别与双向液压锁8的两个出油口连通，双向液压锁8的两个进油口分别与第二换向阀7的两个工作油口连通，第二换向阀7的进油口与第二压力油源6的出口连通，第二换向阀7的出油口与油箱连通，通过转换第二换向阀7可控制伸缩油缸3伸缩运动。上述双向液压锁8在不驱动伸缩油缸3伸缩运动时，能将伸缩油缸3有效锁死。

本实施例中，自动调控装置为具有比例压力调节功能的压力控制阀9，其具有比例溢流功能。压力控制阀9的进油口V1与第二压力油源6的出口连通，压力控制阀9的出油口T1与油箱连通，压力控制阀9的控制口C1与第一压力油源4的出口连通。该压力控制阀9为现有成熟部件，可外购得到，根据其控制口C1压力大小能够控制阀芯开启时进油口V1所需压力，从而无级控制进油口V1处的溢流压力，该压力控制阀9的进油口V1压力大小与控制口C1压力大小成反比。

本实施例中，压力控制阀9的控制口设有阻尼，可有效改善其响应特性。

在其他实施例中，自动调控装置也可以采用其他形式，例如，如图2所示的自动调控装置，该自动调控装置包括电比例溢流阀10、控制器11和用于检测第一压力油源4的出口油压的压力传感器12，电比例溢流阀10的进油口V2与第二压力油源6的出口连通，电比例溢流阀10的出油口V2与油箱连通，压力传感器12安装在与第一压力油源4的出口连通的检测腔中，检测腔设于电比例溢流阀10的阀块上，检测腔设有一连接口C2，连接口C2通过油管与第一压力油源4的出口连通，控制器11与压力传感器12相连并根据压力传感器12检测的油压信号值控制电比例溢流阀10的阀芯开度。压力传感器12将检测的油压信号传送控制器11后，控制器11向电比例溢流阀10输出控制电流，使电比例溢流阀10的出油口V2处的溢流压力与第一压力油源4的出口压力成反比。采用可编程的控制器11，还能实现更加丰富的压力控制策略。

本实施例中，第一压力油源4的出口还连接有第一安全溢流阀13，用于限制第一液压控制单元的最高工作压力，保障系统安全。第二压力油源6的出口还连接有第二安全溢流阀14，用于限制第二液压控制单元的最高工作压力，保障系统安全。

本实施例中，第一压力油源4包括第一液压油泵41和第一过滤器42，第一过滤器42的进口与第一液压油泵41的出口连通，第一过滤器42的出口作为第一压力油源4的出口与第一换向阀5的进油口连通；第二压力油源6包括第二液压油泵61和第二过滤器62，第二过滤器62的进口与第二液压油泵61的出口连通，第二过滤器62的出口作为第二压力油源6的出口与第二换向阀7的进油口连通。

本实施例中，采矿头1通过一摆臂200安装于采矿车100上，具体是摆臂200一端铰接于采矿车100上，采矿头1安装在摆臂200另一端，伸缩油缸3的缸体与采矿车100铰接，伸缩油缸3的伸缩杆分别与摆臂200铰接。伸缩油缸3的伸缩杆伸出运动时，驱使摆臂200向上摆动，使采矿头1向上运动；伸缩油缸3伸缩杆缩入运动时，驱使摆臂200向下摆动，使采矿头1向下运动。采矿车100可适应海底富钴结壳地形条件行走开展作业。采矿头1为旋转切削式采矿头。

本实施例中采矿头1的旋转切削为逆时针方向，伸缩油缸3通过有杆腔压力控制采矿头1上下运动，压力控制阀9的进油口V1压力与出油口C1压力成反比。但在其他实施例中，采矿头1也可以采用其他旋转方向。当采矿头1及摆臂200质量较大，仅在重力作用下即可使采矿头1向下运动直至切削深度达到大于设计要求时，伸缩油缸3也可以通过无杆腔压力控制采矿头1上下运动，此时压力控制阀9的进油口V1压力与控制口C1压力成正比，只要能够通过液压马达2的工作压力控制伸缩油缸3的工作压力，进而控制采矿头1对富钴结壳的切削深度即可。

本实施例中的第一换向阀5和第二换向阀7采用两位四通换向阀或者三位四通换向阀，但在其他实施例中，第一换向阀5和第二换向阀7也可以采用其他形式，只要能够实现控制液压马达2的旋转和控制伸缩油缸3的伸缩控制即可。

本实用新型的液压系统进行切削深度控制的基本方法是，采用采矿车100带着旋转切削式的采矿头1前行对海底富钴结壳进行切削作业，在作业过程中，根据采矿头1的旋转切削阻力的变化对采矿头1的切削深度进行控制；当切削阻力维持预定值不变时，保持采矿头1当前切削深度不变；当地形或富钴结壳厚度变化引起切削阻力增大时，也即当切削阻力大于预定值时，控制采矿头1向上运动以减小对海底富钴结壳的切削深度；地形或富钴结壳厚度变化引起切削阻力减小时，也即当切削阻力小于预定值时，控制采矿头1向下运动以增大对对海底富钴结壳的切削深度。

本实施例的液压系统的工作原理如下：

图1中，A表示富钴结壳，B表示基岩。在海底采矿车100行走作业过程中，第一换向阀5与第二换向阀7均换向在右位工作，液压马达2驱动采矿头1旋转，伸缩油缸3驱动摆臂200带动采矿头1上下运动改变富钴结壳切削深度。在富钴结壳切削过程中，采矿头1受到切削阻力的反作用力，该反作用力通过采矿头1作用在摆臂200上，使采矿头1具有向上运动趋势。

采矿头1在切削深度未达到设计要求之前所受切削阻力较小，伸缩油缸3有杆腔进油驱动采矿头1继续向下运动，此时液压马达2工作压力也相应较小，压力控制阀9阀芯不开启，伸缩油缸3工作压力为第二安全溢流阀14设定压力。

随着切削深度的增加，切削阻力随之增大，当摆臂200所受反作用力增大至与伸缩油缸3作用力达到力矩平衡状态时，采矿头1不再向下运动，此时采矿头1切削富钴结壳深度达到设计要求。与此同时，液压马达2工作压力也增大到预定值，压力控制阀9的进油口V1压力在控制口C1压力辅助下使阀芯开启，进油口V1开始溢流，此时伸缩油缸3工作压力由压力控制阀9决定，第二安全溢流阀14阀芯关闭。

随着海底微地形及结壳厚度变化，采矿头1对富钴结壳的切削深度和切削阻力也随着改变。当切削深度大于设计要求时，采矿头1的切削阻力增大，液压马达2工作压力也增大，该工作压力作用在压力控制阀9的控制口C1上，进一步减小了阀芯开启时进油口V1所需克服的作用力，此时进油口V1压力下降，伸缩油缸3工作压力相应减小，采矿头1在切削阻力作用下向上运动，富钴结壳切削深度减小，直至切削阻力和伸缩油缸3作用力重新达到力矩平衡状态；当切削深度小于设计要求时，采矿头1的切削阻力减小，液压马达2工作压力也减小，相应的，压力控制阀9的控制口C1压力减小，压力控制阀9的进油口V1压力增大，伸缩油缸3工作压力也随之增大，伸缩油缸3作用力驱动采矿头1向下运动，富钴结壳切削深度增大，直至切削阻力和伸缩油缸3作用力重新达到力矩平衡状态。

该液压系统根据切削阻力变化对切削深度进行控制，无需探测设备对地形与富钴结壳厚度进行检测，能有效适应海底富钴结壳开采过程中的微地形变化与富钴结壳厚度变化，不仅可降低设备和控制成本，而且简单可靠，易于实施。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本实用新型的保护范围。