一种具有沉陷状态监测装置的海底采矿车的制作方法

本发明涉及深海采矿领域，尤其涉及一种具有沉陷状态监测装置的海底采矿车。

背景技术：

随着陆地矿物资源的大量开采及消耗，人们将目光投向了面积更为广阔，保有资源更为丰富的海洋，其中，金属结核是海洋中的一种重要的矿产资源，含锰、铁、镍、钴、铜等几十种金属，储存量巨大，据估计世界海底多金属结核资源为3万亿吨，且多赋存于三千至六千米的深海中；而大洋资源采运设备的设计则是采集、开发这些深海资源的关键技术之一；深海沉积物具有高含水性、高流动性和高塑性的特点，其结构可近似看作三层，表层为悬浮状土体层，抗剪强度几乎为零，第二层为流塑状土体层，抗剪强度随深度呈近似线性变化，底层为坚硬岩床，其抗剪强度近似看作固定值，不随深度而变化，采运设备于以上结构的深海海底运行，无可避免地部分陷入深海沉积物中，现有设备多数控制其沉陷深度介于表层与第二层土层之间，然而深海资源采运设备采集资源时，不断收集的矿砂无可避免地增加其自身重量，这一工作过程与沉陷深度控制相矛盾，故如何监测履带沉陷度及如何利用合适的方法减轻采运设备的沉陷深度成为了深海资源采运设备设计的一项重要课题。

现有采运设备多采用履带式结构，以宽幅履带接触面减轻深海行走平面的受承压强，以避免严重沉陷；然而更为宽幅的履带必然带来采运设备整体质量的加重，与其减轻压强的效果部分抵消；同时履带式结构的沉陷深度因其各点比压不平衡的原因，导致各点沉陷深度不一，故决定深海采运设备是否能在安全沉陷深度以内工作的另一重要因素是其所承受最大压强的点，而其最大压强点又与加载矿砂后重心距离中心的偏移距离相关，因此如何减小采运设备重心偏离也是减轻深海沉陷的一项有效手段。

申请号为cn201710897062.0的专利公开了一种可用于深海采矿车的打滑状态监控装置、深海采矿车及打滑监控方法，该发明通过包括控制装置、履带测速装置和测速地轮的监测装置对于深海采矿车的实际运行速度进行测量，并以此及其驱动轮理论速度计算出深海采矿车的打滑率，并对于打滑状态进行判定且给出对应的处置措施，这一发明解决了深海采矿车无法对打滑状态进行监控和判断的问题，却对于深海采矿车的沉陷问题并未有更多改进。

为了解决上述技术问题，亟需一种具有沉陷状态监测装置的海底采矿车来解决现有的技术问题。

技术实现要素：

本发明提出了一种具有沉陷状态监测装置的海底采矿车，能够对于履带式海底采矿车沉陷度进行有效检测，并能够通过简单的结构及布局，减轻海底采矿车的沉陷问题。

本发明是通过以下技术方案予以实现的。

一种具有沉陷状态监测装置的海底采矿车，包括控制舱，压载舱组件，采矿车底盘，沉陷测量组件，破碎采集组件及履带，其特征在于，所述采矿车底盘两侧对称分布有履带，且其上方车体内固定安装有控制舱及压载舱组件，车体前端为破碎采集组件，所述破碎采集组件包括破碎采集头，并与压载舱组件连接，所述沉陷测量组件包括测陷轮，所述测陷轮安装于所述海底采矿车后方，且其左右两端对称分布有若干光信号发生器及光电传感器以检测光信号接收。

上述实施方案，优选的是，所述压载舱组件包括压载舱，且所述压载舱组件中心与所述海底采矿车空载时重心位置一致，所述压载舱为网状外壳舱体结构，且其外壳网状间隙尺寸小于经破碎采集头破碎采集的矿砂尺寸。

上述实施方案，优选的是，所述压载舱组件还包括旋转叶杆，所述旋转叶杆旋转安装于压载舱底部中心，并与压载舱外部驱动电机安装连接，且其与所述压载舱安装部经密封胶密封。

上述实施方案，优选的是，所述破碎采集组件还包括收集泵及集料软管，所述集料软管与收集泵连接，且其前端与破碎采集头连接，其后端与压载舱入口处连接。

上述实施方案，优选的是，所述破碎采集头为水力采集式集矿头或水力机械复合式集矿头。

上述实施方案，优选的是，所述履带表面均匀分布有若干长齿板，相邻长齿板之间均匀分布有若干短齿板，所述短齿板高度小于长齿板，且所述履带由海底采矿车内置液压站驱动。

上述实施方案，优选的是，所述光信号发生器为红外线发生器，所述沉陷测量组件还包括第一摆杆，第二摆杆，第一角度传感器，第二角度传感器及气缸，所述第一摆杆，第二摆杆与测陷轮铰接，且所述第一摆杆与采矿车底盘后端中心处铰接，所述第二摆杆滑动安装于采矿车底盘前端的滑动支座，所述滑动支座与采矿车底盘前端中心处铰接，所述气缸气缸座铰接于采矿车底盘后端，其气缸推杆铰接于第一摆杆中部，第一角度传感器安装于第一摆杆与采矿车底盘铰接处，第二角度传感器安装于滑动支座与采矿车底盘铰接处。

上述实施方案，优选的是，还包括水平调节组件，所述水平调节组件包括陀螺仪传感器及若干弹簧油缸，所诉陀螺仪传感器固定安装于采矿车底盘前端，若干弹簧油缸活塞杆均匀固定安装于海底采矿车车身前端及后端，其底座固定安装于采矿车底盘，且所述弹簧油缸由海底采矿车内置液压站驱动。

上述实施方案，优选的是，还包括输料软管，所述输料软管前端与压载舱连接，其后端与海底采矿母船或海底采矿集料舱连接。

上述实施方案，优选的是，所述沉陷测量组件综合其第一角度传感器，第二角度传感器及光电传感器数据信号，获取所述海底采矿车前后端沉陷近似值，并将所得数值信号传递至控制舱，所述控制舱依据所获最大沉陷值比对沉陷阈值进行判定，并采取相应的处置措施，所述陀螺仪传感器测得采矿车底盘俯仰值，并将所得数值信号传递至控制舱，经所述控制舱控制弹簧油缸内部油压。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明通过压载舱的中心布局及内置旋转叶杆结构，使得压载舱内矿浆分布更为均匀，避免过大纵向重心偏移，使得履带与海底沉积层接触面最大压强过大，从而导致严重沉陷；

2)本发明通过光电传感器与光信号发生器组合，使用测陷轮对于土层位置进行有效测量，以获得车体沉陷深度；

3)本发明通过位于前后端的摆杆与测陷轮铰接，对于纵向重心偏移导致的履带沉陷深度不一致的问题进行了简化近似处理，通过该结构，简单有效地测得车体最大沉陷深度，避免因前后沉陷深度不一导致的沉陷误判；

4)本发明通过水平调节组件，使得海底采矿车于海底沉积层运行时能够保证车身大体处于水平状态，避免斜坡等路况造成海底采矿车重心偏移进而导致车体沉陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图；

图2为海底采矿车履带沉陷示意图

图3为沉陷测量组件结构示意图；

图4为测陷轮结构示意图；

图5为沉陷监测原理框图；

图6为水平调节组件示意图。

图中：1、控制舱；2、压载舱组件；21、压载舱；22、旋转叶杆；3、采矿车底盘；4、沉陷测量组件；41、第一角度传感器；42、第二角度传感器；43、测陷轮；44、气缸；45、第一连接杆；46、第二连接杆；47、光信号发射器；48、光电传感器；49、滑动支座；5、破碎采集组件；51、破碎采集头；52、收集泵；53、集料软管；6、履带；61、长齿板；62短齿板；7、输料软管；8、水平调节组件；81、陀螺仪传感器；82、弹簧油缸。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1～3所示，本发明提供了一种具有沉陷状态监测装置的海底采矿车，包括控制舱1，压载舱组件2及破碎采集组件5，海底采矿车经由控制舱1进行控制，通过履带6于海底沉积层内部分沉陷运动，破碎采集组件5将海底矿料进行破碎，并将粉碎矿料与水的混合液抽至压载舱组件2进行矿料收集，所述压载舱组件2内置有旋转叶杆22，使得压载舱21内部矿砂分布均匀，避免海底采矿车采集运载矿砂后纵向重心偏移过大，加剧车体沉陷，同时海底采矿车还安装有沉陷测量组件4，通过沉陷测量组件对于海底采矿车履带6沉陷量进行近似估算及检测，能够有效避免因履带6沉陷量超出预设安全值导致海底采矿进程受阻。

以下为具体实施例：

如图1及图2所示，本发明整体结构主要包括控制舱1、履带6、车体底盘3及破碎采集组件5，所述车体地板3下部对称分布有两条履带6，为了避免深海沉积层的沉陷及打滑现象，所述履带6接地面积大，且有别于陆地采矿车履带构造：海底沉积层可近似看作三层式结构，而海底采矿车沉陷深度需控制在表层与次层之间，由于沉积层表层剪切力几乎为零，次层土壤剪切力随深度加深而线性增加，故需加大履带6与次层土壤的接触面积，以避免履带6行进时打滑现象严重，影响其海底行进效率，于履带6表面均匀分布若干长齿板61，相邻长齿板61之间均匀分布有若干短齿板62，使得履带6更易于插入更为深层的海底沉积层，提供有效驱动力；所述海底采矿车为液压驱动，履带6与海底采矿车内部液压站连接，并由控制舱1控制液压站驱动履带6进行运转；破碎采集组件5包括破碎采集头51、收集泵52及集料软管53，所述破碎采集头51为水力采集式集矿头或水力机械复合式集矿头，位于车体前端，且其经集料软管53与位于车体内部的压载舱组件2相连，收集泵52与集料软管53连接，并由收集泵52提供提升动力，将破碎采集头51破碎及收集的矿料以矿浆形式抽取至压载舱组件2中；所述压载舱组件2包括压载舱21，压载舱21为具有网状外壳的舱体，且其入口端与集料软管53连接安装，其出口端经输料软管7与母船或母船下放到集料舱相连，进行矿料输送，另一方面且网状外壳结构，使得矿浆经由集料软管53不断进入时，保证矿砂存留的同时，矿浆中的液体能循环排出，减轻整体重量，也有助于矿车沉陷量的控制。

所述海底采矿车于海底沉积层运行时，需控制其沉陷深度于安全阈值以内；海底沉积层的流塑状土体层作为主要接触面，其剪切强度与深度呈线性关系，故海底采矿车其沉陷深度取决于履带6与海底沉积层表面最大接触压强点，减轻海底采矿车整体质量或增大履带投影面积，均可减小其接触面平均压强，然而却无法对于最大接触压强进行有效控制；由于矿浆不断进入压载舱21，使得所述海底采矿车车辆整体重心发生偏移，其中，尤其是重心于行进方向的纵向偏移，导致履带6的接触压强与平均压强发生大量偏差，由于海底采矿车整体为对称布局，故忽略横向重心偏差所带来的有效影响，其所受最大压强值简化计算公式为：

其中pmax为接触面最大压强值，g为海底采矿车及内部矿浆所受重力与浮力差，b为履带6宽度，l为履带6长度，e为海底采矿车纵向重心偏差。

根据最大压强简化计算公式可知，当纵向重心偏差过大时，导致履带6远离重心端部分不受力，靠近中心端所受压强急剧增大，加剧沉陷状况；故在重力差、履带6外形尺寸无法进行控制更改时，对于纵向重心偏移的控制则成为了海底采矿车沉陷深度控制的有效手段。

如图1所示，压载舱21位于车体内部，且海底采矿车空载时，压载舱21与其重心位置一致；所述压载舱组件2还包括旋转叶杆22，所述旋转叶杆22安装于压载舱21中部，且与旋转电机安装连接，于压载舱21内不断转动，以带动压载舱21内部矿浆均匀分布；当海底采矿车于海底沉积层倾斜平面行进时，传统压载舱将导致矿浆集中分布于倾斜方向前端，使得纵向重心沿倾斜方向偏移，进而加剧海底采矿车沉陷深度。

如图2～4所示，所述的一种具有沉陷状态监测装置的海底采矿车还包括沉陷测量组件4，所述沉陷测量组件4包括测陷轮43，第一摆杆46及第二摆杆47，所述测陷轮43位于海底采矿车后方，且与第一摆杆46及第二摆杆47铰接，所述第一摆杆46与采矿车底盘3后端中部铰接，所述第二摆杆47与采矿车底盘3前端中部的滑动支座49滑动安装，所述滑动支座49铰接于采矿车底盘3前端中部，第一角度传感器41与第二角度传感器42分别安装于采矿车底盘3前端及后端的铰接处，另有气缸44前端推杆铰接于第一摆杆45中部，气缸座铰接于采矿车底盘3后端，所述测陷轮43左右两侧均匀对成分布有若干光信号发生器47及光电传感器48，并透过测陷轮43轮辐空隙形成完整光路，光信号发生器47采用红外线发生器，其穿透杂质能力较强，避免了海底沉积层漂浮杂质阻挡光路。

如图3和图5所示，当气缸44推动测陷轮43缓慢向下运动至海底沉积层时，测陷轮43上的光电传感器48由于土层阻挡光路，可结合第一摆杆46上的第一角度传感器41及测陷轮43直径，测得采矿车底盘3后端距离海底沉积层的高度，并依据第二摆杆47上的第二角度传感器42及采矿车底盘3尺寸数值，测得采矿车底盘3前端距离海底沉积层的高度，并以此获得采矿车前后端的沉陷深度；当海底采矿车存在纵向重心偏移，且偏移量于可控范围内使得履带6各点均受力时，接触面各点处压强值可近似计算为：

其中x为距离履带6中心的纵向偏移距离，px为接触面任意一点的压强值，g为海底采矿车及内部矿浆所受重力与浮力差，b为履带6宽度，l为履带6长度，e为海底采矿车纵向重心偏差。

由以上计算公式可知，履带6纵向压强值呈线性分布，靠近重心的端点处为最大值，而海底沉积层的流塑状土体层作为主要接触面，其剪切强度与深度也呈线性关系，故海底沉积层运行的海底采矿车，其履带沉陷深度可简化为线性模型，其极值位于两端；依据沉陷测量组件4所得前后端沉陷深度，近似获取海底采矿车最大沉陷深度，并依据所述海底采矿车设计时所预设最大沉陷阈值进行沉陷度判定，当最大沉陷值逼近沉陷阈值时，通过控制舱1发出控制指令，如采矿车抛载减轻重力、启动浮力调节装置或启动输料程序将压载舱21内矿浆经输料软管7输送至集料舱。

进一步地，海底采矿车于海底沉积层运行时，若遇凹凸平面或者上下斜坡时，由于车身整体倾斜及压载舱21内矿砂倾斜，易造成海底采矿车载重失衡，尤其是因为车身整体纵向俯仰，加剧车身纵向重心偏移及海底采矿车沉陷量失衡，故需使得海底采矿车运行时使其车身尽可能维持水平状态，以减轻因海底沉积层的高低起伏引起的车身重心偏移失衡，进而平衡履带6各点所受接触压强。

如图6所示，水平调节组件8包括陀螺仪传感器81及弹簧油缸82，所述陀螺仪传感器81固定安装于海底采矿车底盘前端，若干弹簧油缸82的活塞杆均匀固定安装于车身底部前端及后端，且弹簧油缸82的底座固定安装于海底采矿车底盘，由所述弹簧油缸82与海底采矿车液压站连接，由于海底采矿车采用液压驱动方式，故无需额外增加液压站；所述陀螺仪传感器81用以测量海底采矿车底盘俯仰角度，并输出信号至控制舱1，控制舱1调节车身前后端弹簧油缸82内部油压以调节车身前后俯仰角，进而使得海底采矿车在凹凸不平的行进平面上和在0°～30°斜坡上上下坡时可以大体保持海底采矿车车身自动水平平衡；另一方面，弹簧油缸82也起到了一定程度的减震作用，减轻了海底采矿车因行进过程中的震动所造成得履带6压强陡增，避免了因此所带来的履带沉陷问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。