一种采集头实验平台及其载荷的测试与分析方法与流程

本发明涉及海洋采矿设备，具体涉及一种采集头实验平台及其载荷的测试与分析方法。

背景技术：

1、随着科学技术的飞速发展，人们对金属和矿产资源的需求逐渐增加。随着陆地矿产资源的日益贫乏和人类对海洋探索的日益深入，深海底正成为人类进军的下一个领域。相较于陆地，深海底蕴藏着广泛的矿产资源，不仅包括传统的油气，这些资源除了传统的油气外，还包括诸多尚未被充分研究和开发的金属和矿产资源。深海底极为丰富的矿产资源，被认为是人类21世纪最重要的接替资源。深海采矿技术包含矿产资源的前期勘测、深海采矿设备的研发以及大洋海底环境的保护等多个方面。此外，深海底的低温、高压等极端环境为装备设计和采矿作业带来了新的技术挑战。目前深海采矿试验技术发展还不成熟，各类设备的试验设计缺乏充分的经验指导，特别是采集头实验平台及其载荷的测试与分析方法。

2、cn117722182a公开了一种深海多金属结核开采试验系统，集矿机构包括伸缩式输送通道和采集头，伸缩式输送通道上设置有伸缩驱动机构，采集头上设置有高度探头，采矿车上还设置有可搭载rov，并可布放、回收rov以探测采矿车周围环境、辅助采矿车进行采矿作业的布放回收机构。本发明的深海多金属结核开采试验系统具有采集效率高、采集数据准确、减少污染的优点。该技术中的采集头置于最前端，且水平贴地，在行进过程中易卡壳，且该结构重点在于监控功能，无法对载荷情况进行测试。

技术实现思路

1、本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种采集头实验平台，结构简单，能够能适配各种不同工况、不同型号采集头的试验要求。

2、具体的，本发明包括一种采集头实验平台，包括：行车、第一电机；以及设于所述行车上依次连接的吸水管道、射流泵、输入管道、水力采集头、输出管道以及结核收集料仓；所述行车在行进过程中，通过所述第一电机驱动所述射流泵，将水流从吸水管道中抽出送往输入管道，形成高速射流；本发明的实验平台上还搭载有相机、传感器等电器元件，所述第一电机除了为射流泵提供动力，还可以为流量传感器等电器元件提供电源。所述输入管道将高速射流送入水力采集头，并带动颗粒物进入水力采集头，与水流一起通过所述输出管道进入结核收集料仓。

3、所述水力采集头，主要作用是在高速射流作用下，收集地面的颗粒物，将水、颗粒物混合流经输出管道，送至结核收集料仓。所述结核收集料仓，设有筛网，由四根铁链固定搭载于行车甲板后端底部，与输出管道末端相通，主要作用是滤除混合液中水分，收集颗粒物。

4、进一步的，所述行车包括车体、前支撑托架和后支撑架；所述前支撑托架设于所述车体前端的底部，为矩形托架，用于固定所述水力采集头；所述后支撑托架设于所述车体的中部底部，用于承托输出管道，并支撑所述水力采集头的后端。

5、所述行车和水力采集头通过所述前支撑托架和后支撑架连接；所述行车用于固定支撑水力采集头，同时承接水力采集头的输入管道、输出管道，以及结核收集料仓、吸水管道等设备，并且能够匀速行进。

6、所述射流泵固定搭载于车体上部，可根据采集头数据调整射流的流量，将水流从吸水管道中抽出送往输入管道，形成高速射流。所述吸水管道，从射流泵出发，在车体上层向后延伸至车体尾部，将水从此处通往射流泵。所述输入管道，从射流泵出发，通向车体下层，与水力采集头的接口连接，输送高速射流。

7、进一步的，所述后支撑托架的底部距离支撑平面的高度大于所述前支撑托架的底部距离支撑平面的高度。

8、进一步的，所述前支撑托架包括多个第一竖直支架和第一水平支架；所述第一竖直支架的顶部与所述车体的顶部连接，底部连接所述第一水平支架，所述第一水平支架上设有一个或多个载荷测试点。

9、进一步的，所述第一水平支架包括首尾连接形成矩形的第一支杆、第二支杆、第三支杆以及第四支杆，所述第一竖直支架为四个，分别连接矩形的四角；所述第一支杆和第三支杆所在直线分别与所述行车的行进方向垂直；所述第一支杆上装有应变片形成第一载荷测试点，所述第三支杆装有应变片形成第二载荷测试点。

10、所述前支撑托架，与车体甲板前端的底部连接，向下延伸出一个矩形托架，主要作用为固定支撑水力采集头主体，沿行车横向的第一支杆、第三支杆主要负责支撑水力采集头重量，沿行车纵向的第二支杆、第四支杆主要负责固定水力采集头位置。所述后支撑架，与车体甲板中间底部连接，主要作用为承托输出管道，并支撑水力采集头后端。

11、进一步的，所述后支撑托架包括多个第二竖直支架和第二水平支架，所述第二竖直支架的顶部与所述车体的顶部连接，底部连接所述第二水平支架，所述第二水平支架上设有一个或多个载荷测试点。

12、进一步的，所述第二水平支架包括首尾连接形成三角形的第五支杆、第六支杆以及第七支杆；所述第五支杆和第六支杆连接形成第一顶点，所述第六支杆和第七支杆连接形成第二顶点，所述第七支杆和第五支杆连接形成第三顶点；所述第二竖直支架为两根，底部分别连接所述第二顶点和第三顶点；两根所述第二竖直支架之间还设有第八支杆；所述第八支杆与所述第七支杆平行且在同一竖直平面；所述第一顶点装有应变片形成第三载荷测试点；所述第八支杆装有应变片形成第四载荷测试点。

13、进一步的，所述第一载荷测试点与第二载荷测试点在同一水平面上；所述第三载荷测试点和第四载荷测试点在用竖直平面上；所述第一载荷测试点、第二载荷测试点、第三载荷测试点以及第四载荷测试点在同一纵剖面上。第三载荷测试点为采集头与车体连接结构的关键部位，平移集中于第三载荷测试点便于为采集头与采矿车连接设计和载荷分析提供指导。

14、进一步的，所述行车还包括两组第二电机，所述第二电机设于所述车体后侧两端的底部，用于为行车运动提供动力。行车后配有两个行车电机。

15、本发明还提供一种采集头实验平台载荷的测试与分析方法，通过应变片监测特定位置处载荷数据，分析得出采集头试验过程中的自重与环境载荷分布，为深海采矿装备技术研发提供有益参考。

16、具体的，本发明保护一种采集头实验平台载荷的测试与分析方法，利用上述采集头实验平台进行测试与分析，包括以下步骤：

17、s1：记录数据：记录载荷测试点之间水平、竖直间距以及水平方向和竖直方向载荷数据；

18、s2：分析数据：将载荷测试点处的载荷平移集中于居中的第三载荷测试点，得出在水槽中前进并采集颗粒时采集头的载荷分布情况；

19、所述载荷分析方法计算公式为：

20、fx＝-f1x+f2x+f3x

21、fz＝f1z+f2z+f3z+f4z

22、

23、其中，fx为水平方向总载荷，fz竖直方向总载荷，m为载荷集中处的力矩载荷,f1x、f1z分别为第一载荷测试点处应变片测得水平载荷和竖直载荷，f2x、f2z分别为第二载荷测试点处应变片测得水平载荷和竖直载荷，f3x、f3z为第三载荷测试点处应变片测得水平载荷和竖直载荷，f4z为第四载荷测试点处应变片测得竖直载荷，d12为第一载荷测试点、第二载荷测试点之间水平距离，d23为第二载荷测试点、第三载荷测试点之间水平距离，d34为第三载荷测试点、第四载荷测试点之间水平距离，z13为第一载荷测试点、第二载荷测试点之间竖直距离，z34为第三载荷测试点、第四载荷测试点之间竖直距离。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

25、(1)本发明提供的一种采集头试验平台，改进了采集头与行车的固定支撑方式，通过前后支撑架的方式固定支撑水力采集头，同时能适配各种不同工况、不同型号采集头的试验要求。通过本装置开展水槽试验研究，可为采集头结构参数优化与采集效率改进提供依据，推动深海采矿试验技术的发展。

26、(2)本发明提供的一种采集头载荷测试与分析方法，通过应变片监测特定位置处载荷数据，分析得出采集头试验过程中的自重与环境载荷分布，这些数据可供改进采集头与采矿车连接设计与载荷分析。本采集头载荷测试与分析方法可应用于深海采矿试验中，为深海采矿装备技术研发提供有益参考。