深海集矿机仿生履齿增力特性和自清洁性能优化研究

发布时间：2020-06-10 00:30

【摘要】：随着陆上矿物资源日益衰竭,海洋矿产资源的开发对于我国经济发展具有重要意义。当前海洋矿产资源开发的尖端技术是采矿系统的设计,而深海集矿机是采矿系统中重要的一环,关系到采矿系统的工作效率问题。集矿机在深海底质土上如何有效率且安全行走是当前深海采矿研究的重点。本文针对深海底质土的物理特性,开展集矿机履齿的仿生增力和自清洁性能优化的研究,为深海集矿机的履齿设计提供重要的理论依据。本文取得的研究成果如下:1、基于水牛蹄的外形,提取其低行走阻力的外形几何特征,设计深海集矿机仿生履齿。将仿生履齿齿顶到曲率变化点的距离和仿生曲率半径作为参数,通过室内土槽履齿牵引力测试试验研究不同齿形参数的履齿切削不同抗剪强度深海底质土模拟土的过程,从而获得仿生履齿增力机理以及最大牵引力和齿形参数的变化关系。结果表明:对于不同齿形的履齿,仿生履齿在深海底质土的模拟土上行走时相对于直板履齿具有更高的牵引力。随着仿生履齿的齿顶距离和曲率半径的减小,履齿牵引力随之增大。结合其牵引力的变化规律,获得具有最大牵引力的仿生齿形参数,为提高集矿机的行走效率提供理论基础。2、基于蚯蚓表面波纹形结构特征对履齿进行宏观表面改形以减少深海底质土的粘附。通过履齿粘附特性试验台对不同齿形参数的仿生波纹形履齿进行粘附试验,分析粘附力的变化规律进而得到最佳齿形参数的仿生波纹履齿。针对最佳波形仿生履齿,选取土壤剪切强度和履齿入土深度作为设计变量,开展履齿粘附试验。结果表明:仿生履齿粘附力随着履齿入土深度的增加,粘附力呈先增加后减小的趋势。对于不同波形参数的仿生波纹板,波形函数为y=2sin(x/10)(即波形振幅A=2,频率ω=0.1)的仿生波形履齿在深海底质土上行走时具有最小的粘附强度,其自清洁性能最佳。3、基于履齿牵引粘附特性试验台对纳米二氧化硅镀晶履齿开展粘附试验,研究在不同镀晶次数和土壤剪切强度下,履齿细观表面改形对深海底质土与履齿界面粘附力的影响规律。结果表明:经过细观表面改形的履齿在进行牵引试验时具有较小的粘附力。履齿粘附力随履齿镀晶次数增加而呈现下降的趋势。在剪切强度较低的土壤中,表面改形履齿的自清洁效果最大。履齿细观表面改形为深海集矿机的履带设计提供了数据支持,提升深海集矿机的采矿效率。
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集矿机

这逐渐导致我国陆地资源越来越难以满足发展的需要。为了保持经济的持续增长，人们将目光转向了海洋[2]。海洋矿产资源极为丰富，特别是海底金属结核矿藏，其保有量极为巨大，其中稀有金属结核矿产（如锰金属结核）储量极多，但是这部分矿产大部分分布在 4000 米以下的海底，且开采难度极大[3]。复杂的深海环境给深海采矿系统提出了更高的要求，经过多个国家在太平洋成功海试后，集矿机与管道提升结合式采矿系统被认为是最均衡的商业开采系统[4]-[6]。作为深海采矿系统的关键部分，集矿机的技术研发是各国研究的难点所在。集矿机正常工作所需要具备的特性包括集矿稳定性，能效性，耐用性，可维修性，可操控性[7]-[8]，集矿机的任务是在海底稀软底质土上进行有效率的采矿，对矿石进行采集、清洗、运送至扬矿系统[9]，同时保证在海底行走时不对深海环境造成过度破坏。由于深海底质土抗剪强度低且具有明显的流变特性，集矿机在底质土上行走工作时其履齿间容易粘附土壤，使其履齿的牵引力减小，从而降低集矿机工作效率[10]。因此，本文针对深海底质土与金属的粘附特性，开展集矿机履齿的仿生增力优化和减粘性能的研究，为集矿机履齿优化设计提供重要依据，这对于提高集矿机行走稳定性和集矿机采矿效率具有重要意义[11]。

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图 1.2 集矿机湖试后履带履齿粘土情况究现状土的研究现状技术发展中，集矿机在深海环境中的行走安全是一问题的前提就是对深海稀软底质软土的物理性过研究合成样品如高岭石和膨润土矿物的性质，，cManis[13]等使用 XRD 和 SEM 技术研究了粘土土的表观脆性破坏和敏感性进行了微观分析，通构和化学成分的分布，发现黄铁矿晶体的浓度破织物改性剂显著影响土壤的破坏机制。Rajasekar市海洋沉积物样品的理化性质进行了讨论，并与了比较。利用扫描电子显微镜和 X 射线衍射技实了高压缩粘土矿物的存在，如蒙脱石、蛭石、
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD424

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