海多金属结核集矿机铝合金履齿结构设计与分析*

徐俊杰，孔德博，吴鸿云，王荣耀

海多金属结核集矿机铝合金履齿结构设计与分析*

徐俊杰1，孔德博2，吴鸿云1，王荣耀1

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；2.五矿矿业（邯郸）矿山工程有限公司，河北 邯郸市 056000)

集矿机是深海多金属结核采矿系统中的重要装备和核心技术单元。由于多金属结核矿区表层稀软底质具有抗剪性能差、承载能力弱等特性，并且深海作业环境差、腐蚀性极强，集矿机的履齿设计显得尤为重要。履齿结构采用铝合金铸造具有更轻的重量、更高的强度、更好的耐腐蚀性、更利于拆装维护等优点。针对履齿进行了选材和结构设计，并对其强度进行了有限元分析，其结果表明：应力及变形均符合各工况下的作业 要求。

多金属结核;集矿机;铸造铝合金;履齿

0 引 言

海洋约占地球总表面积的71%，深海中蕴藏着大量的尚未被人类开发利用的矿产资源。随着陆地资源的逐渐匮乏，深海矿产资源已成为世界各国争相占有的对象，其中：多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等金属矿产资源是目前经过前期调查研究后具备商业开采价值的资源。它们中富含金、银、铜、镍、锰、钴等稀有金属，总储量相当于陆地相应储量的数十倍到数千倍。1950年代末，西方各国开始对深海矿产资源进行调查活动，并于1970、1980年代进行了多次多金属结核采矿系统的海上试验，基本完成了开采前的技术储备。

多金属结核赋存于稀软的沉积物表层，由于沉积物颗粒极细，摩擦系数接近于零，车辆行驶只能依靠剪切力产生推进力，且其承载力极低，能适应这种底质条件的承载行驶车主要分为两大类：拖曳式，自行式。拖曳式的行驶机构是采矿船通过提升管牵引雪橇式承载底盘行驶，因此存在不能精准定位，无法按预定轨迹行驶，避绕障碍困难，单位时间内采集结核量变化大等缺点，无法适用于商业开采系统。自行式行驶机构是由采矿船通过铠装缆供电和传输数据，操作者使用甲板控制单元使机构实现遥控行驶及采集矿料。这种行驶机构有开采路线可控，机动性良好，采集覆盖面积大，资源回收率高等优点，是目前国内外公认的承载行驶方式。自行式行驶机构主要有以下几种形式。

（1）螺旋桨推进式。这种机构的结构简单，但是牵引力小，无法精准定位，慢速行驶较为困难，且对海底扰动特别严重，在靠近集矿机采集路径内的多金属结核矿物在受其扰动后极有可能被埋入沉积层内或吹走，不能达到商业开采的要求。

（2）阿基米德螺旋推进式。这种行走方式优点是结构简单，通过性能好。1978年，美国OMCO公司研制了一台采用阿基米德螺旋推进式的采矿车，并于1979年在太平洋海域结核矿区进行了行驶试验。试验结果表明，此结构底部凹槽处易被沉积物敷住，导致行走严重打滑，转向困难，而且该结构承载能力低，对海底扰动较为严重，不能达到商业开采的要求。

（3）履带行走式。履带车是通用行驶设备，1972年开始用于海底行驶试验。由于履带比其他行驶机构的接地面积大得多，产生的牵引力大，底质承载能力越低其优越性越明显；履带车的可行驶性（包括越障或绕障）、操作性、对环境影响程度均能很好地满足稀软底质的行驶要求。因此，多金属结核集矿机大多选用履带行走式的行驶方式。

“九五”期间，我国完成了大洋多金属结核中试采矿系统的总体设计，采用由“水面船−水力管道提升−自行式集矿机”组成的多金属结核采矿系统。2001年，由长沙矿山研究院牵头，中南大学、长沙矿冶研究院等多家单位及高校联合参与研制的第二代履带自行式集矿机在云南抚仙湖进行了湖试，试验水深130 m，成功回收模拟结核900 kg。

1 集矿机履齿选材与结构设计

由于多金属结核矿区表层稀软底质具有承载能力弱，抗剪性能差等特性，陆地履带车辆的低齿结构在该底质表面行走时因驱动力不足易产生沉陷，进而产生原地打滑现象。“九五”期间，我国对不同齿距、齿高和齿形的履带进行了大量的理论研究及试验，确定了三角形高齿的履齿形式，其齿高130 mm，齿间距200 mm，单个齿长1700 mm，履齿的主体采用两片不锈钢薄板折弯后焊接而成，通过螺栓与不锈钢履带板接连。湖试集矿机采用该履齿形式，具有牵引力大、结构承载能力强和越障容易等优点，牵引特性达到了理想要求，能顺利在多金属结核矿区的稀软底质上行走。

1.1 履齿选材

经过湖试，发现了此类高齿存在着黏附较多底质土的情况，履齿黏附底质土之后会导致剪切面积减少，从而导致集矿机打滑现象。针对此情况，湘潭大学土木工程与力学学院开展了不同金属材料下的黏附力大小实验，实验选用太平洋C-C矿区的深海底质土，对铝合金、不锈钢、钛合金、工业纯钛等海洋装备常用耐腐蚀材料进行黏附特性试验，试验表明，在表面粗糙度相同的情况下，不同金属界面与深海底质土之间的表面黏附力大小顺序为铝合金＜不锈钢＜钛合金＜工业纯钛，这表明铝合金金属在与深海底质土接触时自清洁效果最好。

根据上述研究，选用铝合金6061 T6作为履齿材料，铝合金的低密度可有效控制集矿机的整体重量，同时铝合金6061 T6具有较高的结构强度（其屈服强度为240 MPa）和较好的耐腐蚀性能，是铸造履齿的理想材料之一。

1.2 履齿结构设计

湖试现象表明，采用不锈钢薄板焊接而成的履齿在集矿机爬坡、转向等受力较大的工况下时易产生弯曲变形。针对此类情况，采用铝合金铸造的方式加工履齿，如图1所示。铸造履齿将履齿和履齿板融为一体，上端通过螺栓与链条相连，增加了履齿的壁厚，增强了履齿的整体强度，减少了履齿的装配程序，方便后期的拆卸维护。同时，随着精铸工艺的日益成熟，铝合金铸件的加工精度和表面粗糙度已完全能够满足集矿机履齿的使用要求。

铝合金铸造履齿装配完成后的单边履带示意图如图2所示，履齿通过链条与集矿机轮系相配合，履带总长7.3 m，接地部分长度6 m，单个履齿长度1.6 m，保证了足够的接地面积，满足接地比压要求。单边履带总齿数73只，接地齿数30只，履齿高度130 mm，齿间距200 mm，提供了足够的剪切面积和牵引力，保证集矿机在稀软底质条件下平稳 行驶。

图2 单边履带

2 铝合金铸造履齿强度分析

对设计的铝合金铸造履齿进行应力和变形分析。在Solidworks软件的Simulation模块中建立受力分析模型，将履齿上方与链条的连接孔处视为固定约束，建立的网格模型如图3所示。

图3 履齿强度有限元分析网格模型

已知集矿机在空气中质量为25 t，在水中质量为10 t，铝合金6061 T6材料的屈服强度为240 MPa。现分析集矿机在3种不同工况下履齿的应力和变形分布情况。

2.1 硬底质条件下垂直冲击

考虑该条件下极限工况为集矿机运输或起吊突然着地时的冲击力为重力的5倍，假设下落时只有一半履齿着地，着地履齿数量为30，则单个履齿受力为41667 N，受力方向垂直于履齿下底面向上。

该工况下应力分析结果如图4所示，最大等效应力为85.48 MPa，发生在履齿与外链板的连接处；变形分析结果如图5所示，最大变形为0.25 mm，出现在履齿右下端点。

图4 垂直冲击下应力分析结果

图5 垂直冲击下变形分析结果

2.2 硬底质条件下行走

考虑该条件下极限工况为集矿机行走时遇到起伏地形从高处下落时的冲击，冲击力为重力的2倍，假设一半履齿着地，着地履齿数量为30，则单个履齿受力16666 N，受力方向垂直于履齿下底面向上。另外行走时履齿还受到与地面之间的摩擦力，取摩擦系数为0.5，则单个履齿所受的摩擦力为4166 N，受力方向平行于履齿下底面。

该工况下应力分析结果如图6所示，最大等效应力为44.76 MPa，发生在履齿与外链板的连接处；变形分析结果如图7所示，最大变形为0.14 mm，出现在履齿右上端点。

图6 硬底质条件下行走应力分析结果

2.3 水环境稀软底质条件下行走

考虑该条件下极限工况为集矿机爬坡转向且履齿只有下半部分陷入沉积物中，根据前期计算得到集矿机在海底稀软底质条件下爬坡转向的极限工况下最大阻力为72496 N，其中履齿底面所受摩擦力为10000 N，履齿侧面受力为62496 N。取受力冲击为2倍，且只有一半履齿受力，则单个齿底面受摩擦力为667 N，齿底面受法向力为6667 N，齿侧面受剪切力为4166 N。

该工况下应力分析结果如图8所示，最大等效应力为26.58 MPa，发生在履齿与外链板的连接处；变形分析结果如图9所示，最大变形为0.08 mm，出现在履齿右下端点。

图7 硬底质条件下行走变形分析结果

图8 稀软底质条件下行走应力分析结果

图9 稀软底质条件下行走应变分析结果

根据上述有限元分析结果可得，集矿机在以上3种不同工况的极限受力情况下履齿产生的最大等效应力为85.48 MPa，小于铝合金6061 T6材料的屈服强度240 MPa，满足强度要求。最大变形为0.25 mm，变形量不会导致履齿损伤及结构干涉。

3 结 论

（1）根据常用履齿材料的黏附特性对比研究，选用铝合金6061 T6作为铸造履齿的用料，能有效控制集矿机整体重量，具有良好的防腐性能。采用一体式铸造履齿作为履齿结构，增加了履齿壁厚，保证了履齿强度，防止受力变形的情况产生。

（2）采用有限元方法对铝合金履齿结构在不同工况下的应力与变形情况进行了分析，结果表明：铝合金履齿最大等效应力发生在履齿与外链板的连接处，其大小在许可范围内；最大变形发生在履齿右上或右下端点，变形量不会对履齿结构产生影响。

（3）本文研究的铝合金铸造履齿可作为深海多金属结核矿区稀软底质条件下履带行走式车辆履齿结构的参考方案，在整体重量的控制、结构强度、结构防腐蚀性能及作业期间拆卸维护方便性方面有所加强。

[1] 刘 琦,漆采玲,马雯波,胡 聪,李 锋.深海底质土-金属界面间黏附特性试验研究[J].岩土力学,2019,40(02):701-708.

[2] 李雅利.深海集矿机在稀软底质土上行走动力学仿真研究[D].湘潭:湘潭大学,2017.

[3] 刘少军,刘 畅,戴 瑜.深海采矿装备研发的现状与进展[J].机械工程学报,2014,50(02):8-18.

[4] 许 焰,吴鸿云,左立标.履齿高度对集矿机牵引性能的影响及参数确定[J].农业工程学报,2012,28(11):68-74.

[5] 吴鸿云,陈新明,刘少军,高宇清,陈秉正.履带板、齿间黏附底质对集矿机附着性能的影响[J].农业工程学报,2010,26(10):140-145.

[6] 戴 瑜.履带式集矿机海底行走的单刚体建模研究与仿真分析[D].长沙:中南大学,2010.

(2019-07-21)

徐俊杰(1991—)，男，湖南岳阳人，助理工程师，主要从事深海探矿、采矿技术及装备研究，Email:137487335 @qq.com。

“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFC0304102).