多金属结核水力集矿机构离地高度控制研究①

彭建平

（长沙矿冶研究院有限责任公司 深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，湖南 长沙410012）

多金属结核主要赋存于水深5 000 ～6 000 m 的大洋底面极稀软沉积物表面，富含锰、铜、镍、钴等76 种元素，受到国内外普遍关注，极具商业开采前景［1］。经过国内外多年试验研究以及不同采矿系统的对比，普遍认为“海底履带自行式水力集矿车采集⁃水力管道矿浆泵提升⁃海面采矿船支持”这种模式的深海采矿系统是一种具有工业发展前景的多金属结核采矿工艺与方法。

作为海底履带自行式水力集矿车重要组成部分，水力集矿机构的主要功能是采集海底沉积物上的多金属结核，完成深海采矿过程的第一道工序。 水力式集矿机构采集多金属结核主要由相对安装的前后两排喷嘴组成的捕捉喷嘴和输送喷嘴来完成，它具有结构简单、运动件少、工作可靠、故障率低等优点，同时采集能力和采集效率高，对海底环境扰动较小［2］。

通过试验表明：在给定参数情况下，水力集矿机构对离地高度有一定要求，允许变化区间为40～180 mm，一旦离地高度超出这个适用范围，就会造成采集率和能力大大下降［2］。 所以保证集矿机构离地高度在允许区间内十分重要。

1 离地高度影响因素研究

多金属结核矿区海底沉积物表层含水量高，土质属于稀软泥土。 海底沉积物剪切强度一般随深度增加而增大，0 ～8 cm 深度范围呈流动状，剪切强度极小；8～14 cm 深度范围呈流塑状，剪切强度从1 kPa 急速增加到6 kPa；14 ～20 cm 深度范围沉积物抗剪性能均匀，剪切强度从6 kPa 缓慢降至5.8 kPa；剪切强度峰值出现在深度40～45 cm 处，约为11.8 kPa，在这之后小幅度降低。 海底沉积物贯入阻力一般随深度增加而增大，0 ～8 cm 深度范围呈流动状，贯入阻力极小；8～14 cm 深度范围呈流塑状，承载特性变化大，贯入阻力从10 kPa 急速增加到46 kPa；14～20 cm 深度范围承载性能均匀，贯入阻力从46 kPa 缓慢增加到50 kPa；海底沉积物贯入阻力峰值出现在深度45 cm 处，为100 kPa，在这之后小幅度降低［3-6］。

深海多金属结核集矿车采用履带行走机构，行走履带与海底沉积物直接接触，它在海底沉积物上边行走边采集结核，行走履带压陷并剪切深海稀软底质，对海底稀软底质层施加向后的水平力，这构成海底沉积物对作业车的推力。 水力集矿机构及其他部件等负载均布置安装在履带底盘上，整车的负载最终由履带作用于稀软底质并由其来承载，造成履带下陷一定深度。但不同区域海底底质力学特性有差异，引起集矿车行走机构压陷深度的变化，这直接体现在水力集矿机构离地高度的变化。 如图1 所示，多金属结核集矿车履带陷入沉积物的深度为A（单位为mm），A值大小会在一定范围内波动。

图1 水力集矿机构离地高度影响因素图

结核赋存区C⁃C 区属于典型的深海丘陵区，海底地貌总体为与洋壳断裂一致的南北向延伸的丘陵，丘陵的间隔为2～5 km，最西部升起100 ～300 m，总体平均坡度约5°。 多金属结核赋存量最多的是起伏平原，约占54%，其次是高地坡面，约占19%。 多金属结核集矿车应适应小地貌特征，可开采区地形坡度一般设计不大于5°［7］。

多金属结核矿区海底地形有一定的坡度，集矿车从平坦海底区块沿海底下坡面行进时，由于水力集矿机构处于集矿车前部，它会首先探入下坡面，如果水力集矿机构与车体相对位置保持不变，离地高度会增大，如图1 中B（水力集矿机构的离地高度，单位为mm）值会变大；同理，如果集矿车沿海底上坡面行进时，水力集矿机构离地高度会减小，也就是B值会减小。B值变化大小与坡度大小以及水力集矿机构与履带间距成比例关系。

水力集矿机构在深海海底采集多金属结核时，由于海底地形的变化及海底沉积物力学特性的差异构成了离地高差的变化，可以得到：

式中T为水力集矿机构离地高度变化值，mm；X为海底沉积物力学特性差异导致履带下陷深度变化值，mm；Y为由于地形坡度导致的离地高度变化值，mm。

式中α为海底地形的坡度，（°）；L为水力集矿机构捕捉喷嘴与履带间距，mm。

将式（2）代入式（1），可得：

即水力集矿机构离地高度值由海底沉积物力学特性、地形坡度和捕捉喷嘴与履带间距所决定。

2 离地高度控制机构

由于多金属结核矿区海底地形坡度及海底沉积物力学性能差异，集矿车在海底稀软底质上行走采集多金属结核时，水力集矿机构离地高度会发生一定的上下浮动。 为了保证集矿车在海底高效作业，集矿车必须同时具备水力集矿机构离地高度调整机构和离地高度测量机构，离地高度测量机构为离地高度调整机构提供响应的依据。

离地高度测量机构固定在水力集矿机构喷嘴两侧，用于测量水力集矿机构的离地高度。 离地高度测量机构要实现两种功能，一个功能是离地高度测量基准要保持与海底稀软底质表层接触，也就是说要保证离地高度测量基准的真实性；另一功能是及时准确地测量喷嘴相对于离地高度标准基准的距离。

如图2 所示，离地高度测量机构主要包括导向杆安装座、导向杆铰座、弹性元件、导向杆、地形检测板、立杆固定座、立杆。 导向杆安装座与立杆安装座固定在水力集矿机构的侧面。 导向杆有两根，分别位于立杆前后两侧，导向杆一端通过销轴与地形检测板铰接，另一端穿过导向杆铰座形成移动副并用双螺母限位。导向杆铰座另一铰孔穿于导向杆安装座上形成回转副。 弹性元件套于导向杆圆柱面上，随地形检测板上升或下降，导向杆在导向杆铰座轴孔内向上或向下滑动，使弹性元件压缩或伸长。 立杆一端通过销轴与地形检测板铰接成回转副，另一端圆柱面与立杆固定座的孔同轴形成移动副。 在地形检测板、导向杆、立杆等部件自身重力和弹性元件的弹性力共同作用下，能够实现地形检测板下表面与海底沉积物表层相重合，实现离地高度测量基准的准确性。

图2 离地高度测量与调整机构示意图

离地高度测量元件固定在立杆固定座上。 当地形检测板下底面相对于离地高度标准零基准有变化时，立杆就会沿立杆固定座内孔作相应滑动，这种相对位置的变动能被离地高度测量元件检测出来。

离地高度调整机构主要由连杆和升降油缸组成。连杆一端铰接在水力集矿机构上，另一端铰接在多金属集矿车前端；连杆共有4 根，两个一组，一组连杆与水力集矿机构本体及集矿车车架共同组成平行四连杆机构，实现水力集矿机构与集矿车的连接。 升降油缸一端铰接在水力集矿机构上，另一端通过耳轴铰接安装在采矿车上，升降油缸活塞杆伸长，水力集矿机构相对集矿车车架上升，离地高度就会增大；而油缸活塞杆缩短，水力集矿机构相对集矿车车架下降，离地高度就会减小，通过升降油缸来实现水力集矿机构的上下平行移动，以调节对地的高度。

3 离地高度控制策略

离地高度控制的总体策略就是将离地高度测量机构所测得的水力集矿机构离地高度值与离地高度设定允许范围进行比较判断，根据判断结果来指令离地高度调整机构采取相应对策，作出相应响应。 控制流程如图3 所示。 设定水力集矿机构离地高度控制设定值为H，离地高度设定允许偏差为±L，即离地高度在H-L～H＋L范围为水力集矿机构的设定允许范围（此范围小于水力集矿机构离地高度适用范围），此范围内对水力集矿机构的采集率影响不大。 离地高度测量元件测量值为S，当S≥H＋L时，即判定离地高度过高，这时通过伺服阀控制升降油缸缩短，使离地高度下降，直至离地高度测量值S＝H为止；当S≤H-L时，即判定离地高度过低，这时通过伺服阀控制升降油缸伸长，使离地高度上升，直至离地高度测量值S＝H为止；当H-L＜S＜H＋L时，即认为离地高度处于合适的范围，这时升降油缸保持不动，离地高度也就保持不动。

图3 离地高度控制流程

当多金属结核集矿车开始在海底采集多金属结核时，首先升降油缸缩短，水力集矿机构下降。 随着水力集矿机构下降，离地高度测量机构中的地形检测板首先接触海底，然后水力集矿机构继续下降，弹性元件受到压缩，导向杆在导向杆铰座轴孔内向上滑动，立杆也在立杆固定座轴孔内向上滑动，离地高度测量元件的测量值减小，直至测量值减小到H时，升降油缸停止动作，保证水力集矿机构离地高度处于设定值。

多金属结核集矿车行走采集多金属结核时，当前方为上坡地形，地形检测板前端弧形板接触上坡地形，在海底面作用力下，地形检测板相对于水力集矿机构向上运动，立杆也相对向上滑动，离地高度测量元件检测到真实的S变小。S与设定值H-L进行比较，一旦S≤H-L，伺服阀作出相应响应，升降油缸活塞杆伸长，使水力集矿机构上升，在弹性元件弹性力及地形检测板等自身重力共同作用下，地形检测板始终与海底接触，导向杆和立杆在相应轴孔中向下滑动，离地高度测量元件检测到真实的S增大，直至S＝H为止，伺服阀停止动作，升降缸停止动作，使水力集矿机构离地高度值恢复为H，即离地高度控制的设定值。

当前方为下坡地形，地形检测板接触下坡地形，在弹性元件的弹性力及地形检测板等自身重力共同作用下，地形检测板相对于水力集矿机构向下运动，立杆也相对向下滑动，离地高度测量元件检测到真实的S变大。S与设定值H＋L进行比较，一旦S≥H＋L，伺服阀作出相应响应，升降油缸活塞杆缩短，使水力集矿机构下降，导向杆和立杆在相应轴孔中向上滑动，离地高度测量元件检测到真实的S减小，直至S＝H为止，升降缸停止动作，使水力集矿机构离地高度值恢复为H，即离地高度控制的设定值。

多金属结核集矿车在海底稀软底质行走时，由于稀软底质的力学性质不一致，导致履带压陷深度变化，这样变化会直接传递到水力集矿机构上，引起离地高度的变化，离地高度测量元件检测到此时的S，当S≥H＋L，伺服阀作出相应响应，升降油缸活塞杆缩短，使水力集矿机构下降，导向杆和立杆在相应轴孔中向上滑动，离地高度测量元件检测到真实的S减小，直至S＝H为止，升降缸停止动作，使水力集矿机构离地高度值恢复为H，即离地高度控制的设定值。 当S≤H-L，伺服阀作出相应响应，升降油缸活塞杆伸长，使水力集矿机构上升，在弹性元件弹性力及地形检测板等自身重力共同作用下，地形检测板始终与海底接触，导向杆和立杆在相应轴孔中向下滑动，离地高度测量元件检测到真实的S增大，直至S＝H为止，伺服阀停止动作，升降缸停止动作，使水力集矿机构离地高度值恢复为H，即离地高度控制的设定值。

4 海试实验

“鲲龙500”多金属结核集矿车具有海底稀软底质履带自行驶、海底矿物水力自适应采集、海底综合导航定位等功能，能够完成海底规划路径行驶并且海底地形自适应矿石采集的任务。 “鲲龙500”集矿车上的水力集矿机构安装了离地高度检测机构与离地高度调整机构，并按上述的控制策略进行水力集矿机构离地高度的自适应调整。

“鲲龙500”集矿车于2019 年5 月搭载“长和海洋”号试验船在我国东海70 m 水深海域进行了相关实验，其中分两次入水开展了海底集矿作业实验，均采集到模拟结核，第一次采集模拟结核246.8 kg，第二次采集模拟结核191.5 kg。 2019 年6 月，“鲲龙500”集矿车搭载“张謇”号试验船在我国南海完成了500 m水深实验。 此次实验最大作业水深514 m，集矿车实现了自动行驶模式下按规划采集路径的智能采矿作业，采集海底模拟结核204.7 kg。

图4 为水力集矿机构离地高度自适应响应图。 当离地高度超出设定的上下限时，离地高度调整油缸作出相应的响应而伸长或缩短，使水力集矿机构的离地高度恢复到设定值，从而保证水力集矿机构高效的采集能力。

“鲲龙500”集矿车70 m 与500 m 水深海域采集实验验证了离地高度测量机构和离地高度调整机构及控制策略能够自适应调整集矿车水力集矿机构离地高度，满足采集工艺的要求。

图4 水力集矿机构离地高度自适应响应图

5 结 论

1） 集矿车水力集矿机构离地高度主要影响因素为海底稀软底质的力学特性、海底地形坡度及水力集矿机构捕捉喷嘴与履带间距。

2） 集矿车必须同时具备水力集矿机构离地高度调整机构和离地高度测量机构，离地高度测量机构测量离地高度数值，为离地高度调整机构提供响应依据。

3） 集矿车通过将离地高度测量机构所测得的水力集矿机构离地高度值与离地高度设定允许范围进行比较判断，根据判断结果来指令离地高度调整机构采取相应对策，作出相应的响应。

4） “鲲龙500”集矿车70 m 与500 m 水深海域采集实验验证了离地高度测量机构和离地高度调整机构及控制策略能够自适应调整集矿车水力集矿机构离地高度，满足采集工艺的要求。