一种基于旋涡水动力特性的集群式海底集矿装备
技术领域
本发明涉及一种用于集矿机全方位水动力检测的检测装置及检测方法，尤其涉及一种智能化协同作业海底集矿装备。
背景技术
海洋是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大潜在资源基地。除海洋石油气资源和海滨矿砂外，海底目前已知有商业开采价值的还有多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等金属矿产资源。这些矿物中富含镍、钴、铜、锰及金、银金属等，总储量分别高出陆上相应储量的几十倍到几千倍。2013年我国又正式获得一块太平洋富钴结壳矿区。显然，深海矿产资源的开发必须依赖深海采矿装备进行。
随着现代通信技术的发展和自动化控制的普及，智能化设计越来越受到重视。近年来，在电力、机械、化工、制药、建筑、物流等各个领域，智能化装备都得到了广泛的应用。在这样的时代背景下，海洋工程装备的智能化也成为必然趋势。尤其对于深远海作业而言，实现作业装备的智能化、自动化能够大大降低人力物力投入，有效提高作业生产率，对于海洋资源的合理开发具有十分重要的意义。
现有的海底集矿装备：
集矿器与主体为一体式结构，对设备的行走道路有一定要求(不可过于崎岖)，对采矿的范围造成了不利影响；
为了保证一定的采矿效率，设备的行走速度被迫提高，影响了设备的可控性和可靠性；
集矿器的吸附能力较弱，公布日为2016年2月24日，公布号为 CN105350968A的中国专利文献，公开了一种海底集矿车，其采用的吸矿罩采用了螺旋导流板和水射流喷嘴，从其附图上可以看出，这种螺旋导流板与水射流喷嘴未能实现良好的配合，而且这种形式的螺旋导流板对提高吸附力的功效也十分有限；此外，其吸矿罩的密封不足，也会导致吸附能力的不足；
集矿器随主体移动时容易与矿石或其他障碍物发生碰撞，集矿器必须向上提升避开障碍物，导致吸力不足，当避让不及时，碰撞对集矿器会产生一定损伤；
由于水下地形复杂，现有海底集矿装备行走时，对于水下复杂地形的探测不足，对于矿物分布也探测不足，影响了行进路径的正确引导判定，也影响了对于高风险作业区域的避开。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于集矿机全方位水动力检测的检测装置及检测方法，集矿器与主体之间采用分体式结构，主体行进缓慢的过程中集矿器自身可以自由移动，寻找合适的矿区进行采吸，提高采矿效率；提高集矿器的抽吸能力，同时使集矿器可以避让障碍物。
本发明采取以下技术方案：
一种基于旋涡水动力特性的集群式海底集矿装备，包括设备主体、多个海底适应性集矿器10及各自输矿管；所述输矿管将设备主体与海底适应性集矿器10连接，所述输矿管能够受控调节伸出设备主体的长度；所述海底适应性集矿器10具有履带行走机构，能够受控自主行走。该设计与传统的“一体化”结构相比有效提高了运动的灵活性，并且集矿器距海底高度不会随地形快速变化，使集矿效率稳定。
进一步的，所述海底适应性集矿器10的四周均匀布置多个小型履带19，构成所述小型履带行走机构。
进一步的，所述海底适应性集矿器10底部周围设有裙式外罩18，所述裙式外罩在与障碍物相碰时能够向内侧收缩抬起，通过障碍物后裙式外罩在重力作用下自动垂落，起到增加集矿器底部封闭效果的作用。
更进一步的，所述海底适应性集矿器10内部周围设有一圈多个导流板23，至少有一处相邻导流板之间设有喷水头22，所述喷水头喷净水，使海底适应性集矿器10内部产生旋流效果，从而增加抽吸能力；所述裙式外罩18设有引导外部海水进入的导流槽20。
再进一步的，所述裙式外罩为多段式结构，相邻两段具有部分交错，使外部海水进入海底适应性集矿器10时，产生一定旋流效果；交错部位产生的水流导向结构与所述导流板23的导流方向相适应。
进一步的，还包括水下探测器，所述水下探测器通过有线的方式与所述设备主体电连接，并在位于设备本体前方较高位置自动行进，具有视觉或声呐探测功能。
更进一步的，所述水下探测器包括声呐探测仪1、电子设备舱2、若干螺旋桨推进器4及对应的多自由度连接器3、尾翼5、光电缆6；所述多自由度连接器可调节螺旋桨推进器4的转动方向，从而调节水下探测器的行进和转向；所述光电缆6与设备主体连接。
更进一步的，所述设备主体设有储矿舱7、进矿口8、减震器11、多个履带行进装置、出矿口13、外输矿管14、水下探测器泊位16，所述履带行进装置的最大行走速度为1m/s，所述履带行走机构的最大行走速度为3m/s。
更进一步的，所述海底适应性集矿器10设有碟形外罩17、裙式外罩18、小型履带19、导流槽20、水泵21。
再进一步的，储矿舱7用于储存来自海底适应性集矿器10的矿物原料，内部具有破碎装置，可将大尺度的矿粒破碎成细小的颗粒以便于水力输送。当储存量达到一定程度，可通过大型矿浆泵输送至海底中继舱。再进一步的，进矿口8内部安装有调节扁型输矿管9长度的机械装置，便于扁型输矿管9自由伸缩以及防止缠绕。
进一步的，储矿舱7设置有减压阀15，一旦储矿舱内压力过大时，能够通过向外排出海水来降低储矿舱7内的压力。
进一步的，海底适应性集矿器10的集矿器外罩分为碟形外罩17 和裙式外罩18两部分。
更进一步的，裙式外罩18具有多层褶皱，具有强伸缩性和灵活性。
进一步的，所述设备主体采用蟒式全地形双节履带车的形式，两台履带车一前一后布置，二者之间连接方式为铰接，两台履带车自带驱动能力；前面一台履带车安装有水泵、扁形输矿管调节装置，后面一台履带车安装有破碎装置、储存装置、输送装置。
更进一步的，集矿器10诱导出特定的螺旋流对矿粒的抽吸力频率接近半埋入海泥中矿粒的振动固有频率，从而激发海泥中的矿粒共振，使得矿粒更容易从海泥中被抽起。
本发明的有益效果在于：
1)采用多个各自独立的海底适应性集矿器，与装备主体通过柔性的输矿管连接，扩大了采矿的范围，设备主体可选择相对平坦的海底道路，避开崎岖的道路；该设计与传统的“一体化”结构相比有效提高了运动的灵活性，并且集矿器距海底高度不会随地形快速变化，使集矿效率稳定。
2)设备主体的行走速度可以大幅降低，在确保采矿效率的基础上，提高了设备主体的可靠性与可控性；较低的行走速度同时能够降低行进过程中对海泥的扬起，减弱对海底环境的不利影响。
3)在海底适应性集矿器上设置了裙式外罩，提升了吸力；裙式外罩，其具有多层褶皱结构，受力后可向上抬起，避开障碍物，因此具有很强的伸缩性和灵活性；其可以罩住集矿区域的海底表面，具有很强的海底地形适应性，且可以减少对周围海底的扰动；集矿器的裙式外罩表面开有多个导流槽，用以诱导水平的螺旋流，进而有利于增强集矿效果，提高单位能耗的抽吸力，从而配置更少数量的更小体积的水泵，降低集矿机主尺度从而大大降低能耗，更加环保。
4)导流槽内部位置设置导流板，同时在相邻导流板之间设置喷水头，增加旋流效果，提升吸附能力；
5)裙式外罩能够向上收缩，避开障碍物，在确保提升吸附力的同时还可以避免集矿器撞击受损；
6)采用水下探测器，漂浮行走在设备主体前部上方，利用水下探测器探测作业区域附近的海底地形和矿物分布。水下探测器的设计满足了深海采矿任务智能化的要求。
7)水下探测器设有电子设备舱，可将用于控制航行、探测、集矿、输矿等作业的电子设备置于电子设备舱内，避免将其搭载于储矿车上，从而减轻储矿车的重量，使其能够在海底较为平稳地行进。既有利于结构安全，又有利于节省能量。
8)水下探测器与储矿车之间通过光电缆连接，将光纤与金属导线结合，既能够满足供电的需求，又能够将水下探测器的控制信号输送至储矿车，使得二者得以协同工作。
9)储矿车采用履带行进装置，其与海底的接触方式是面接触。与点接触相比，履带行进装置更加适应海底松软的地质条件，作用于海底的压强较小，能提供更大的抓地力，因此能够连续、稳定地行进。
10)使用多台海底适应性集矿器同时独立工作，通过系统控制使得每一台集矿器均覆盖一定的工作范围。因此，多台集矿器与单台相比，在单位时间内相当于覆盖了更广的作业范围，进而有效增加单位时间内的集矿总量，提高工作效率，缩短任务周期。
11)扁型输矿管可以将输矿管道和光电缆集成于一体，便于矿物的传输以及集矿器的供电和控制。且扁型输矿管因其变形自由度受限制而更加便于伸缩和防止缠绕，提高了装置的可靠性。
12)集矿器设置有裙式外罩，其具有多层褶皱结构，因此具有很强的伸缩性和灵活性。其可以罩住集矿区域的海底表面，具有很强的海底地形适应性，且可以减少对周围海底的扰动。
附图说明
图1是本发明海底集矿装备的立体图。
图2是本发明海底集矿装备的主视图。
图3是海底适应性集矿器的立体图。
图4是海底适应性集矿器底部位置的立体图。
图5是采用多段式结构的裙式外罩的示意图，相邻两段具有部分交错，使外部海水进入海底适应性集矿器时，产生一定旋流效果；交错部位产生的水流导向结构与所述导流板的导流方向相适应。
图6是采用导流板和切向孔结构的裙式外罩的外部结构示意图，使得集矿器能够根据工作条件采用两种诱导旋流的方法。
图7是采用导流板和切向孔结构的裙式外罩的内部结构示意图。
图8是设有备用水下探测器的海底集矿装备的立体结构图。
图9是图8的主视图。
图中，1.声呐探测仪，2.电子设备舱，3.多自由度连接器，4. 螺旋桨推进器，5.尾翼，6.光电缆，7.储矿舱，8.进矿口，9.扁型输矿管，10.海底适应性集矿器，11.减震器，12.履带式行进装置，13. 出矿口，14.外输矿管，15.减压阀，16.水下探测器泊位，17.碟形外罩，18.裙式外罩，19.小型履带，20.导流槽，21.水泵，22.喷水头， 23.导流板,24.切向孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
协同是指协调两个或以上的个体，发挥各自功能，合作完成特定任务的能力。对于深海采矿这样的复杂工程来说，包含多种作业任务，需要完成多项功能。因此，采用多种装备“各司其职”，协同作业将是十分有效的设计方法。本发明提出一款海底集矿装备，将智能化与协同化设计相结合。整套装备包括水下探测器、海底适应性集矿器和履带式储矿车等多个部分，能够分别完成探测、采矿、储矿和加工的功能。各个系统之间协同配合，可显著提高海底采矿作业的安全性和高效性。此外，每一种装备都根据各自的作业特点进行了合理化设计，使其在协同作业的同时，保证自身功能可实现，以期达到可靠性的要求。
下面对本发明总的设计思路进一步阐述：
首先，从改善水力集矿性能和多个集矿器形成触须式协同作业布局两个方面提高集矿效率。从原理上具有突破：利用旋涡水动力特性，增加负压的传递距离，有效降低矿粒的临界起动速度，增加单位能耗的抽吸力；
第二，从减小行进压力和改进抬矿方式两个方面降低对海底环境的影响。从结果布置上具有创新：利用补水射流或者水平附加水射流，通过增加切向角动量形成稳定的竖轴旋涡。
实施例一：
如图1-3所示，一款海底集矿装备，包括水下探测器、履带式储矿车和海底适应性集矿器等多个部分。水下探测器主要包括：声呐探测仪1、电子设备舱2、多自由度连接器3、螺旋桨推进器4和尾翼5 等。水下探测器通过光电缆6与履带式储矿车连接。履带式储矿车主要包括：储矿舱7、进矿口8、减震器11、履带式行进装置12、出矿口13、外输矿管14、减压阀15和探测器泊位16等。海底适应性集矿器主要包括：碟形外罩17、裙式外罩18、小型履带19、导流槽20、水泵21。集矿器通过扁形输矿管9与储矿车的进矿口8相连接。
水下探测器的功能主要是：①探测海底地形；②探测海底矿物的分布；③搭载电子设备。水下探测器具备自航能力，并且能够在深海环境中航行。探测器上安装有声呐探测仪1，用于探测海底地形和矿物的分布，以便合理地规划行进路径，规避存在风险的作业区域，以及提高集矿作业的生产效率。因此，水下探测器的设计满足了深海采矿任务智能化的要求。电子设备舱2搭载用于控制航行、探测、集矿、输矿等作业的电子装备，其外壳为耐压壳体结构，能够承受深海巨大的压力。水下探测器的航行由螺旋桨推进器4推进，其通过多自由度连接器3与探测器相连，因此可以通过自由调整方向，实现航行姿态的调整。尾翼5能够改善水下探测器的操纵性，使其稳定航行，从而保护电子设备舱2内的设备不受损坏。光电缆6是一种将光纤和金属导线结合起来的传输介质，兼具电力输送和信息传输的功能。水下探测器通过光电缆6获得来自储矿车的电力供应，同时将控制信号传输至储矿车上的控制设备，使其按照规划的路径行进和开展采矿任务。因此，这一设计实现了水下探测器和储矿车的协同作业。
履带式储矿车的功能主要是：①储存来自海底适应性集矿器10 的矿物；②加工矿物，使其成为矿浆；③将矿浆输送至海底中继舱；④为水下探测器提供电力和停泊处所；⑤接收来自水下探测器的控制信号，并控制行进路径和采矿作业。来自海底适应性集矿器10的矿物储存于储矿舱7中。储矿舱7设置有多个进矿口8，每个进矿口通过扁型输矿管9与一台海底适应性集矿器10相连。因此储矿舱7可同时收集来自多台海底适应性集矿器10采集的矿物，覆盖较广的范围，进而有效增加单位时间内的集矿总量，提高集矿作业的整体效率。进矿口8内部安装有调节扁型输矿管9长度的机械装置，目的是便于扁型输矿管9自由伸缩以及防止缠绕。储矿舱7中安装有破碎装置，可将大尺度矿粒破碎成细小的颗粒，以便于水力输送。当储存量接近饱和时，可借助大型矿浆泵由出矿口13通过外输矿管14输送至海底中继舱。必要时亦可通过减压阀15向外排出海水来降低舱内压力。储矿车底部采用履带式行进装置12，其与海底的接触方式为面接触。与点接触相比，履带式行进装置更加适应海底松软的地质条件，作用于海底的压强较小，压陷小，因此能够在大承载情况下连续、稳定地行进。履带式行进装置12上还安装有减震器11，目的是降低储矿车在复杂海底地形上行进时产生的振动，保证结构和设备的安全，以及对集矿器底盘进行升沉补偿，动态贴靠海底，保证集矿作业任务的稳定进行。储矿车上安装有水下探测器泊位16，当海底地形三维扫描完毕、非工作状态以及集矿机修整时，可供探测器停泊。
海底适应性集矿器10的主要功能是：①在海底表面自主移动；②通过水泵的抽吸作用以及诱导螺旋流，收集海底矿物。集矿器的外罩分为两部分，上部是碟形外罩17，下部是裙式外罩18。裙式外罩 18具有多层褶皱，因此具有很强的伸缩能力和灵活性，可以罩住吸矿区域的海底表面，进而减少对海底的扰动。裙式外罩18表面均匀地开有导流槽20，其作用是诱导水平的螺旋流，进而提高集矿的效果。集矿器底部安装有小型履带19，可以使得集矿器在海底自主行驶。集矿器的上部安装有水泵21，借助水泵的抽吸作用可将矿物泵送至扁型输矿管9。
所述海底适应性集矿器10内部周围设有一圈多个导流板23，至少有一处相邻导流板之间设有喷水头22，所述喷水头喷净水，使海底适应性集矿器10内部产生旋流效果，从而增加抽吸力。
本发明的基本思想是：根据海底集矿作业的特点，通过水下探测器、履带式储矿车和海底适应性集矿器三者的协同作业，提高海底集矿作业的可行性、高效性，从而实现智能、协同、高效的海底集矿作业。
下面结合图1-2进一步说明本装置的具体工作原理：
此智能化协同作业海底集矿装备在某深海海域开展海底采矿任务。海底地形和矿物的具体分布未知，因此派出水下探测器执行探测任务。水下探测器依靠声呐探测仪1探测海底的地形状况以及矿物的分布情况。这些信息经过控制系统的处理，能够规划出最优的行进路径，以提高集矿的生产率，并能够避开存在危险的作业区域。水下探测器的电子设备舱2内携带有大量电子设备，用于控制其航行、探测以及采矿、储矿、加工、输送等任务。水下探测器依靠多自由度连接器3和螺旋桨推进器4推进，当其需要上升、下降或转弯时，可调整多自由度连接器3，改变螺旋桨推进器4的位置和角度，从而实现航行姿态的控制。尾翼5能够保证其在航行过程中维持稳定。水下探测器依靠储矿车供电，电力通过光电缆6传输，同时水下探测器发出的控制信号亦通过光电缆6传输至储矿车。储矿车上安装有水下探测器泊位16，当海底地形三维扫描完毕、非工作状态以及集矿器修整时，可供探测器停泊。
储矿车根据水下探测器的控制信号，按照规划的路径行进。储矿车采用履带式行进装置12，能够在复杂的海床表面连续、稳定地行进。履带式行进装置12上还安装有减振器11，使其在海底能够平稳地移动，从而保证结构的安全性以及集矿作业的稳定进行。储矿舱7设置多个进矿口8和一个出矿口13。每个进矿口通过扁型输矿管9 与一台海底适应性集矿器10相连。因此储矿舱7可同时收集来自多台海底适应性集矿器10采集的矿物，覆盖较广的范围，进而有效增加单位时间内的集矿总量，提高集矿作业的整体效率。若集矿机向远离储矿车的方向行进，则需伸长扁型输矿管9的长度；反之，则需缩短。为此，进矿口8内部安装有调节扁型输矿管9长度的机械装置，便于扁型输矿管9自由伸缩。储矿舱7不仅具备储存矿物原料的功能，还安装有加工设备，能够将矿物原料加工成矿浆。随着集矿器源源不断输送矿物原料，矿浆的储存量也不断增加。当达到某一程度时，借助大型矿浆泵，将储存的矿浆由出矿口13通过外输矿管14输送至海底中继舱，从而实现作业任务的循环。
集矿器通过扁形输矿管9与储矿车相连接，同时通过扁型输矿管 9内部集成的光电缆接收来自储矿车的电力供应和控制信号。借助小型履带，集矿器可以在海底一定区域内自主移动，进而开展集矿任务。集矿器下部的裙式外罩18具有多层褶皱结构，可以罩住集矿区域的海底表面，减少对其他海底区域的扰动，并且可以使集矿器与海底贴合更加紧密，有利于增强吸力。集矿开始后，在水泵21的抽吸作用下，海水和矿粒受到强大的抽吸力。大量的水通过裙式外罩18表面的导流槽20流入集矿器内部，进而诱导出水平的螺旋流。这种形式的螺旋流可以有效地增强集矿效果，提高集矿效率。被抽吸上来的矿物颗粒混合海水和海泥，陆续通过裙式外罩19和碟形外罩18，并在水泵21的泵送作用下，通过扁型输矿管9输送至储矿车。
利用基于量纲分析的数值模拟和试验研究获得不同大小矿粒在不同集矿工况(集矿流量、集矿器流域形态等)下的垂向受力规律。使得集矿作业中，通过计算分析获得的抽吸力恰好满足作业要求。过大的抽吸力不仅需要水泵提供更大的抽吸流量，更是增大了集矿器履带的行走阻力，从而造成能耗极大浪费。而刚好满足集矿需求的抽吸力不仅能最大程度降低对海底的扰动，抽吸过程中形成的贴靠海床吸附力增加了集矿器结构的稳性，从而施工更加安全。
本实施例具有以下创新点：
1、利用水下探测器探测作业区域附近的海底地形和矿物分布，进而根据探测的信息合理地规划海底集矿车和储矿车的行进路径。
2、设有电子设备舱，可将用于控制航行、探测、集矿、输矿等作业的电子设备置于电子设备舱内，避免将其搭载于储矿车上。
3、水下探测器与储矿车之间通过光电缆连接，能够同时输送电力和信息。
4、储矿车采用履带行进装置，适合于在海底行进。
5、使用多台海底适应性集矿器同时独立工作，能够扩大集矿范围，提高单位时间内的集矿总量。
6、使用扁型输矿管，其在机械装置的作用下可以自由调整长度。
7、集矿器设置有裙式外罩，其具有多层褶皱结构，因此具有很强的伸缩性和灵活性。
8、集矿器的裙式外罩表面开有多个导流槽，用以诱导水平的螺旋流。
实施例二:
与实施例一的不同之处在于：参见图5，所述裙式外罩为多段式结构，相邻两段具有部分交错，使外部海水进入海底适应性集矿器10时，产生一定旋流效果；交错部位产生的水流导向结构与所述导流板23的导流方向相适应。
实施例三：
与实施例一、二的不同之处在于：参见图6、图7，将所述的导流板23设置于集矿器下部，同时碟形外罩下缘表面开有若干切向孔 24，使得集矿器能够根据工作条件采用两种诱导旋流的方法。当海底平坦，集矿器与海底贴靠较紧密时，借助水泵的抽吸和导流板的导流作用，即可产生一定的旋流效果；当海底崎岖，集矿器无法紧密贴靠海底时，切向孔能够产生横向水射流，提供水流的的角动量，从而保证旋流的产生。
实施例四：
与实施例一的不同之处在于：参见图8、图9，储矿车主体的结构采用蟒式全地形双节履带车的形式。两台履带车一前一后布置，二者之间连接方式为铰接。两台履带车均有一定的驱动能力，使其具有良好的越障能力和很强的地形适应性。因此对于海底地形坡度较大的区域，与单台履带车相比，其具有更加良好的机动性和通过性，进而提高了海底集矿作业过程的可靠性。在设备布局方面，前面一台履带车主要安装有水泵、扁形输矿管调节装置等，后面一台履带车主要安装有破碎装置、储存装置、输送装置等。
半埋入海泥中的矿粒具有较为固定的振动固有频率范围 (13-17Hz)，集矿器诱导出特定的螺旋流对矿粒的抽吸力频率接近半埋入海泥中矿粒的振动固有频率，从而激发海泥中的矿粒共振，使得矿粒更容易从海泥中被抽起，从而增加集矿效率。
以上四个实施例均为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。
