基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头及集矿方法技术

本发明专利技术涉及一种基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头，包括一截面呈人字形的集矿腔体，集矿腔体上部为一对曲面壁，曲面壁分为两段曲面单元，两段曲面单元中间由柔性连接层相连；两段曲面单元之间由至少一液压缸连接，通过液压缸伸缩可调节位于下部的曲面壁的曲率；喷射筒体与供水管路连通；喷射筒体的轴端通过一连杆固定于一摆动机构上，摆动机构可带动喷射筒体小幅摆动，进而使得喷口的朝向与集矿腔体入口相适应。本发明专利技术射流角度姿态可根据沉积物矿料物理属性、工况参数变化进行调节。前后段曲面壁的曲率可调，让集矿流场中的速度、压力分布能在一定范围内进行调节和优化。化。化。

【技术实现步骤摘要】
基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头及集矿方法


[0001]本专利技术涉及一种用于海底集矿的集矿头，具体来说，是一种基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头。

技术介绍

[0002]深海采矿技术是一项针对蕴藏于海洋中、分布于深度区间为4000米及以上海底的金属矿产资源开发利用的技术。
[0003]目前的深海采矿系统主要由水面支持母船、水力提升中继舱、海底集矿车三个部分组成。其中海底集矿车是整个系统的核心，也是主要设计难点所在。在已有的海底集矿车系统中，主要采用机械式、水力式、复合式三种集矿方法，由于机械式集矿方法使用机械部件直接从海底铲取矿物，对海底扰动很大，因此主流集矿车的集矿头基本采用水力式集矿方法。当前的水力式集矿方法主要有双排水射流冲采和基于康达效应采集两种，前者使用高速水射流冲刷海底，从而将矿石冲起并收集，该方法同样会对海底造成较大的扰动，对海底脆弱的生态环境造成一定程度的破坏；而康达效应作为一种利用近集矿头壁面低压区，在不直接冲刷海床表面的情况下相对柔和地采集矿石颗粒的方法，具有其他采矿方式无可比拟的优点。该方法利用康达效应，也即贴壁射流具有沿着凸曲面壁运动的趋势，通过向凸曲面壁施加水射流，形成低压区，利用压力差产生提升力从而将矿石采集起来。虽然基于康达效应集矿头的概念很早就被提出，且已经过海试等实际验证切实可行，但当前基于康达效应原理设计的集矿头因缺乏对海底环境和具体工况参数变化的充分考虑，在实际作业时，仍存在一些不足之处。
[0004]现有集矿头具有以下不足之处：
[0005]1)现有集矿头的离底高度(集矿头底部与海床表面之间的距离)为主动式调节，通过液压机构来调节集矿头离底高度有一定延迟。在集矿车行进过程中车体较长，微小的纵倾都会引起集矿头离底高度较大的变化，并且海底地形也有一定起伏，现有技术很难满足集矿头在行进中始终贴靠海床表面。相关研究表明，集矿头离底高度会对矿粒的采集率以及对海床表面沉积物扰动产生显著的影响；
[0006]2)现有基于康达效应的集矿头方案中，普遍采用单曲面的结构形式，采集率有所不足；
[0007]3)现有基于康达效应的集矿头方案中，射流喷口是固定在集矿头上的，且射流角度固定，无法根据工况参数变化做出适应性调节。这样容易诱发水力采集过程对海底扰动过大等隐患以及采集率过低等问题；
[0008]4)现有集矿头方案中，曲面壁的曲率半径不可调节，这使得集矿头的形状无法根据工况参数进行适应性的变化，以致无法获取集矿效率与效益的最大化。
[0009]本专利技术采取以下技术方案：
[0010]一种基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头，包括一截面呈人字形的集矿腔体，所述集矿腔体上部为一对曲面壁7，所述曲面壁7分为两段曲面单元，两段曲面单元中
间由柔性连接层6相连；两段曲面单元之间由至少一液压缸5连接，通过液压缸5伸缩可调节位于下部的所述曲面壁的曲率；所述人字形的集矿腔体两端各设置一喷射筒体，所述喷射筒体上设有与集矿腔体入口对应的长条形状或长条形布置的喷口；所述喷射筒体与供水管路连通；所述喷射筒体的轴端通过一连杆固定于一摆动机构上，所述摆动机构可带动喷射筒体小幅摆动，进而使得所述喷口的朝向与集矿腔体入口相适应。
[0011]优选的，所述摆动机构包括液压旋转机构8，所述液压旋转机构8通过其输出轴带动锥齿轮8a转动，通过锥齿轮8a带动齿轮8b转动，所述连杆与所述齿轮8b相对固定。
[0012]进一步的，一对液压旋转机构8设于集矿腔体的前后两侧，分别控制一侧的喷射筒体的摆动，各自的油管及信号线沿所述集矿腔体的前后两侧的方向向上延伸。
[0013]进一步的，位于上部的所述曲面壁7及集矿设备本体相对固定。
[0014]优选的，还包括泥橇板4，所述泥橇板4位于集矿腔体下方，并通过减震装置3与集矿腔体连接。
[0015]进一步的，所述减震装置3为沿泥橇板4长度方向设置的可多点调节的主动式减震调节装置和被动式减震调节装置；所述主动减震调节装置为刚性的伸缩部件，所述伸缩部件通过伸缩调节所在点位下泥橇板4上端与集矿腔体下表面之间的间距；伸缩调节后可锁定；所述被动式减震调节装置为弹簧组件，所述弹簧组件通过弹性伸缩调节所在点位下对于集矿腔体的支撑力；在主动减震调节装置后集矿头进入被动式调节模式，实现行进过程中的集矿头能够动态实时地贴靠海床表面，对海底地形变化进行自适应。
[0016]进一步的，所述泥橇板4具有一对，设置在集矿腔体左右两侧的下方。
[0017]进一步的，所述喷射筒体为横卧的圆筒形状；所述泥橇板4的前端呈锥形。
[0018]一种基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿方法，采用上述的射流姿态自调节水力式集矿头；当所处海底矿区洋流较小、对生态保全要求相对较低且矿粒埋没较深时，通过增大前后射流喷口与与水平线之间的夹角及曲面壁曲率，来增加矿石颗粒采集率；当矿区所处位置洋流较大、对海底生态保全要求较高、矿石颗埋没深度较低、海床表面沉积物松软易扩散时，通过减小前后喷口与水平线的射流夹角及曲面壁曲率，在保证采集率的情况下降低对海床附近扰动。
[0019]优选的，集矿头离底高度通过可调节支撑高度的减震装置先后实现主动式和被动式调节：通过主动减震调节装置主动式调节实现集矿头作业过程中的离底高度；在锁定主动减震调节装置后由被动式减震调节装置实施被动式调节。
[0020]本专利技术的有益效果在于：
[0021]1)集矿头吸口人字形双侧曲面壁射流设计：在吸口两侧的前后喷口均相切于一段用于产生表面射流的曲面壁，产生的双向对冲的近壁面射流可显著增加采集率，让矿粒更易被提升采集。由于康达效应产生的集矿流场具有近壁面处流速大，远壁面处流速小的特殊性，集矿头在采集过程中将具有以下两个优点：a)可通过控制集矿头离底高度、射流流量以及前后曲面壁的曲率，实现对不同大小矿粒的选择性采集，粒径较大的颗粒往往具有更高的采集效益成本，并且在基于康达效应集矿流场中大粒径矿粒会在更小的集矿射流流量下被采集；b)由于处于海床表面的细微沉积物颗粒相比于矿粒，与有较大流速分布的曲面壁距离更远，根据康达效应集矿流场中流速沿着垂向向下快速衰减的特征，远壁面近海床表面处流速与射流流速比值很小。在对粒径较大矿粒选择性采集(即一定程度降低射流流
量，放弃通过增加流量来采集低采集效益成本的小粒径矿粒)后，射流流速的显著降低会进一步地减小对海床表面细微沉积物颗粒的扰动，把集矿过程中的泥沙扩散降到最低；
[0022]2)射流角度姿态可根据沉积物矿料物理属性、工况参数变化进行调节。前后段曲面壁的曲率可调，让集矿流场中的速度、压力分布能在一定范围内进行调节和优化，从而实现精细化采矿作业，实现高采集率低扰动采集。当所处海底矿区洋流较小对生态保全要求相对较低且矿粒埋没较深时，可通过增大前后喷口与与水平线之间的夹角及曲面壁曲率，来增加矿石颗粒采集率，当矿区所处位置洋流较大对海底生态保全要求较高、矿石颗埋没深度较低、海床表面沉积物松软易扩散时，可通过适本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头，其特征在于：包括一截面呈人字形的集矿腔体，所述集矿腔体上部为一对曲面壁(7)，所述曲面壁(7)分为两段曲面单元，两段曲面单元中间由柔性连接层(6)相连；两段曲面单元之间由至少一液压缸(5)连接，通过液压缸(5)伸缩可调节位于下部的所述曲面壁的曲率；所述人字形的集矿腔体两端各设置一喷射筒体，所述喷射筒体上设有与集矿腔体入口对应的长条形状或长条形布置的喷口；所述喷射筒体与供水管路连通；所述喷射筒体的轴端通过一连杆固定于一摆动机构上，所述摆动机构可带动喷射筒体小幅摆动，进而使得所述喷口的朝向与集矿腔体入口相适应。2.如权利要求1所述的基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头，其特征在于：所述摆动机构包括液压旋转机构(8)，所述液压旋转机构(8)通过其输出轴带动锥齿轮(8a)转动，通过锥齿轮(8a)带动齿轮(8b)转动，所述连杆与所述齿轮(8b)相对固定。3.如权利要求2所述的基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头，其特征在于：一对液压旋转机构(8)设于集矿腔体的前后两侧，分别控制一侧的喷射筒体的摆动，各自的油管及信号线沿所述集矿腔体的前后两侧的方向向上延伸。4.如权利要求2所述的基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头，其特征在于：位于上部的所述曲面壁(7)及集矿设备本体相对固定。5.如权利要求1所述的基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头，其特征在于：还包括泥橇板(4)，所述泥橇板(4)位于集矿腔体下方，并通过减震装置(3)与集矿腔体连接。6.如权利要求5所述的基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头，其特征在于：所述减震装置(3)为沿泥橇板(4)长度方向设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖龙飞，赵国成，杨建民，刘明月，张显涛，胡经朝，张念凡，杨显原，岳子钰，李琰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：