富鈷結(jié)殼采礦車微地形行走技術(shù)的研究現(xiàn)狀*

劉 偉,吳鴻云,江 敏,侯井寶,徐俊杰,李江明

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012)

富鈷結(jié)殼是一種極具開發(fā)價值的深海礦產(chǎn)資源。自20世紀(jì)80年代開始，國際上開始了海底富鈷結(jié)殼礦產(chǎn)資源的勘探、開采和冶煉等方面的技術(shù)研究，比較有代表性的方案主要有日本提出的拖曳式采礦機，美國提出的自行式采礦機，俄羅斯專家提出的絞車牽引式采礦車等，由于海底環(huán)境的復(fù)雜性，開采難度較大，目前仍然處于方案研究階段[1]。

1 富鈷結(jié)殼微地形及其行駛要求

富鈷結(jié)殼微地形特性對采礦車的行走以及富鈷結(jié)殼的破碎和采集有很大的影響。結(jié)殼礦床的微地形按礦床賦存特征來分可以概括為6大類[2-4]，包括熔巖流帶型、復(fù)合帶型、卵石帶型、沉積物帶型、結(jié)核帶型、大片結(jié)殼層型。其中以大片結(jié)殼層型最具有開采價值，通常大面積(可達數(shù)十平方千米)附著在海山山坡上，地形坡度約為7°～15°，地形起伏約為5～10 cm，基底層為玄武巖、變質(zhì)玄武巖、玻璃質(zhì)碎屑巖、火山碎屑巖等。鈷結(jié)殼的形態(tài)也比較多樣化，大致呈板狀、礫狀和鈷結(jié)核狀3大類。

我國在2013年取得西太平洋富鈷結(jié)殼礦區(qū)的專屬勘探權(quán)，面積為3000 km2。以西太平洋富鈷結(jié)殼礦區(qū)的采薇海山為例，利用多波束測深和回波強度分析得到的結(jié)果如圖1所示。可以看出海山山頂為鈣質(zhì)遠洋沉積物區(qū)，因此呈現(xiàn)出軟底質(zhì)。斜坡區(qū)域通常為富鈷結(jié)殼發(fā)育區(qū)或者裸露的基巖，因而呈現(xiàn)出硬底質(zhì)或者中等硬底質(zhì)，中等硬度底質(zhì)通常附有少量遠洋鈣質(zhì)沉積[5]。利用深海淺鉆對該區(qū)域的巖芯取樣結(jié)果表明，在海山平頂邊緣地帶的基巖主要由碎屑巖、玄武巖、硅酸巖、磷塊巖等組成，其中以碎屑巖為主，且碎屑巖上生長的結(jié)殼平均厚度最大[6]。圖2是36航次調(diào)查的海底攝像圖片，其結(jié)殼發(fā)育區(qū)中分布有大面積板狀結(jié)殼和礫狀結(jié)殼。

圖1 西太平洋結(jié)殼礦區(qū)底質(zhì)分布

國內(nèi)外對富鈷結(jié)殼及其基巖的物理特性進行了一系列研究，但由于取樣地點、取樣方法以及試驗方法各不相同，不同的研究機構(gòu)最終得到的數(shù)據(jù)之間相差較大。通過比對國內(nèi)外的測試數(shù)據(jù)[7-11]得到表1，可以看出富鈷結(jié)殼的抗壓強度一般都在5～10 MPa之間，基巖的抗壓強度通常在20～60 MPa之間。

圖2 結(jié)殼區(qū)域微地形攝像

試樣抗壓強度/MPa彈性模量/GPa泊松比鈷結(jié)殼5～103．11～4．250．18～0．25基巖20～602．24～4．760．21～0．27試樣內(nèi)摩擦角/(°)內(nèi)聚力/MPa莫氏硬度鈷結(jié)殼50．4～54．430．275～0．373～4基巖65．26～760．325～6

通過對礦區(qū)的勘探和鈷結(jié)殼力學(xué)特性相關(guān)分析，對富鈷結(jié)殼可采區(qū)域地形行走提出如下要求：行走速度約為0.1～0.8 m/s;爬坡能力大于15°;越過臺階高度大于200 mm。

2 國外深海復(fù)雜地形采礦車的研究

1995年，美國在“國際海洋工程及其環(huán)境”會議上提出了自行式鈷結(jié)殼采礦車的設(shè)計方案，推薦的方案模型見圖3，配有8條三角形行走履帶，多履帶的布置結(jié)構(gòu)將利于改善采礦車整體接地情況，提升微地形的適應(yīng)能力。行駛速度0.2 m/s、作業(yè)功率900 kW、長13 m、寬8 m、高6 m、空氣中重100 t。采礦車一共裝備有6個切割頭破碎鈷結(jié)殼，切割頭的工作高度利用機械臂的上下移動來調(diào)節(jié)[13]，以適應(yīng)微地形的起伏，減少對基巖的切割。水力吸礦器布置在切割頭的后部，用于將破碎后的鈷結(jié)殼吸入儲存?zhèn)}，經(jīng)過重新破碎和分選之后，由揚礦管提升至緩沖倉。這種設(shè)計方案對于本文課題的研究具有很好的借鑒意義，即通過多履帶、多采礦頭的設(shè)計來解決富鈷結(jié)殼采礦車的地形適應(yīng)難題，是一種簡單可靠且行之有效的辦法。

深海多金屬硫化物是另外一種海底礦產(chǎn)資源，其礦區(qū)地形相對于富鈷結(jié)殼地形更加復(fù)雜和多變，因此硫化物采礦車的行走技術(shù)對富鈷結(jié)殼采礦車行走具有一定的借鑒意義。

日本石油、天然氣和金屬國家公司(JOGMEC)、三菱重工等于2012年在沖繩縣附近海域開展了海底多金屬硫化物開采試驗，試驗取得25 kg的硫化物。試驗用采礦車長7 m，寬3.2 m，高3.5 m，工作水深2000 m，水下重量16 t，功率為184 kW。其行走部分采用了4條履帶，并且4條履帶均為獨立懸掛和獨立驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)采礦車高度和姿態(tài)的調(diào)節(jié)[14]，履帶采用了大接近角和離去角的結(jié)構(gòu)來提高其越障能力，但履帶本身與地面的附著面積較小。

圖3 美國提出的富鈷結(jié)殼采礦機器人

3 國內(nèi)深海復(fù)雜地形采礦車的研究

國內(nèi)的部分相關(guān)高校和科研院所對車輛在海底的行走技術(shù)進行過一系列研究。中南大學(xué)設(shè)計了一款鉸接履帶式采礦機器人，實驗室模擬樣機如圖4所示。樣機由前履帶車、后履帶車和中間鉸接機構(gòu)組成，采用三自由度鉸接機構(gòu)使前后履帶車之間產(chǎn)生縱向俯仰、橫向側(cè)翻和水平轉(zhuǎn)向相對運動，以提高復(fù)雜地形的通過能力[15]。其越障鉸接機構(gòu)及其工作原理圖如圖5所示，當(dāng)模擬樣機越過垂直障礙時，鎖死油缸3，對油缸2施加運動控制來調(diào)整前后履帶的姿態(tài)；當(dāng)樣機越溝時，將俯仰油缸2和轉(zhuǎn)向油缸3鎖死，前后車體變?yōu)橐粋€整體；當(dāng)樣機爬坡時，將俯仰油缸2設(shè)置為自由狀態(tài)，鎖死其他油缸；當(dāng)樣機轉(zhuǎn)向時，可以通過對油缸3施加運動，實現(xiàn)前后履帶之間的偏轉(zhuǎn)，能夠減小轉(zhuǎn)向半徑。這種方案具有很好的地形適應(yīng)性和通過性，但也對控制性能提出了很高的要求。

圖4 鉸接履帶式采礦車行走模型樣機

圖5 鉸接機構(gòu)運動簡圖

北京科技大學(xué)曾提出過行星輪式行走機構(gòu)[16]、復(fù)合輪式行走機構(gòu)[17]等針對海底復(fù)雜地形的行走方案，行星輪式行走機構(gòu)的傳動簡圖如圖6所示：圖6(a)為總體傳動布置，圖7(b)為行星輪機構(gòu)傳動總圖。行走機構(gòu)由前后2個驅(qū)動橋和4組行星輪系組成，每個行星輪系有3個驅(qū)動輪。在平地時，任意2個車輪著地，驅(qū)動輪系相當(dāng)于定軸輪系。當(dāng)障礙高度大于驅(qū)動輪能越過的極限高度時，驅(qū)動輪系演變?yōu)樾行禽喯?，行星輪架和?qū)動輪一起繞行星輪系的中心轉(zhuǎn)動翻越障礙，行星輪系越障形式的切換不需要輔助機構(gòu)來控制,雖然行星輪式行走機構(gòu)采用了被動適應(yīng)的越障形式,對控制要求不高，但行星輪作翻轉(zhuǎn)運動的瞬間其驅(qū)動輪的扭矩和承載力以及整個采礦車的速度都會急劇變化，一旦車重較大，越障瞬間的沖擊力就會很大，影響采礦車可靠性。復(fù)合輪式采礦車的模型樣機如圖7所示，采礦車由4套復(fù)合輪組和鉸接式罐式車架組成，行走時，復(fù)合輪組的前、中、后輪在油缸的伸縮作用下，實現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)的變化，從而使整個機構(gòu)具備主、被動混合越障模式，由于海底壓力巨大，輪式行走機構(gòu)在海底行走需要解決承壓問題。

長沙礦山研究院有限責(zé)任公司設(shè)計了一款步履式采礦車樣機，如圖8所示，采用兩對液壓支腿交替著地，機身和平移架在牽引油缸作用下相互推進，完成步履前進，底盤和機身機架采用回轉(zhuǎn)支呈連接，由液壓馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動。原理樣機包括機身、平移架、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、底盤、支腿、牽引油缸和液壓站等。該原理樣機的外形尺寸約為1.9 m×1.7 m×1.8 m，機重2 t，功率為4 kW，可原地回轉(zhuǎn)±90°，越障高度約為0.4 m。此外，長沙礦山研究院有限責(zé)任公司還主持研發(fā)了四履帶式行走底盤樣機(見圖9)[18]，樣機底盤采用4個三角履帶行走裝置，三角履帶輪由4個同等排量的液壓馬達獨立驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)左側(cè)、右側(cè)馬達的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)向。三角履帶輪能夠圍繞各自的驅(qū)動輪前后擺動，從而實現(xiàn)地形的適應(yīng)，越障高度約為0.25 m。

圖6 行星輪式采礦車傳動模型

圖7 復(fù)合輪式采礦車模型樣機

圖8 步履式采礦車樣機

圖9 四履帶式采礦車樣機

4 結(jié)論與展望

經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國在富鈷結(jié)殼地形行走

技術(shù)方面進行了大量的基礎(chǔ)研究，有了長足的發(fā)展，設(shè)計并研制了多種適應(yīng)于富鈷結(jié)殼地形的采礦車原理樣機，但目前這些采礦車仍處于原理驗證性實驗階段，沒有開展富鈷結(jié)殼礦區(qū)試驗。富鈷結(jié)殼采礦車的微地形適應(yīng)難題亟待解決。未來對于富鈷結(jié)殼采礦車的設(shè)計主要注重于以下技術(shù)的提升：

(1) 由于富鈷結(jié)殼地形的復(fù)雜性，采礦車必須具備全地形行駛能力，對爬坡、越障、越溝的要求比常規(guī)地面全地形車輛更高。

(2) 由于富鈷結(jié)殼生長于海底，如果單純采用人工遠程控制會出現(xiàn)延遲，因此富鈷結(jié)殼采礦車的自動化程度必須足夠高，需具備路徑規(guī)劃和控制能力。

(3) 行走裝置和采集裝置的自適應(yīng)地形技術(shù)。由于富鈷結(jié)殼礦區(qū)微地形比較復(fù)雜，結(jié)殼厚度不均勻，行走裝置如果不能適應(yīng)地形，俯仰太過劇烈，會嚴(yán)重影響采集裝置的采集效率，與此同時采集裝置與礦區(qū)地面的相互作用力又會反過來影響行駛裝置的穩(wěn)定性。二者之間的聯(lián)動和協(xié)調(diào)是設(shè)計的難點。

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