“鯤龍500”采礦車(chē)履帶行駛機(jī)構(gòu)的研制與試驗(yàn)研究*

陳秉正

(長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 前 言

廣袤的海洋蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，它為人類(lèi)提供了新的礦產(chǎn)資源供給渠道。然而由此獲取礦產(chǎn)資源，僅從深海多金屬結(jié)核開(kāi)采的履帶行駛技術(shù)層面看，還面臨著眾多瓶頸問(wèn)題。根據(jù)中國(guó)大洋 38航次（2017年蛟龍?zhí)栐囼?yàn)性應(yīng)用航次）實(shí)施的5次蛟龍?zhí)栂聺撟鳂I(yè)和 16個(gè)站位的常規(guī)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，千米級(jí)水深的多金屬結(jié)核礦區(qū)海底沉積物顆粒細(xì)，摩擦系數(shù)不足0.08，因此沉積物的剪切強(qiáng)度是決定采礦車(chē)履帶牽引力的關(guān)鍵因素。根據(jù)礦區(qū)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)履帶壓陷深度為10～20 cm時(shí)，沉積物剪切強(qiáng)度約 3 kPa，且沉積物受到攪動(dòng)后將流體化，剪切強(qiáng)度不超過(guò)原始強(qiáng)度的 1/3。稀軟底質(zhì)下履帶行駛機(jī)構(gòu)可行駛技術(shù)是履帶行駛機(jī)構(gòu)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。

為加快突破關(guān)鍵技術(shù)，中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)辦公室基于 20余年的研發(fā)基礎(chǔ)，在“十二五”期間通過(guò)立項(xiàng)，組織開(kāi)展了一系列技術(shù)攻關(guān)工作。“面向海試的多金屬結(jié)核集礦系統(tǒng)研制與集成”課題（課題編號(hào) DY125－14－T－03）是其中的一項(xiàng)重要研究工作。為加強(qiáng)優(yōu)勢(shì)單位間的協(xié)作協(xié)同，該課題又分解為鯤龍?zhí)?00型履帶行駛機(jī)構(gòu)（下簡(jiǎn)稱(chēng)履帶機(jī)構(gòu)）研制與試驗(yàn)研究等獨(dú)立研究課題。根據(jù)相關(guān)的合同、協(xié)議和要求，履帶機(jī)構(gòu)應(yīng)具有在3500 m深海環(huán)境中作業(yè)的能力，并能搭載采集等工作機(jī)構(gòu)，它是鯤龍?zhí)?00型集礦作業(yè)車(chē)的重要組成部分。

1 履帶機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

根據(jù)不同的底質(zhì)條件，水下履帶行駛機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常有3類(lèi)。其一，中央鉸接式四履帶驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)；其二，兩輪一帶式（驅(qū)動(dòng)輪，引導(dǎo)輪及履帶）雙履帶驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)；三是傳統(tǒng)的四輪一帶式（驅(qū)動(dòng)輪，引導(dǎo)輪，支重輪，托輪及履帶）雙履帶驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)稀軟底質(zhì)上作業(yè)的可靠性要求及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性要求，鯤龍?zhí)?00型集礦作業(yè)車(chē)行進(jìn)時(shí)應(yīng)對(duì)海洋底部的生態(tài)環(huán)境影響小，履帶接地面積大，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)先進(jìn)、維修方便、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠。據(jù)此，履帶機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用在前期工程試驗(yàn)中得到了充分驗(yàn)證的四輪一帶式雙履帶驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），并進(jìn)行高履齒、大前角、輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)減量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輕質(zhì)化材料選型，實(shí)現(xiàn)了履帶機(jī)構(gòu)輕量化。

圖1 “鯤龍500”采礦車(chē)履帶行駛機(jī)構(gòu)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減量化的技術(shù)措施主要是空窗化、適用化、集成化，即將履帶架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成多窗格異形焊接件，最大限度地減少了實(shí)體材料；將托輪、支重輪的軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為滑動(dòng)軸承，較之滾動(dòng)軸承重量顯著降低；選擇集成化的液壓雙速油馬達(dá)等外購(gòu)零部件，使履帶機(jī)構(gòu)的零部件既減量又減重。

在履帶機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)件材料選型上，首次采用鋁鎂合金輕質(zhì)材料。鋁鎂合金具有比強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、抗電磁干擾、電磁屏蔽性好等特點(diǎn)。選用鋁鎂合金材料可顯著提高履帶機(jī)構(gòu)海底作業(yè)的適應(yīng)性。

2 履帶架有限元分析

保證履帶架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是履帶行駛機(jī)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。本文以右履帶架為目標(biāo)，基于 3倍安全系數(shù)條件，通過(guò)SolidWorks Simultion進(jìn)行有限元力學(xué)分析。

2.1 模型構(gòu)建

導(dǎo)入履帶架三維模型，輸入材質(zhì)約束條件鋁鎂合金6061。以履帶架主梁下表面作為固定面，對(duì)履帶架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)履帶架梁、連接法蘭螺栓孔、張緊油缸座及驅(qū)動(dòng)輪U型板施加載荷，分別模擬上部履帶及托輪對(duì)履帶架的壓力F1=28000 N、連接法蘭受剪切力F2=7280 N、張緊油缸座受履帶張緊力F3=14000 N及驅(qū)動(dòng)輪 U型板受履帶張緊力F4=14000 N（見(jiàn)圖2）。

圖2 右履帶架網(wǎng)格劃分及受力模擬圖

2.2 有限元仿真分析結(jié)果

仿真所得應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖 3，位移分布情況見(jiàn)圖 4，應(yīng)變分布情況見(jiàn)圖 5。履帶架所受最大應(yīng)力為 52.99 MPa，低于鋁鎂合金 6061的屈服強(qiáng)度62.05 MPa；最大位移為0.5936 mm；產(chǎn)生的最大應(yīng)變?yōu)?6.629×10-4。仿真數(shù)據(jù)表明，履帶架強(qiáng)度校核安全。

圖3 應(yīng)力分布情況

圖4 位移分布情況

圖5 應(yīng)變分布情況

3 試驗(yàn)研究

履帶機(jī)構(gòu)試驗(yàn)分實(shí)驗(yàn)室、70 m級(jí)海試及500 m級(jí)海試3個(gè)階段進(jìn)行。通過(guò)試驗(yàn)室試驗(yàn)，對(duì)影響履帶機(jī)構(gòu)樣機(jī)在海底稀軟介質(zhì)上行駛的各項(xiàng)因素進(jìn)行分析，考核其功能指標(biāo)和性能指標(biāo)，并評(píng)估在海底稀軟介質(zhì)上的行駛性能，進(jìn)而進(jìn)一步優(yōu)化履帶機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過(guò)集礦作業(yè)車(chē)海試，考核履帶機(jī)構(gòu)集成在不同深度海底作業(yè)的工程適用性、技術(shù)先進(jìn)性，同時(shí)測(cè)試履帶機(jī)構(gòu)樣機(jī)作為海底行駛裝備的通用平臺(tái)，其技術(shù)的可靠性、可擴(kuò)展性、可移植性。

二是復(fù)雜的多變性。青年價(jià)值觀(guān)的多變性體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，同輩群體對(duì)青年價(jià)值取向的影響很大。青年往往喜歡和同伴們?cè)趦r(jià)值取向上保持一致，從而忽略了個(gè)體的差異性以及價(jià)值觀(guān)念的合理性。其次，青年為了獲得他人的認(rèn)同，樂(lè)于追求時(shí)髦的事物，有時(shí)甚至標(biāo)新立異，借此來(lái)展現(xiàn)自己的與眾不同。再次，價(jià)值傾向易受到外部因素的影響，但是出于贏得他人認(rèn)同而違背自身發(fā)展利益形成的價(jià)值取向必然不會(huì)持久。

3.1 試驗(yàn)室試驗(yàn)

試驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)環(huán)節(jié)，即臺(tái)架功能性試驗(yàn)、砂地行駛性能聯(lián)調(diào)及水槽行駛性能測(cè)試。從2017年5月15日開(kāi)始，經(jīng)過(guò)近3個(gè)月的連續(xù)試驗(yàn)并完善設(shè)計(jì)，樣機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到了試驗(yàn)要求。

3.1.1 臺(tái)架功能性試驗(yàn)

試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括：一般性視覺(jué)檢查、行走履帶基本尺寸檢測(cè)、履帶機(jī)構(gòu)樣機(jī)臺(tái)架上懸空原位正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、運(yùn)行平穩(wěn)性測(cè)試。經(jīng)檢測(cè)，測(cè)試項(xiàng)目符合設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 砂地行駛性能聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)構(gòu)造。試驗(yàn)區(qū)面積長(zhǎng)18 m，寬12 m，有效行駛試驗(yàn)區(qū)域長(zhǎng)16 m，寬10 m。填砂范圍18000 mm×11865 mm，填砂高度400 mm，填砂量約84 m3；選用建筑用河砂（中砂）充填，堆積密度1400 kg/m3，安息角（干燥）30°；擋砂臨時(shí)隔墻高出砂面100 mm以上。

（2） 砂地行駛試驗(yàn)情況。直行測(cè)試：承載2500 kg，有線(xiàn)遙控，速度0.1～1.0 m/s，前進(jìn)后退10 m，最大滑轉(zhuǎn)率3.5%，馬達(dá)最大啟動(dòng)壓力18 MPa，車(chē)轍直線(xiàn)最大偏差60 mm，雙側(cè)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力30 kW，全程無(wú)過(guò)載；轉(zhuǎn)彎能力測(cè)試：承載 2500 kg，有線(xiàn)遙控，左側(cè)速度0.2 m/s，右側(cè)速度0.3 m/s，車(chē)轍內(nèi)外側(cè)折算中心轉(zhuǎn)彎半徑平均5532 mm，最大6000 mm，最高轉(zhuǎn)彎行走壓力 16 MPa；越溝能力測(cè)試：承載2500 kg，有線(xiàn)遙控，砂溝深0.3 m，寬0.5 m，速度分別為0.3，0.4，0.5 m/s，越障均能平穩(wěn)通過(guò)，最高行走壓力18 MPa；爬坡能力測(cè)試：承載2500 kg，有線(xiàn)遙控，砂坡15°。速度分別為0.3，0.4，0.5 m/s，爬坡均能平穩(wěn)通過(guò)，最高行走壓力18 MPa。

經(jīng)檢測(cè)，測(cè)試項(xiàng)目符合設(shè)計(jì)要求。

3.1.3 水槽行駛性能測(cè)試

（2）水槽行駛試驗(yàn)情況。水密試驗(yàn)測(cè)試：履帶機(jī)構(gòu)樣機(jī)完全沒(méi)入水池24 h，經(jīng)檢測(cè)液壓系統(tǒng)無(wú)油液滲漏情況；直線(xiàn)行駛測(cè)試：履帶機(jī)構(gòu)分別以行進(jìn)速度0.3，0.6，1.0 m/s在水槽中前進(jìn)、后退。經(jīng)測(cè)試，履帶機(jī)構(gòu)行駛平穩(wěn)，行進(jìn)中無(wú)異常聲響、目測(cè)行走無(wú)蛇形、沉陷、原地滑轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。水下行駛時(shí)，馬達(dá)最高壓力為 12 MPa，最大驅(qū)動(dòng)動(dòng)力為30 kW。

經(jīng)檢測(cè)，測(cè)試項(xiàng)目符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 70 m級(jí)海試

履帶機(jī)構(gòu)在通過(guò)單體測(cè)試后，與相關(guān)機(jī)構(gòu)集成一體，形成鯤龍?zhí)?00型集礦作業(yè)車(chē)樣機(jī)。樣機(jī)經(jīng)過(guò)充分的試驗(yàn)室聯(lián)調(diào)后，于2018年5月1日至20日開(kāi)展了淺海試驗(yàn)。

（1）海試選址。試驗(yàn)海區(qū)位于東海大陸架臺(tái)州沿海，海試區(qū)域水深約70 m，海底坡度≤1°。

長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司組織“長(zhǎng)和海洋號(hào)”在試驗(yàn)水域進(jìn)行了工作環(huán)境調(diào)查，探明了海底沉積物主要為含沙淤泥；其表層沉積物塊的抗剪強(qiáng)度（厚度在0～360 mm之間時(shí)），最小為2 kPa，最大15 kPa；平均抗剪強(qiáng)度隨深度不斷增加；表層沉積物的貫入阻力（厚度在0～360 mm之間時(shí)），最小為21 kPa，最大76 kPa，平均貫入阻力隨深度變化緩慢增加，但數(shù)值增加不大。

（2）試驗(yàn)情況。試驗(yàn)期間，履帶機(jī)構(gòu)樣機(jī)完成了整體結(jié)構(gòu)耐壓性能測(cè)試、密封性能測(cè)試、可行駛性（包括右側(cè)向行駛、轉(zhuǎn)向行駛、橫向行駛、轉(zhuǎn)向、折線(xiàn)行駛）測(cè)試、可靠性測(cè)試。

主要行駛參數(shù)測(cè)試結(jié)果：通過(guò)車(chē)載慣導(dǎo)和DVL組合導(dǎo)航測(cè)速裝置，分別測(cè)得3個(gè)測(cè)試段的最大行駛速度分別為1.31，1.25 m/s和1.08 m/s；規(guī)定行駛距離內(nèi)集礦作業(yè)車(chē)的最大行駛偏差分別為+0.19，+0.72 m和-1.28 m，與之相應(yīng)的平均偏差為0.08，0.31 m和0.31 m；集礦作業(yè)車(chē)海底連續(xù)無(wú)故障行駛行程為1145.39 m，累計(jì)水下作業(yè)時(shí)長(zhǎng)8 h19 min；履帶機(jī)構(gòu)無(wú)液壓泄漏；整體結(jié)構(gòu)完好無(wú)損。

經(jīng)淺海試驗(yàn)，驗(yàn)證了履帶機(jī)構(gòu)性能可靠、技術(shù)先進(jìn)。

3.3 500 m級(jí)海試

在淺海試驗(yàn)基礎(chǔ)上，2018年6月6日至20日，履帶機(jī)構(gòu)開(kāi)展了500 m級(jí)海試。其中，履帶機(jī)構(gòu)面臨的最大考驗(yàn)是在受控狀態(tài)下，在海底定跡行駛繪制五角星圖形。

（1）海試選址。試驗(yàn)區(qū)域位于南海某海域，長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司委托相關(guān)單位調(diào)研資料顯示，海底沉積物主要以粘土質(zhì)粉砂為主；表層沉積物的抗剪切強(qiáng)度最小為5.7 kPa，最大為12 kPa；表層沉積物貫入阻力最小為58.3 kPa，最大為67.2 kPa；貫入阻力和抗剪切強(qiáng)度在0～150 mm之間隨深度變化不斷增加，150～550 mm之間變化不大。

（2）試驗(yàn)情況。試驗(yàn)期間，履帶機(jī)構(gòu)在最大水深514 m環(huán)境下，完成了整體結(jié)構(gòu)耐壓性能測(cè)試、密封性能測(cè)試、可行駛性（包括右側(cè)向行駛、轉(zhuǎn)向行駛、橫向行駛、轉(zhuǎn)向、折線(xiàn)行駛）測(cè)試、可靠性測(cè)試。高質(zhì)量全面完成主要考核指標(biāo)，如履帶機(jī)構(gòu)海底單次行駛最大距離 2881 m，水下作業(yè)時(shí)間 7 h56 min，著底作業(yè)時(shí)間5 h34 min，定位精度0.72 m等；履帶機(jī)構(gòu)按規(guī)劃路徑在海底完成了單邊長(zhǎng)度為120 m的“中國(guó)星”（見(jiàn)圖6）的繪制。

圖6 “中國(guó)星”軌跡

4 結(jié) 論

履帶行駛機(jī)構(gòu)作為獨(dú)立的技術(shù)模塊，應(yīng)用于鯤龍?zhí)?00型采礦作業(yè)車(chē)，成功地完成了500 m級(jí)海試，取得了以下成果：

在技術(shù)創(chuàng)新方面，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了履帶機(jī)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)履帶機(jī)構(gòu)提質(zhì)減重奠定了基礎(chǔ)。試驗(yàn)表明，將履帶架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成多窗格異形焊接件，最大限度地減少了實(shí)體材料和重量，提高了材料利用率和樣機(jī)的使用性能；將履齒高度分別設(shè)計(jì)為80，100，120 mm 3種可互換的規(guī)格，可滿(mǎn)足履帶機(jī)構(gòu)負(fù)重在不同稀軟底質(zhì)上行駛要求；采用鋁鎂合金材料，顯著提高了履帶機(jī)構(gòu)樣機(jī)海底作業(yè)的適應(yīng)性。

在試驗(yàn)研究方面，基于試驗(yàn)室試驗(yàn)的目的，通過(guò)因地制宜地構(gòu)造不同的試驗(yàn)環(huán)境，獲取了臺(tái)架試驗(yàn)、砂地試驗(yàn)、水槽試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為完善履帶機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠地理論和實(shí)踐依據(jù)。各項(xiàng)試驗(yàn)均取得了高效率、低成本、多產(chǎn)出的效果，其單體試驗(yàn)和聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)的方法可供相關(guān)試驗(yàn)借鑒。在海試中，履帶機(jī)構(gòu)作為集礦作業(yè)車(chē)的載體，經(jīng)測(cè)試，其主要行駛性能指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。如70 m級(jí)海試中，履帶機(jī)構(gòu)海底最大行駛速度達(dá)到1.25 m/s，規(guī)定行駛距離內(nèi)其最大行駛偏差為-1.28 m。

在海洋工程作業(yè)方面，通過(guò)參加70 m級(jí)、500 m級(jí)海試，加深了對(duì)海面作業(yè)的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了海上作業(yè)安全實(shí)操的能力,如掌握了參試設(shè)備的布放與回收、作業(yè)車(chē)的工作狀態(tài)控制、海洋氣候等海上環(huán)境變化應(yīng)對(duì)等工程實(shí)操技術(shù)，進(jìn)一步夯實(shí)了走向深海的基礎(chǔ)。