【摘要】：隨著陸上礦物資源日益衰竭,海洋礦產(chǎn)資源的開發(fā)對于我國經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。當前海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)的尖端技術(shù)是采礦系統(tǒng)的設(shè)計,而深海集礦機是采礦系統(tǒng)中重要的一環(huán),關(guān)系到采礦系統(tǒng)的工作效率問題。集礦機在深海底質(zhì)土上如何有效率且安全行走是當前深海采礦研究的重點。本文針對深海底質(zhì)土的物理特性,開展集礦機履齒的仿生增力和自清潔性能優(yōu)化的研究,為深海集礦機的履齒設(shè)計提供重要的理論依據(jù)。本文取得的研究成果如下:1、基于水牛蹄的外形,提取其低行走阻力的外形幾何特征,設(shè)計深海集礦機仿生履齒。將仿生履齒齒頂?shù)角首兓c的距離和仿生曲率半徑作為參數(shù),通過室內(nèi)土槽履齒牽引力測試試驗研究不同齒形參數(shù)的履齒切削不同抗剪強度深海底質(zhì)土模擬土的過程,從而獲得仿生履齒增力機理以及最大牽引力和齒形參數(shù)的變化關(guān)系。結(jié)果表明:對于不同齒形的履齒,仿生履齒在深海底質(zhì)土的模擬土上行走時相對于直板履齒具有更高的牽引力。隨著仿生履齒的齒頂距離和曲率半徑的減小,履齒牽引力隨之增大。結(jié)合其牽引力的變化規(guī)律,獲得具有最大牽引力的仿生齒形參數(shù),為提高集礦機的行走效率提供理論基礎(chǔ)。2、基于蚯蚓表面波紋形結(jié)構(gòu)特征對履齒進行宏觀表面改形以減少深海底質(zhì)土的粘附。通過履齒粘附特性試驗臺對不同齒形參數(shù)的仿生波紋形履齒進行粘附試驗,分析粘附力的變化規(guī)律進而得到最佳齒形參數(shù)的仿生波紋履齒。針對最佳波形仿生履齒,選取土壤剪切強度和履齒入土深度作為設(shè)計變量,開展履齒粘附試驗。結(jié)果表明:仿生履齒粘附力隨著履齒入土深度的增加,粘附力呈先增加后減小的趨勢。對于不同波形參數(shù)的仿生波紋板,波形函數(shù)為y=2sin(x/10)(即波形振幅A=2,頻率ω=0.1)的仿生波形履齒在深海底質(zhì)土上行走時具有最小的粘附強度,其自清潔性能最佳。3、基于履齒牽引粘附特性試驗臺對納米二氧化硅鍍晶履齒開展粘附試驗,研究在不同鍍晶次數(shù)和土壤剪切強度下,履齒細觀表面改形對深海底質(zhì)土與履齒界面粘附力的影響規(guī)律。結(jié)果表明:經(jīng)過細觀表面改形的履齒在進行牽引試驗時具有較小的粘附力。履齒粘附力隨履齒鍍晶次數(shù)增加而呈現(xiàn)下降的趨勢。在剪切強度較低的土壤中,表面改形履齒的自清潔效果最大。履齒細觀表面改形為深海集礦機的履帶設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持,提升深海集礦機的采礦效率。
【圖文】：

這逐漸導致我國陸地資源越來越難以滿足發(fā)展的需要。為了保持經(jīng)濟的持續(xù)增長，人們將目光轉(zhuǎn)向了海洋[2]。海洋礦產(chǎn)資源極為豐富，特別是海底金屬結(jié)核礦藏，其保有量極為巨大，其中稀有金屬結(jié)核礦產(chǎn)（如錳金屬結(jié)核）儲量極多，但是這部分礦產(chǎn)大部分分布在 4000 米以下的海底，且開采難度極大[3]。復(fù)雜的深海環(huán)境給深海采礦系統(tǒng)提出了更高的要求，經(jīng)過多個國家在太平洋成功海試后，集礦機與管道提升結(jié)合式采礦系統(tǒng)被認為是最均衡的商業(yè)開采系統(tǒng)[4]-[6]。作為深海采礦系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，集礦機的技術(shù)研發(fā)是各國研究的難點所在。集礦機正常工作所需要具備的特性包括集礦穩(wěn)定性，能效性，耐用性，可維修性，可操控性[7]-[8]，集礦機的任務(wù)是在海底稀軟底質(zhì)土上進行有效率的采礦，對礦石進行采集、清洗、運送至揚礦系統(tǒng)[9]，同時保證在海底行走時不對深海環(huán)境造成過度破壞。由于深海底質(zhì)土抗剪強度低且具有明顯的流變特性，集礦機在底質(zhì)土上行走工作時其履齒間容易粘附土壤，使其履齒的牽引力減小，從而降低集礦機工作效率[10]。因此，本文針對深海底質(zhì)土與金屬的粘附特性，開展集礦機履齒的仿生增力優(yōu)化和減粘性能的研究，為集礦機履齒優(yōu)化設(shè)計提供重要依據(jù)，這對于提高集礦機行走穩(wěn)定性和集礦機采礦效率具有重要意義[11]。

圖 1.2 集礦機湖試后履帶履齒粘土情況究現(xiàn)狀土的研究現(xiàn)狀技術(shù)發(fā)展中，集礦機在深海環(huán)境中的行走安全是一問題的前提就是對深海稀軟底質(zhì)軟土的物理性過研究合成樣品如高嶺石和膨潤土礦物的性質(zhì)，，cManis[13]等使用 XRD 和 SEM 技術(shù)研究了粘土土的表觀脆性破壞和敏感性進行了微觀分析，通構(gòu)和化學成分的分布，發(fā)現(xiàn)黃鐵礦晶體的濃度破織物改性劑顯著影響土壤的破壞機制。Rajasekar市海洋沉積物樣品的理化性質(zhì)進行了討論，并與了比較。利用掃描電子顯微鏡和 X 射線衍射技實了高壓縮粘土礦物的存在，如蒙脫石、蛭石、
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TD424

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本文編號：2705502