本發(fā)明涉及的是一種水下機器人領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種基于高壓水射流的深海鈷結(jié)殼切削裝置。

背景技術(shù)：

人們對能源的需求不斷上升，且陸地礦產(chǎn)資源不斷被消耗。因而，人們逐漸將目光轉(zhuǎn)向海洋。金屬鈷是生產(chǎn)各種特殊性能合金的重要原料，例如防腐合金。海底富鈷結(jié)殼被認(rèn)為是鈷結(jié)殼的一個重要來源，富鈷結(jié)殼的鈷含量可達1％，遠高于陸地鈷礦的含量。

傳統(tǒng)礦石開采方式是采用鉸刀頭進行礦石切削，但在實際應(yīng)用中，鉸刀頭的磨損很快，壽命很低。同時鉸刀切削的礦石貧化率較高，機械振動問題較嚴(yán)重。相比之下，目前不斷發(fā)展的水射流切削技術(shù)可以很好得解決上述問題，但至今尚無水射流應(yīng)用于深海富鈷結(jié)殼采集的先例。由于高壓水射流衰減很快，海底地面凹凸不平，需控制高壓水射流噴嘴與海底地面之間的距離，且富鈷結(jié)殼的采集需實現(xiàn)礦石的切削及與基巖的剝離，如何設(shè)計切削裝置成為了關(guān)鍵問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出了一種基于高壓水射流的深海鈷結(jié)殼切削裝置，適用于我國南海海底鈷結(jié)殼的地貌，能夠提高切削精度并控制礦石貧化率。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，

本發(fā)明包括：高壓水輸送系統(tǒng)、高壓水射流噴嘴單元和噴嘴支架，其中：高壓水輸送系統(tǒng)與高壓水射流噴嘴單元相連，高壓水射流噴嘴單元中各噴嘴頂部設(shè)置在支撐框架上，各噴嘴底部呈球形并通過球鉸結(jié)構(gòu)分別連接有噴嘴支架。

所述的噴嘴支架為中空框架結(jié)構(gòu)，框架內(nèi)固定有球殼，球殼上開設(shè)有噴射口，球殼外表面最低點高于框架底部。

所述的高壓水射流噴嘴內(nèi)噴射流道上部呈柱狀，在底部與上部連接處逐漸收縮成錐形。

所述的相鄰的噴嘴支架之間通過彈簧相連。

所述的高壓水射流噴嘴單元中的噴嘴不少于四組，其中：前兩組噴嘴結(jié)構(gòu)相同、噴射角度沿鉛垂方向?qū)ΨQ，后兩組噴嘴結(jié)構(gòu)相同、噴射角度與鉛垂方向相同。

所述的高壓水輸送系統(tǒng)包括相連的高壓水總管道與高壓水分管道，其中：高壓水分管道與各組高壓水射流噴嘴一一對應(yīng)設(shè)置并通過伸縮管連接。

所述的支撐框架設(shè)有外框架罩殼，外框架罩殼通過機械臂與采礦車車體相連。

所述的外框架罩殼設(shè)有前置擋板以牽引噴嘴支架。

所述的高壓水射流噴嘴單元后方設(shè)置有集吸單元，所述的集吸單元包括：收集蓋和輸送軟管，其中：收集蓋為弧形與支撐框架尾部傾斜設(shè)置，輸送軟管與采礦車內(nèi)暫儲倉相連。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過球鉸結(jié)構(gòu)及機械臂控制高壓水射流噴嘴的上下位置，以適應(yīng)復(fù)雜的海底地形；同時本發(fā)明能夠控制噴射距離，防止高壓水射流的擴散，保證切削精度；通過調(diào)節(jié)高壓水壓強或切削遍數(shù)，控制切削厚度，降低貧化率，貧化率在理想狀態(tài)下可達零，集吸過程中吸入的洋泥和細(xì)小巖石將導(dǎo)致貧化率升高，但仍遠低于商業(yè)開采50％的貧化率要求；理論計算表明，鈷結(jié)殼厚度在8cm以內(nèi)的礦區(qū)，采礦車單次行走可保證90％以上的回收率，單個采礦車年產(chǎn)量可達120萬噸。

附圖說明

圖1為基于本發(fā)明的采礦車整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖；

圖中：(a)為前兩組噴嘴結(jié)構(gòu)，(b)為后兩組噴嘴結(jié)構(gòu)；

圖4為本發(fā)明中噴嘴裝配結(jié)構(gòu)剖面圖；

圖5為本發(fā)明中噴嘴支架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明模擬切割示意圖；

圖7為本發(fā)明中導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中a和b分別為不同角度示意圖；

圖8為本發(fā)明中集吸單元示意圖；

圖中：噴嘴1、噴嘴支架2、前置擋板3、機械臂4、集吸單元5、高壓水總管道6、伸縮管7、高壓水分管道8、支撐框架9、外框架罩殼10、收集蓋11、輸送軟管12、筒狀護套13。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

實施例1

如圖2和圖4所示，本實施例包括：高壓水輸送系統(tǒng)、高壓水射流噴嘴單元和噴嘴支架2，其中：高壓水輸送系統(tǒng)與高壓水射流噴嘴單元相連，高壓水射流噴嘴單元中各噴嘴1的頂部設(shè)置在支撐框架9上，各噴嘴1的底部呈球形并通過球鉸結(jié)構(gòu)分別連接有噴嘴支架2；

所述的高壓水輸送系統(tǒng)包括相連的高壓水總管道6與高壓水分管道8，其中：高壓水分管道8與各組噴嘴1一一對應(yīng)設(shè)置并通過伸縮管7連接；

如圖5所示，所述的噴嘴支架2為中空框架結(jié)構(gòu)，框架內(nèi)固定有球殼，球殼上開設(shè)有噴射口，球殼外表面最低點高于框架底部3mm。

如圖3所示，所述的噴嘴1內(nèi)噴射流道上部呈柱狀，在底部與上部連接處逐漸收縮成錐形。

如圖2所示，優(yōu)選地，所述的高壓水射流噴嘴單元中的噴嘴1共四組，每組兩排，每排16個，其中：前兩組噴嘴1結(jié)構(gòu)相同、噴射角度沿鉛垂方向?qū)ΨQ，與鉛垂方向夾角均為45°，后兩組噴嘴1結(jié)構(gòu)相同、噴射角度與鉛垂方向相同；上述四組水射流的設(shè)置及其運動形式可以實現(xiàn)鈷結(jié)殼的破碎切削、從基巖上剝離。

所述的后兩組噴嘴1頂部設(shè)有凸輪結(jié)構(gòu)，如圖7所示，相應(yīng)支撐框架9上設(shè)有導(dǎo)軌，電機帶動凸輪結(jié)構(gòu)使后兩組噴嘴1在導(dǎo)軌上橫向往復(fù)運動；所述的曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的往復(fù)運動單程在精確度要求較小的情況下，可近似認(rèn)為是勻速運動。

如圖4和圖7a、圖7b所示，所述的支撐框架9上對應(yīng)各噴嘴1設(shè)有筒狀護套13，筒狀護套13內(nèi)繞噴嘴1設(shè)有彈簧；如圖3所示，所述的噴嘴1頂部對應(yīng)設(shè)有凸起和筒狀護套13配合；當(dāng)?shù)孛嫱黄饡r，地面支持力通過噴嘴支架2、噴嘴1傳遞至筒狀護套13內(nèi)的彈簧中，在彈簧的作用力下，使整個切削裝置與凹凸不平的地面契合，噴嘴1能夠與地面維持固定的對峙距離。

如圖5所示，所述的相鄰的噴嘴支架2之間通過彈簧相連；如圖6所示，當(dāng)采礦車行進在凹凸不平的地面上時，相鄰的噴嘴支架2會在凹凸不平的地面所提供的不同方向的支持力的作用下相互帶動，使射流盡可能與高低起伏的地面貼合，以提高水射流的效率。

如圖1和圖8所示，所述的高壓水射流噴嘴單元后方設(shè)有集吸單元5，所述的集吸單元5包括：收集蓋11和輸送軟管12，其中：收集蓋11為弧形，相對于噴嘴1傾斜設(shè)置，輸送軟管12與采礦車內(nèi)暫儲倉相連；所述的集吸單元5采用吸揚式采集方式，以減少富鈷結(jié)殼切碎后細(xì)小顆粒的損失；在慣性力和后方泵吸力的作用下，通過收集器和離心式泥泵將礦物顆粒和洋泥混合物輸送至采礦車的暫儲倉，進而通過水力提升系統(tǒng)運送至海面母船處。

所述的支撐框架9設(shè)有外框架罩殼10以保護切削裝置；如圖1所示，所述的外框架罩殼10通過機械臂4與采礦車車體相連，根據(jù)需要本實施例可在采礦車前進方向上組裝若干個，而采礦車通過水面母船吊放至鈷結(jié)殼礦區(qū)，采用履帶式行走方并根據(jù)中國南海復(fù)雜的海底地況平穩(wěn)越障、爬坡和越溝。

所述的外框架罩殼10設(shè)置有前置擋板3以牽引噴嘴支架2，所述的前置擋板3設(shè)置在第一組噴嘴1前，與支撐框架9為相同金屬材料，寬度與支撐框架9相同；海底地形凹凸不平，當(dāng)采礦車要在陡峭海平面上爬時，前置檔板3可有效抵御海平面作用力，防止噴嘴支架2卡在海底；同時，前置擋板3可以有效阻止粉碎后的礦石擴散避免浪費。

本發(fā)明實施例在工作時，高壓水輸送系統(tǒng)與高壓水泵相連，高壓水泵抽取海水將其直接加壓，并在抽水管道上增加過濾網(wǎng)防止生物附著；采礦車車體的機械臂4控制切削裝置整體上下移動以應(yīng)對不同的海底地形地貌；經(jīng)過加壓的高壓水通過高壓水總管道6引入各排噴嘴1對應(yīng)的高壓水分管道8內(nèi)，再通過伸縮管7運輸?shù)矫恳粋€噴嘴1，從而形成切割礦石的高壓水射流；噴嘴支架2隨海底地貌的變化轉(zhuǎn)動，同時通過球鉸結(jié)構(gòu)和彈簧結(jié)構(gòu)抬升噴嘴1的高度，維持高壓水射流的噴射距離，控制了高壓水射流的擴散，保證切削精度。