海洋礦物資源被認(rèn)為是海洋中最具經(jīng)濟(jì)吸引力的潛在資源之一,海洋礦產(chǎn)資源的開發(fā)對于人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。開采海洋礦物資源的尖端技術(shù)是開采系統(tǒng)的研發(fā)。目前,國內(nèi)外開發(fā)的采礦系統(tǒng)主要由連續(xù)繩斗式、自行穿梭式、集礦機(jī)與管道提升結(jié)合式等,集礦機(jī)與管道提升結(jié)合式是最具商業(yè)開采能力的采礦系統(tǒng)。集礦機(jī)作為該采礦系統(tǒng)的重要組成部分,關(guān)系到整個采礦系統(tǒng)的安全和采礦效率的提高。由于集礦機(jī)在深海沉積物上運(yùn)行,粘附在履帶板和齒間的土導(dǎo)致履齒的有效剪切高度降低,牽引力不足,嚴(yán)重影響集礦機(jī)的采礦效率,且深海稀軟底質(zhì)土與陸地地面土壤完全不同,具有極高含水量和明顯流變特性,使深海集礦機(jī)在采礦行走過程中極易沉陷和打滑。故對深海底質(zhì)土的粘附特性以及牽引流變特性進(jìn)行深入研究。本文取得的主要研究成果如下:1、基于自行搭建的原子力顯微鏡探針修飾試驗(yàn)臺,將太平洋C-C礦區(qū)的深海底質(zhì)土顆粒固定于探針微懸臂尖端。在原子力顯微鏡的液態(tài)實(shí)驗(yàn)下測得了土顆粒與四種金屬(鋁合金(5052)、鈦合金(STi80、TC4)、純鈦(TA2))表面作用的力-位移曲線以及四種金屬的表面形貌。根據(jù)力曲線計(jì)算和統(tǒng)計(jì)得到土顆粒對相同平均粗糙度下四種金屬表面粘附力,結(jié)果表明粘附力服從正態(tài)分布,以得到土顆粒對各金屬表面的粘附力的平均粘附力值,并研究了影響粘附力的因素。研究發(fā)現(xiàn),在相同的粗糙度下,土壤顆粒與金屬表面的粘附力大小依次為5052STi80TA2TC4,表明5052的自清潔性能優(yōu)于其他。此外,JKR粘附模型反映了出材料的表面能和接觸面積是影響粘附力的重要因素。表面能和接觸面積越小,粘附力越小。因此,將粗糙度控制在一定范圍內(nèi)可減小接觸面積,達(dá)到降低粘附力的目的。2、將純鈦(TA2)樣本表面進(jìn)行梯度打磨成不同的6組,并用AFM觀察其表面形貌。選取9 μm左右的土顆粒制作修飾探針,用原子力顯微鏡模擬液體環(huán)境并獲得力-距離力曲線,測量土顆粒對每個樣品表面的粘附力,以研究表面粗糙度與粘附力之間的關(guān)系。為量化微納級粗糙度對土顆粒與材料表面之間粘附的影響,考慮顆粒與粗糙樣品表面(λ、2)之間的接觸,基于Levenberg-Marquardt算法,修正并得到了考慮粗糙度影響的JKR粘附模型。結(jié)果表明,相比于平坦表面,粗糙表面的粘附力是由于顆粒與平面間凸體的接觸和與溝槽的非接觸相互作用的組合。粗糙度的增加并不總是使粘附力減小,而是先減小后增大,Ra=67.23 nm,λ=3.73 nm,RMS=85.52 nm為影響深海底質(zhì)土顆粒對TA2表面粘附力的粗糙度閾值。若大于或小于粗糙度閾值,則粘附力會增加修正后的模型所計(jì)算的粘附力值不僅能與試驗(yàn)結(jié)果高度吻合,還能很好地反映表面粗糙度對粘附力的影響,明顯地改進(jìn)了原有模型在這方面的不足。3、本文通過引入超疏水接觸模型,研究超疏水表面的形貌參數(shù)及其自清潔機(jī)理,并將其應(yīng)用于深海底質(zhì)土與金屬的接觸,使金屬表面達(dá)到減粘脫附的目的。使用JKR理論判定其粘附條件,進(jìn)一步確定表面參數(shù)。研究表明,在混合接觸角模型中減小表面凸體寬度a,增加峰-峰的距離λ,保持低的占空比fs有利于減小表面的接觸面積。根據(jù)JKR的粘附判定依據(jù),顆粒覆蓋區(qū)域中的波峰N2的數(shù)量通常大于吸附要求數(shù)量N1,即增大λ,可以保證其疏泥特性同時的不會吸附土顆粒,使表面保持自清潔。4、基于取樣于太平洋C-C礦區(qū)的深海底質(zhì)土,通過測試其物理力學(xué)性質(zhì),配置最佳模擬土,采用自行搭建的牽引蠕變試驗(yàn)臺對其進(jìn)行了牽引蠕變試驗(yàn)。使用彈簧-黏壺組成的分形系統(tǒng)對Burgers蠕變本構(gòu)模型進(jìn)行改進(jìn),并用分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)理論推導(dǎo)出其本構(gòu)方程。用最小二乘法擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到其牽引蠕變參數(shù)�；跔恳髯儽緲�(gòu)方程得到牽引力、速度和時間之間的關(guān)系。結(jié)果表明,深海底質(zhì)模擬工具有明顯的非衰減蠕變特征。當(dāng)接地壓力恒定,隨著牽引力的增大,瞬時蠕變和穩(wěn)定蠕變速率增大。當(dāng)牽引力恒定,隨著接地壓力的增加,其瞬時蠕變和穩(wěn)定蠕變速率均減小。當(dāng)F≥300N時,流變參數(shù)趨于恒定,以F≥300N時的平均值作為模擬土的流變參數(shù)。當(dāng)速度為0.6≤v1 m/s時,履帶接地長度為9.0≤S≤ 10.2m時,可以更好地利用土壤提供的最大牽引力,并提高采礦效率。為深海采礦機(jī)設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。
【學(xué)位單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P744;P736.12
【部分圖文】：

圖１．２集礦機(jī)湖試后履帶粘土情況逡逑研究現(xiàn)狀逡逑底質(zhì)土的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀逡逑海底質(zhì)土的前期研宄主要是針對其礦物成分、分布和來源逐為深海土是塵埃，霧霾，以及土壤顆粒大小的礦物、化學(xué)和生積而來，其中土壤大小的大氣顆粒物是深海沉積物所有元素使用Ｘ射線、ＳＥＭ對拉布拉多海的兩個深海海域的深海底質(zhì)究，并通過實(shí)驗(yàn)室剪切強(qiáng)度和壓縮性測試確定了土壤的完整性質(zhì)。Ｆａｇｅｌ［３］對大西洋和加勒比海深海海域的粒度分布、微體了分析，并研宄了其沉積過程和沉積物積累速率。國內(nèi)，李中太平洋西部底質(zhì)土中粘土中的主要組成礦物成分。劉季花［５］太平洋ＣＰ區(qū)、ＣＣ區(qū)的深海底質(zhì)土進(jìn)行了大量研宄。逡逑６０年代，為了提升海洋軍事實(shí)力，為今后深海采礦的商業(yè)化

源已成為世界各國發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)［４０］。深海采礦的前沿技術(shù)是采礦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，逡逑為海上礦產(chǎn)資源勘探設(shè)計(jì)了許多深海采礦系統(tǒng)，如連續(xù)式斗式采礦系統(tǒng)，梭船式逡逑采礦系統(tǒng)和液壓提升管道采礦系統(tǒng)，其中液壓提升管道（圖２．１ａ）是目前最具商業(yè)逡逑開采價值的采礦系統(tǒng)［４５］。如圖２．１ｂ所示，當(dāng)采礦機(jī)在深海土壤上行走時，土壤逡逑粘附在履帶齒面上，不僅減小了剪切高度［４５］，而且還增加了能源消耗，嚴(yán)重影逡逑響集礦機(jī)的采礦效率［４６］。因此，研宄底質(zhì)土對集礦機(jī)履齒的粘附力對脫附減阻，逡逑保證采礦系統(tǒng)安全運(yùn)行，提高采礦效率有著重要意義。逡逑７逡逑

然后用去離子水洗滌數(shù)次，最后，用Ｎ２吹徹底干燥，以保持樣品表面的清潔［６１逡逑２．２．２修飾探針的制備逡逑如圖２．２所示，將待測顆粒粘于無針尖的ＡＦＭ探針懸臂尖端，以確保接與逡逑基底材料接觸的是顆粒而不是懸臂本身。實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)如下：１、將深海土顆粒分散逡逑在去離子水中，用超聲波分散５分鐘后，用微量移液器將一滴液體靜置于一片載逡逑玻片上，并風(fēng)干；２、使用微量移液器將紫外膠覆蓋在另一片載玻片上；３、將兩逡逑片載玻片固定于三維微操作臺的固定桿上；４、將ＡＦＭ（ＢｒｕｋｅｒＭｕｌｔｉｍｏｄｅ８邋ＡＦＭ）逡逑無針尖探針固定于另一個三維微操作臺上（Ｔ４０－６５Ｊ（Ｃ／Ｒ／Ｌ））；邋５、在金相顯微鏡逡逑（ＢＸ５１ＲＦ）下觀察探針與膠水以及土顆粒的位置，調(diào)整微型控制臺的ｘ，邋ｙ和ｚ軸，逡逑首先將少量紫外固化膠粘滴到針尖上，移動探針并找到合適的土壤顆粒粘在針尖逡逑上；６、將修飾探針房子紫外光下照射探針５分鐘，使膠水凝固（圖２．３）。逡逑９逡逑ｒ邐＾邋１０？邋８逡逑邐…１邐｜逡逑Ｄ邐Ｐ邐６逡逑—ｐＴ－邐７邐Ｉ逡逑Ｊ邐Ｌ逡逑１２＾逡逑１．金相顯微鏡；２．探針夾；３．固定

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2816579