【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(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。當(dāng)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(jì),而深海集礦機(jī)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(wèn)題。集礦機(jī)在深海底質(zhì)土上如何有效率且安全行走是當(dāng)前深海采礦研究的重點(diǎn)。本文針對(duì)深海底質(zhì)土的物理特性,開展集礦機(jī)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(jī)的履齒設(shè)計(jì)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(jì)深海集礦機(jī)仿生履齒。將仿生履齒齒頂?shù)角首兓c(diǎn)的距離和仿生曲率半徑作為參數(shù),通過(guò)室內(nèi)土槽履齒牽引力測(cè)試試驗(yàn)研究不同齒形參數(shù)的履齒切削不同抗剪強(qiáng)度深海底質(zhì)土模擬土的過(guò)程,從而獲得仿生履齒增力機(jī)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(duì)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(shí)相對(duì)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(jī)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(duì)履齒進(jìn)行宏觀表面改形以減少深海底質(zhì)土的粘附。通過(guò)履齒粘附特性試驗(yàn)臺(tái)對(duì)不同齒形參數(shù)的仿生波紋形履齒進(jìn)行粘附試驗(yàn),分析粘附力的變化規(guī)律進(jìn)而得到最佳齒形參數(shù)的仿生波紋履齒。針對(duì)最佳波形仿生履齒,選取土壤剪切強(qiáng)度和履齒入土深度作為設(shè)計(jì)變量,開展履齒粘附試驗(yàn)。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(shì)。對(duì)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(shí)具有最小的粘附強(qiáng)度,其自清潔性能最佳。3、基于履齒牽引粘附特性試驗(yàn)臺(tái)對(duì)納米二氧化硅鍍晶履齒開展粘附試驗(yàn),研究在不同鍍晶次數(shù)和土壤剪切強(qiáng)度下,履齒細(xì)觀表面改形對(duì)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(guò)細(xì)觀表面改形的履齒在進(jìn)行牽引試驗(yàn)時(shí)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(shì)。在剪切強(qiáng)度較低的土壤中,表面改形履齒的自清潔效果最大。履齒細(xì)觀表面改形為深海集礦機(jī)的履帶設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持,提升深海集礦機(jī)的采礦效率。
【圖文】：

這逐漸導(dǎo)致我國(guó)陸地資源越來(lái)越難以滿足發(fā)展的需要。為了保持經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，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(chǔ)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(guò)多個(gè)國(guó)家在太平洋成功海試后，集礦機(jī)與管道提升結(jié)合式采礦系統(tǒng)被認(rèn)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(jī)的技術(shù)研發(fā)是各國(guó)研究的難點(diǎn)所在。集礦機(jī)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(jī)的任務(wù)是在海底稀軟底質(zhì)土上進(jìn)行有效率的采礦，對(duì)礦石進(jìn)行采集、清洗、運(yùn)送至揚(yáng)礦系統(tǒng)[9]，同時(shí)保證在海底行走時(shí)不對(duì)深海環(huán)境造成過(guò)度破壞。由于深海底質(zhì)土抗剪強(qiáng)度低且具有明顯的流變特性，集礦機(jī)在底質(zhì)土上行走工作時(shí)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(jī)工作效率[10]。因此，本文針對(duì)深海底質(zhì)土與金屬的粘附特性，開展集礦機(jī)履齒的仿生增力優(yōu)化和減粘性能的研究，為集礦機(jī)履齒優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)，這對(duì)于提高集礦機(jī)行走穩(wěn)定性和集礦機(jī)采礦效率具有重要意義[11]。

圖 1.2 集礦機(jī)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(jī)在深海環(huán)境中的行走安全是一問(wèn)題的前提就是對(duì)深海稀軟底質(zhì)軟土的物理性過(guò)研究合成樣品如高嶺石和膨潤(rùn)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(jìn)行了微觀分析，通構(gòu)和化學(xué)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(jī)制。Rajasekar市海洋沉積物樣品的理化性質(zhì)進(jìn)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(shí)了高壓縮粘土礦物的存在，如蒙脫石、蛭石、
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TD424

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本文編號(hào)：2705502