多金属结核开采：海底履带自主式水力采矿车的重要性与技术挑战
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|1990年，中国国务院批准大洋多金属结核资源勘查开发项目作为国家长期发展项目，相关机构开始对多金属结核采矿车进行研究。经过近30年的研究，多金属结核采矿车的研究从最初单一功能到整机实验室研究、实验室试验到无线电信号测试、在南海进行500米海试，取得了长足的进步。
1 实验室研究阶段
多金属结核采矿车的作用是按规划路线在矿区低质量土地上行驶，连续采集海底沉积物表面的多金属结核颗粒。采矿车必须能适应深海恶劣的工作环境和复杂的地形，在采集过程中有效接受和防止沉积，并能识别、避让或跨越行驶路线上的�**铩�
多金属采矿车主要由采矿机构和行走机构组成。“八五”期间，中国对采矿、行走、破碎等各功能单元的工作原理、合理结构、工作参数等进行了理论研究和试验研究，研制了多种模型，并进行了室内试验，最终研制出多金属结核采矿车模型。
1.1 挖矿机构
矿物采集仪器主要用于从松软、低质量的海底表层采集多金属结核颗粒，应具有采集效率高、能耗低、结构简单、运行稳定、沉降物少等特点。按工作原理可分为机械式、液压式、复合式三种类型。由于机械式聚焦机构相对复杂，目前已基本被淘汰。
水力收集器的前、后排喷嘴距海底有一定的高度，喷嘴向海底方向相对倾斜，喷嘴产生具有一定压力的水射流，向海底表面的结核颗粒冲去。前排喷嘴的射流对结核进行冲洗和释放，将结核推向后方，后排喷嘴的射流则阻止结核向后移动。前后相对倾斜的水射流共同作用形成上升流，上升水流吸引结核从沉积物表面上升到一定高度，进入输送通道。输送通道入口处设置有输送喷嘴，从输送喷嘴喷出的水射流形成一定的负压，使输送通道中的结核沿通道继续向上移动。
复合式收集器由液压喷嘴和机械链条组成，液压喷嘴作为捕获机构攻击结核，机械链条作为传动机构向上输送结核。简单来说就是用机械链条代替液压采矿设备输送喷嘴的功能。复合式收集器利用链条可以灵活改变输送高度和距离，并在链条输送过程中实现逐步除土。与液压式收集器相比，所需功率略低，但链条传动机构复杂、质量高、运行可靠性低。
我国“八五”期间对水力、机械、复合式三种集矿机的总体方案、工作原理、合理结构及工作参数进行了试验研究，成功研制出两种具有国际先进水平的水力、复合式集矿机。长沙矿产研究所1996年研制的复合集矿机构主要技术性能为额定生产能力5.2～8.4T/H，收集率80%，脱土率85%，收集结核矿粒度2～10cm，收集速度0～0.95m。
1.2 行走机构
多金属结核采矿车行走机构主要是承载采矿机构、破碎装置、液压及电气控制系统等的装卸平台，能在预定的作业区域内沿一定的规划路线行驶。行走机构应具有牵引力大、承载能力强、扰动海底小、携泥沙、能耗低、采矿效率高等特点，并具有自动防壁、跟踪预定轨道、防沉等功能。
履带行走机构作为一种通用的自行走机构，自1972年开始在海底行走中试验。履带接地面积大，牵引力大，能达到预定的低接地比压，承载能力大。海底承载??能力越低，履带的优越性越明显。同时，履带具有良好的行驶性能和操作性，能轻松穿越或绕过海底�**铮院５兹哦。芎芎玫芈阍诒『５仔凶叩囊蟆Ｒ虼耍拇凶呋挂殉晌嘟鹗艚岷瞬煽蟪档氖籽⌒凶叻绞健�
履带行走机构的基本参数由接地比、行走速度、最大牵引力等决定。接地比取决于沉积物的压强，抗剪强度在海底表面以下10～15 cm处，由3kPa急剧增加到10kPa，超过15 cm后，有一个稳定值，因此建议将下陷深度设置在15 cm以下。行走速度是影响开采效率的重要因素，根据国外实验数据，在结核矿颗粒分布均匀的条件下，行走速度在1 m/s以下时开采效率最高，当大于1 m/s时，牵引力会随着速度的增加而明显增加。最大牵引力由土体的抗剪强度决定。踏齿的作用十分明显，改善踏齿的形状和尺寸，可以大大提高履带在黏土中的行驶性能。 通过不同齿距、齿高、锯齿轨迹的牵引力和压入深度试验，为履带车辆的设计提供可靠依据，建立了履带车辆行驶动力学模型。
1.3 整机
复合聚焦方式与履带式自主行驶装置基础研究与原理试验，我国研制了多金属结核采矿车模型机。采矿车模型机外形尺寸为4.6m3.0m2.1m，整机质量8t，水下排水量4t，牵引力35kW，行驶速度0～0.8M/S，爬坡能力15，越障高度0.5m，沟宽1.0m。实验室水槽试验结果表明，收集结核颗粒为2～10cm，收集率为80%，泥沙分离率为85%，台阶稳定，线性好，表明主要技术性能指标达到同期世界室内试验样机最高水平。
2 湖试验阶段
1995年期间，中国研制了用于多金属结核中试开采的采矿车，如图1、图2所示。该采矿车额定生产能力30t/h，收集率80%，脱土率85%，收集结核矿粒度为2～10cm，收集速度0～1M/S，采矿车收集宽度2.4m，整机重量30t。
图1 湖试多金属结核采矿车
图2 矿用车试运行
在这款多金属结核采矿车的研制过程中，中方与法国自动控制公司进行了实质性的技术合作。中方负责采矿车及其控制系统的总体设计、采矿专用技术装备的设计制造、监控软件的开发、发配电设备的设计及配套等工作。法国自动控制公司负责液压系统、控制系统及测试仪器、通用软件平台的施工设计制造，以及整机的全面调试。
采煤车采用液压收集器，前后排喷嘴及运输喷嘴喷水均由两台功率为15kW、流量为500m3/h、压力为0.05MPa的水泵提供。液压收集器通过平行四连杆机构与工作车连接，采用液压缸调节前后排烟口的高度和倾角。履带采用尖三角金属茧型履带和工程塑料履带，分别由液压马达驱动，通过变量液压泵调节速度，总牵引功率为160kW。通过21m3浮力材料，将采煤车接地压力控制在5kPa。采煤车采用底部方位布置，由两台1.3kN推力螺旋桨控制调节。 整个多金属结核采矿车的驱动动力源由两台175千瓦高压电动机供给两台外围水液压泵和四台辅助定量液压泵。行走履带和推进器电动机为闭式液压回路，采用电比例阀控制，其余为开式回路。泵电动机用调速阀改变转速。
多金属结核采矿车试验在云南五里湖西北部进行，水深80～150米。通过五里湖低质量抗剪强度及承载力试验，选定深海海底沉积物特征区为试验区，在选定的试验区内铺设模拟结核300吨。2001年8月至9月，进行了采矿车分散回收、行驶性能、集矿等多项试验。最终将铺设在130米深湖底的模拟结核顺利运输到湖试船上，采集到900公斤模拟结核。
此次多金属结核采矿车无线试验，通过多金属结核采矿系统工艺流程，验证了我国大洋多金属结核采矿系统技术的可行性，为下一步浅海试验积累了宝贵经验，奠定了技术基础。同时，在湖面试验过程中，采矿车暴露出体积质量大、履带打滑、陷在湖底无法移动等问题。采矿车因自身及外界环境原因，在燃料贫乏的情况下难以操控，现有的人工操控效果不够理想，同时在湖底行走距离及采集工作时间有限，核心技术验证不足。
3 海试阶段
鲲龙500型多金属结核采矿车（见图3、图4）由长沙矿冶研究院牵头研制，该采矿车额定生产能力10t/h，总功率60千瓦，采集率80%，脱土率85%，对海底稀软土进行采集，自适应采集海底矿泉水。
图3 “昆仑500”矿车海上试验分散
图4：“昆仑500”采矿车在海上测试中出水
图6 “Meron 500”号海上试验模型
图5 “美龙500”海西队
鲲龙500采矿车主要由液压采矿机构、履带行走机构、车体、液压系统、方向调整机构、浮力材料等组成。液压集光器直接利用水泵及相关喷头管道提供喷射水源。液压集光器机构上设有着落高度检测机构和着落高度调整机构，着落高度检测机构检测液压集光器着落高度的实际值，着落高度调整机构根据着落高度的实际值按照预先设定的控制策略做出反应，使液压集光器着落高度平方值保持在合适的范围内，以达到较高的结核菌采集率。履带行走机构通过平行四连杆机构与车体连接，履带行走机构与车体之间设有履带升降机构，履带行走机构陷入海底淤泥后，可利用履带升降，提高履带的通过性。 履带板采用铝镁合金材料减轻质量，采用白色软底高科技稳定行走中国多金属，并采用薄壁不锈钢板折弯焊接结构。通过惯性DVL组合导航与声学定位系统，可进行远距离定位和轨迹控制。全车在液压集中器和机架上加装浮力材料，增加排水量。
青龙500采矿车海上试验区位于南海北部登陆海域，水深500至600米。由于500米水深海域无天然多金属结核，为验证光收集系统的收集能力，在海上试验区铺设模拟结核，模拟多金属结核产状，为光收集系统提供收集对象。
本次海试按照搭载“长裕海”号、“长川”号试验船下水浅海作业的原则顺利开展，哈市中坤龙500型采矿车共下水11次，其中70米浅海作业6次，离岸500米作业5次。哈市最大作业水深514米，多金属结核采集能力10吨/小时，一次最大长距离2881米，水下定位精度0.72米，实现自主驾驶。
这是我国首次进行500米深海底多金属结核采光系统连续采光行走试验，鲲龙500型采矿车拥有自主知识产权。海试成功，表明我国多金属结核采矿车核心技术已全部突破，多金属结核采矿系统关键技术已初步掌握，标志着我国深海采矿系统研发全面由陆上试验转向海上试验。此外，也为我国“深海多金属结核采矿试验项目”千米级整体联动试验奠定了基础。
4。结论
我国深海多金属结核采矿车研制经历了三个阶段：实验室研究阶段，对采矿车单一功能及车辆进行研发；湖试阶段，进行湖试，模拟深海作业环境，验证采矿车工艺和技术；哈希阶段，通过哈希进一步验证采矿车关键技术。
从国家长远利益和当前发展需要看，开发海底矿产资源，建立新的矿产资源源头是必然选择。经过30年的发展，我国多金属结核采矿车技术已大大缩小与国外的技术差距，但与商业化采矿要求仍有一定差距，相关研究需加快推进。