本發(fā)明涉及海底礦產資源開采技術領域，具體涉及一種海底富鈷結殼切削深度控制方法及液壓系統(tǒng)。

背景技術：

隨著陸地礦產資源的日益枯竭，開發(fā)海底礦產資源已成為人類尋求新資源的必然趨勢。富鈷結殼作為海底最具吸引力的礦產資源之一，一般形成于水深400～4000m的海山斜坡上，大多呈斑塊狀賦存于海山硬質基巖上。大片結殼層面積有時可達數(shù)十平方公里。富鈷結殼及其基巖最佳的破碎方法之一為螺旋滾筒式截齒切削。然而，富鈷結殼層的厚度變化不一，且其地形復雜，起伏差異很大。為保證足夠的富鈷結殼采集率和較低的廢石混入率，當富鈷結殼采礦車在海底作業(yè)時，必須對富鈷結殼的切削深度進行有效控制，以適應海底微地形及結殼厚度變化，使其盡可能多地剝離富鈷結殼，同時盡量減少基巖的切割。

目前研究中的富鈷結殼切削深度的控制往往依賴于對微地形和富鈷結殼厚度的探測，通過采集的微地貌信息自動調節(jié)采礦頭至最佳切削位置，以提高富鈷結殼開采率。這種方法成本較高，控制方法復雜，且探測精度容易受開采過程產生的碎屑顆粒影響，在推廣和應用上存在一定難度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種海底富鈷結殼切削深度控制方法及液壓系統(tǒng)，該方法及液壓系統(tǒng)能有效適應海底富鈷結殼開采過程中的微地形變化與結殼厚度變化，具有成本低廉，簡單可靠，易于實施等特點。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種海底富鈷結殼切削深度控制方法，采用采礦車帶著采礦頭對海底富鈷結殼進行切削作業(yè)，在作業(yè)過程中，根據(jù)采礦頭的切削阻力的變化對采礦頭的切削深度進行控制；當切削阻力維持預定值不變時，保持采礦頭當前切削深度不變；當切削阻力大于預定值時，控制采礦頭向上運動以減小切削深度；當切削阻力小于預定值時，控制采礦頭向下運動以增大切削深度。

一種適用于上述海底富鈷結殼切削深度控制方法的液壓系統(tǒng)，包括用于驅動采礦頭旋轉切削運動的液壓馬達、用于驅動采礦頭升降運動的伸縮油缸、用于控制液壓馬達工作的第一液壓控制單元和用于控制伸縮油缸工作的第二液壓控制單元，還包括根據(jù)液壓馬達工作壓力調節(jié)伸縮油缸工作壓力的自動調控裝置，在液壓馬達工作壓力維持預定值不變時，所述自動調控裝置控制伸縮油缸工作壓力不變；在液壓馬達工作壓力大于預定值時，所述自動調控裝置控制伸縮油缸工作壓力降低以使采礦頭向上運動減小切削深度；在液壓馬達工作壓力小于預定值時，所述自動調控裝置控制伸縮油缸工作壓力升高以使采礦頭向下運動增大切削深度。

上述的液壓系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述第一液壓控制單元包括第一壓力油源和第一換向閥，所述液壓馬達的兩個工作油口分別與第一換向閥的兩個工作油口連通，所述第一換向閥的進油口和出油口分別與第一壓力油源的出口和油箱連通，所述第二液壓控制單元包括第二壓力油源和第二換向閥，所述伸縮油缸的兩個工作油口通過一雙向液壓鎖與第二換向閥的兩個工作油口連通，所述第二換向閥的進油口和出油口分別與第二壓力油源的出口和油箱連通。

上述的液壓系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述自動調控裝置為具有比例壓力調節(jié)功能的壓力控制閥，所述壓力控制閥的進油口與第二壓力油源的出口連通，所述壓力控制閥的出油口與油箱連通，所述壓力控制閥的控制口與第一壓力油源的出口連通。

上述的液壓系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述壓力控制閥的控制口設有阻尼。

上述的液壓系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述自動調控裝置包括電比例溢流閥、控制器和用于檢測第一壓力油源的出口油壓的壓力傳感器，所述電比例溢流閥的進油口與第二壓力油源的出口連通，所述電比例溢流閥的出油口與油箱連通，所述壓力傳感器安裝在與第一壓力油源的出口連通的檢測腔中，所述控制器與壓力傳感器相連并根據(jù)壓力傳感器檢測的油壓信號值控制電比例溢流閥的閥芯開度。

上述的液壓系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述第一壓力油源的出口還連接有第一安全溢流閥，所述第二壓力油源的出口還連接有第二安全溢流閥。

上述的液壓系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述第一壓力油源包括第一液壓油泵和第一過濾器，所述第一過濾器的進口與第一液壓油泵的出口連通，所述第一過濾器的出口與第一換向閥的進油口連通；所述第二壓力油源包括第二液壓油泵和第二過濾器，所述第二過濾器的進口與第二液壓油泵的出口連通，所述第二過濾器的出口與第二換向閥的進油口連通。

上述的液壓系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述采礦頭通過一擺臂安裝于采礦車上，所述伸縮油缸的缸體和伸縮桿分別與擺臂和采礦車鉸接。

上述的液壓系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述采礦頭為旋轉切削式采礦頭。

本發(fā)明的原理為：富鈷結殼和基巖的物理力學特性存在一定差異，在抗壓強度、切削阻力方面，基巖一般均大于鈷結殼。在一定的作業(yè)行走速度和切削轉速下，切削阻力隨切削深度的增加而增大。當采礦頭從富鈷結殼層切削至基巖層時，切削阻力的增加及其上升趨勢將更加明顯。切削阻力直接作用于采礦頭，在液壓系統(tǒng)中則直接體現(xiàn)為液壓馬達驅動采礦頭旋轉所需的工作壓力，因此，切削阻力和馬達工作壓力的大小和變化趨勢在一定程度上反映了當前的切削深度和切削狀態(tài)，可作為富鈷結殼切削深度判斷和控制的依據(jù)。富鈷結殼與基巖抗壓強度差異越大，本發(fā)明的控制效果越好。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明利用富鈷結殼與基巖物理力學特性差異以及富鈷結殼切削阻力隨切削深度變化規(guī)律，根據(jù)切削阻力變化對切削深度進行控制，無需探測設備對地形與富鈷結殼厚度進行檢測，能有效適應海底富鈷結殼開采過程中的微地形變化與富鈷結殼厚度變化，不僅可降低設備和控制成本，而且簡單可靠，易于實施。

附圖說明

圖1為適用于海底富鈷結殼切削深度控制方法的液壓系統(tǒng)的示意圖。

圖2為采用電比例溢流閥、控制器和壓力傳感器組合形式的自動調控裝置的結構示意圖。

圖例說明：

1、采礦頭；2、液壓馬達；3、伸縮油缸；4、第一壓力油源；41、第一液壓油泵；42、第一過濾器；5、第一換向閥；6、第二壓力油源；61、第二液壓油泵；62、第二過濾器；7、第二換向閥；8、雙向液壓鎖；9、壓力控制閥；10、電比例溢流閥；11、控制器；12、壓力傳感器；13、第一安全溢流閥；14、第二安全溢流閥；100、采礦車；200、擺臂。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

本實施例的海底富鈷結殼切削深度控制方法，具體是，采用采礦車100帶著旋轉切削式的采礦頭1前行對海底富鈷結殼進行切削作業(yè)，在作業(yè)過程中，根據(jù)采礦頭1的旋轉切削阻力的變化對采礦頭1的切削深度進行控制；當切削阻力維持預定值不變時，保持采礦頭1當前切削深度不變；當?shù)匦位蚋烩捊Y殼厚度變化引起切削阻力增大時，也即當切削阻力大于預定值時，控制采礦頭1向上運動以減小對海底富鈷結殼的切削深度；地形或富鈷結殼厚度變化引起切削阻力減小時，也即當切削阻力小于預定值時，控制采礦頭1向下運動以增大對對海底富鈷結殼的切削深度。

如圖1所示，一種適用于上述海底富鈷結殼切削深度控制方法的液壓系統(tǒng)，包括用于驅動采礦頭1旋轉切削運動的液壓馬達2、用于驅動采礦頭1升降運動的伸縮油缸3、用于控制液壓馬達2工作的第一液壓控制單元和用于控制伸縮油缸3工作的第二液壓控制單元，還包括根據(jù)液壓馬達2工作壓力調節(jié)伸縮油缸3工作壓力的自動調控裝置，在液壓馬達2工作壓力維持預定值不變時，自動調控裝置控制伸縮油缸3工作壓力不變；在液壓馬達2工作壓力大于預定值時，自動調控裝置控制伸縮油缸3工作壓力降低以使采礦頭1向上運動減小切削深度；在液壓馬達2工作壓力小于預定值時，自動調控裝置控制伸縮油缸3工作壓力升高以使采礦頭1向下運動增大切削深度。

本實施例中，第一液壓控制單元包括第一壓力油源4和第一換向閥5，液壓馬達2的兩個工作油口分別與第一換向閥5的兩個工作油口連通，第一換向閥5的進油口與第一壓力油源4的出口連通，第一換向閥5的出油口與油箱連通，通過轉換第一換向閥5可控制液壓馬達2是否轉動，第一換向閥5控制液壓馬達2轉動時，第一壓力油源4流經第一換向閥5直接驅動液壓馬達2，為采礦頭1旋轉切削提供動力，液壓馬達2的工作壓力由采礦頭1旋轉切削阻力決定。第二液壓控制單元包括第二壓力油源6和第二換向閥7，伸縮油缸3的兩個工作油口通過一雙向液壓鎖8與第二換向閥7的兩個工作油口連通，具體是伸縮油缸3的無桿腔工作油口和有桿腔工作油口分別與雙向液壓鎖8的兩個出油口連通，雙向液壓鎖8的兩個進油口分別與第二換向閥7的兩個工作油口連通，第二換向閥7的進油口與第二壓力油源6的出口連通，第二換向閥7的出油口與油箱連通，通過轉換第二換向閥7可控制伸縮油缸3伸縮運動。上述雙向液壓鎖8在不驅動伸縮油缸3伸縮運動時，能將伸縮油缸3有效鎖死。

本實施例中，自動調控裝置為具有比例壓力調節(jié)功能的壓力控制閥9，其具有比例溢流功能。壓力控制閥9的進油口V1與第二壓力油源6的出口連通，壓力控制閥9的出油口T1與油箱連通，壓力控制閥9的控制口C1與第一壓力油源4的出口連通。該壓力控制閥9為現(xiàn)有成熟部件，可外購得到，根據(jù)其控制口C1壓力大小能夠控制閥芯開啟時進油口V1所需壓力，從而無級控制進油口V1處的溢流壓力，該壓力控制閥9的進油口V1壓力大小與控制口C1壓力大小成反比。

本實施例中，壓力控制閥9的控制口設有阻尼，可有效改善其響應特性。

在其他實施例中，自動調控裝置也可以采用其他形式，例如，如圖2所示的自動調控裝置，該自動調控裝置包括電比例溢流閥10、控制器11和用于檢測第一壓力油源4的出口油壓的壓力傳感器12，電比例溢流閥10的進油口V2與第二壓力油源6的出口連通，電比例溢流閥10的出油口V2與油箱連通，壓力傳感器12安裝在與第一壓力油源4的出口連通的檢測腔中，檢測腔設于電比例溢流閥10的閥塊上，檢測腔設有一連接口C2，連接口C2通過油管與第一壓力油源4的出口連通，控制器11與壓力傳感器12相連并根據(jù)壓力傳感器12檢測的油壓信號值控制電比例溢流閥10的閥芯開度。壓力傳感器12將檢測的油壓信號傳送控制器11后，控制器11向電比例溢流閥10輸出控制電流，使電比例溢流閥10的出油口V2處的溢流壓力與第一壓力油源4的出口壓力成反比。采用可編程的控制器11，還能實現(xiàn)更加豐富的壓力控制策略。

本實施例中，第一壓力油源4的出口還連接有第一安全溢流閥13，用于限制第一液壓控制單元的最高工作壓力，保障系統(tǒng)安全。第二壓力油源6的出口還連接有第二安全溢流閥14，用于限制第二液壓控制單元的最高工作壓力，保障系統(tǒng)安全。

本實施例中，第一壓力油源4包括第一液壓油泵41和第一過濾器42，第一過濾器42的進口與第一液壓油泵41的出口連通，第一過濾器42的出口作為第一壓力油源4的出口與第一換向閥5的進油口連通；第二壓力油源6包括第二液壓油泵61和第二過濾器62，第二過濾器62的進口與第二液壓油泵61的出口連通，第二過濾器62的出口作為第二壓力油源6的出口與第二換向閥7的進油口連通。

本實施例中，采礦頭1通過一擺臂200安裝于采礦車100上，具體是擺臂200一端鉸接于采礦車100上，采礦頭1安裝在擺臂200另一端，伸縮油缸3的缸體與采礦車100鉸接，伸縮油缸3的伸縮桿分別與擺臂200鉸接。伸縮油缸3的伸縮桿伸出運動時，驅使擺臂200向上擺動，使采礦頭1向上運動；伸縮油缸3伸縮桿縮入運動時，驅使擺臂200向下擺動，使采礦頭1向下運動。采礦車100可適應海底富鈷結殼地形條件行走開展作業(yè)。采礦頭1為旋轉切削式采礦頭。

本實施例中采礦頭1的旋轉切削為逆時針方向，伸縮油缸3通過有桿腔壓力控制采礦頭1上下運動，壓力控制閥9的進油口V1壓力與出油口C1壓力成反比。但在其他實施例中，采礦頭1也可以采用其他旋轉方向。當采礦頭1及擺臂200質量較大，僅在重力作用下即可使采礦頭1向下運動直至切削深度達到大于設計要求時，伸縮油缸3也可以通過無桿腔壓力控制采礦頭1上下運動，此時壓力控制閥9的進油口V1壓力與控制口C1壓力成正比，只要能夠通過液壓馬達2的工作壓力控制伸縮油缸3的工作壓力，進而控制采礦頭1對富鈷結殼的切削深度即可。

本實施例中的第一換向閥5和第二換向閥7采用兩位四通換向閥或者三位四通換向閥，但在其他實施例中，第一換向閥5和第二換向閥7也可以采用其他形式，只要能夠實現(xiàn)控制液壓馬達2的旋轉和控制伸縮油缸3的伸縮控制即可。

本實施例的液壓系統(tǒng)的工作原理如下：

圖1中，A表示富鈷結殼，B表示基巖。在海底采礦車100行走作業(yè)過程中，第一換向閥5與第二換向閥7均換向在右位工作，液壓馬達2驅動采礦頭1旋轉，伸縮油缸3驅動擺臂200帶動采礦頭1上下運動改變富鈷結殼切削深度。在富鈷結殼切削過程中，采礦頭1受到切削阻力的反作用力，該反作用力通過采礦頭1作用在擺臂200上，使采礦頭1具有向上運動趨勢。

采礦頭1在切削深度未達到設計要求之前所受切削阻力較小，伸縮油缸3有桿腔進油驅動采礦頭1繼續(xù)向下運動，此時液壓馬達2工作壓力也相應較小，壓力控制閥9閥芯不開啟，伸縮油缸3工作壓力為第二安全溢流閥14設定壓力。

隨著切削深度的增加，切削阻力隨之增大，當擺臂200所受反作用力增大至與伸縮油缸3作用力達到力矩平衡狀態(tài)時，采礦頭1不再向下運動，此時采礦頭1切削富鈷結殼深度達到設計要求。與此同時，液壓馬達2工作壓力也增大到預定值，壓力控制閥9的進油口V1壓力在控制口C1壓力輔助下使閥芯開啟，進油口V1開始溢流，此時伸縮油缸3工作壓力由壓力控制閥9決定，第二安全溢流閥14閥芯關閉。

隨著海底微地形及結殼厚度變化，采礦頭1對富鈷結殼的切削深度和切削阻力也隨著改變。當切削深度大于設計要求時，采礦頭1的切削阻力增大，液壓馬達2工作壓力也增大，該工作壓力作用在壓力控制閥9的控制口C1上，進一步減小了閥芯開啟時進油口V1所需克服的作用力，此時進油口V1壓力下降，伸縮油缸3工作壓力相應減小，采礦頭1在切削阻力作用下向上運動，富鈷結殼切削深度減小，直至切削阻力和伸縮油缸3作用力重新達到力矩平衡狀態(tài)；當切削深度小于設計要求時，采礦頭1的切削阻力減小，液壓馬達2工作壓力也減小，相應的，壓力控制閥9的控制口C1壓力減小，壓力控制閥9的進油口V1壓力增大，伸縮油缸3工作壓力也隨之增大，伸縮油缸3作用力驅動采礦頭1向下運動，富鈷結殼切削深度增大，直至切削阻力和伸縮油缸3作用力重新達到力矩平衡狀態(tài)。

該方法及液壓系統(tǒng)根據(jù)切削阻力變化對切削深度進行控制，無需探測設備對地形與富鈷結殼厚度進行檢測，能有效適應海底富鈷結殼開采過程中的微地形變化與富鈷結殼厚度變化，不僅可降低設備和控制成本，而且簡單可靠，易于實施。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例。對于本技術領域的技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術構思前提下所得到的改進和變換也應視為本發(fā)明的保護范圍。