本發(fā)明涉及海底采礦技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種海底表面固體礦物取樣裝置及取樣方法。

背景技術(shù)：

隨著陸地礦產(chǎn)資源的日益枯竭，海洋資源越來(lái)越受到各國(guó)的重視，占地球表面71％的海洋蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，是世界礦產(chǎn)資源的重要儲(chǔ)備，現(xiàn)已探明具有商業(yè)開采價(jià)值的海洋礦產(chǎn)資源主要有多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物等，富鈷結(jié)殼與多金屬硫化物大多附著于海底表面，并一般依微地形起伏，在其底下為基巖，對(duì)這兩種礦物進(jìn)行取樣時(shí)首先要對(duì)其進(jìn)行銑挖破碎，然后利用采集機(jī)構(gòu)進(jìn)行采集，對(duì)其破碎一般采用銑刨鼔，采集多用水力采集，常用的采集工具為泥漿泵。經(jīng)過(guò)破碎和采集后的礦物被存入取樣裝置的料箱當(dāng)中，隨取樣裝置回收至科考船甲板。

海底固體礦物取樣裝置因礦物微地形復(fù)雜，在銑挖破碎過(guò)程中容易出現(xiàn)銑挖阻力時(shí)大時(shí)小的情況，銑挖阻力瞬時(shí)增大，容易將銑挖馬達(dá)逼停。另一方面，對(duì)破碎后散落在海底表面的礦物進(jìn)行采集主要由機(jī)械式采集和水力式采集。現(xiàn)主流用的最多的采集方式是水力采集，但通過(guò)水泵進(jìn)行采集時(shí)，由于被采集礦物相對(duì)靜止在海底表面，不利于水泵抽吸采集，采集效率低下。這兩個(gè)方面是制約海底表面礦物取樣裝置取樣效率的重要因素。

綜上所述，現(xiàn)有的海底固體礦物取樣裝置對(duì)地形適應(yīng)能力差和銑挖頭或銑刨鼓在銑挖破碎過(guò)程中容易出現(xiàn)卡死，成了本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種海底表面固體礦物取樣裝置及取樣方法，旨在解決現(xiàn)有海底固體礦物取樣裝置存在地形適應(yīng)能力差和銑挖頭或銑刨鼓在銑挖破碎過(guò)程中容易出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種海底表面固體礦物取樣裝置，所述海底表面固體礦物取樣裝置包括主體架、軌道車、破碎采集裝置、牽引裝置、聲學(xué)成像系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，

所述主體架是整個(gè)取樣裝置的結(jié)構(gòu)主體，用于安裝所述軌道車、所述破碎采集裝置、所述牽引裝置、所述聲學(xué)成像系統(tǒng)和所述液壓系統(tǒng)，

所述軌道車安裝在所述主體架上，包括用于安裝所述聲學(xué)成像系統(tǒng)的聲學(xué)基陣軌道車和用于安裝所述破碎采集裝置的破碎采集裝置軌道車，

所述破碎采集裝置在所述液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)牽引裝置的牽引，以及所述軌道車的導(dǎo)引，進(jìn)行破碎采集作業(yè)，所述聲學(xué)成像系統(tǒng)與破碎采集裝置相配合掃描出取樣裝置底下的微地形，反饋信息到所述破碎采集裝置，通過(guò)所述牽引裝置調(diào)節(jié)水平位移和通過(guò)位移油缸調(diào)節(jié)升降位移實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)地形的海底表面固體礦物取樣。

優(yōu)選地，所述破碎采集裝置包括上下兩部分，所述破碎采集裝置上部有渣漿泵和料箱，所述渣漿泵上安裝有泵吸馬達(dá)，所述渣漿泵通過(guò)輸料管與所述料箱連通，所述料箱上配合有料箱蓋，

所述破碎采集裝置下部有銑挖滾筒和銑挖馬達(dá)，所述銑挖滾筒為圓柱形，有銑挖刀具均勻分布于所述銑挖滾筒表面，所述銑挖滾筒與所述銑挖馬達(dá)相連，安裝在集料罩上，所述銑挖滾筒的一半在所述集料罩內(nèi)，另一半露在所述集料罩外面，所述集料罩頂部與所述渣漿泵的進(jìn)口相連，在所述集料罩的兩邊固定有牽引座，牽引座用于與位移油缸相連接，所述位移油缸與所述軌道車相連，用于控制所述破碎采集裝置運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選地，所述銑挖刀具呈螺旋狀分布于所述銑挖滾筒表面。

優(yōu)選地，所述液壓系統(tǒng)包括液壓站和閥箱，所述液壓站的動(dòng)力液流經(jīng)過(guò)所述閥箱后通往取樣裝置的各個(gè)油缸和液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)取樣裝置作業(yè)機(jī)構(gòu)作業(yè)。

優(yōu)選地，所述牽引裝置包括鋼絲繩、定滑輪、鋼絲盤和兩個(gè)液壓馬達(dá)，所述鋼絲繩的一端與所述軌道車相連，另一端繞過(guò)所述定滑輪后與所述鋼絲盤相連，所述鋼絲盤由所述液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

優(yōu)選地，所述牽引裝置的數(shù)量為兩套，所述兩套牽引裝置的鋼絲繩、定滑輪、鋼絲盤、液壓馬達(dá)均呈兩端對(duì)稱布置，兩側(cè)所述液壓馬達(dá)為進(jìn)出油口反接串聯(lián)形式，即出口相連，所述液壓馬達(dá)的進(jìn)油口分別接在所述閥箱上。

優(yōu)選地，所述聲學(xué)成像系統(tǒng)包括安裝在所述軌道車上的聲學(xué)基陣和安裝在電子倉(cāng)內(nèi)部控制基陣的基陣控制器，所述聲學(xué)基陣與所述位移油缸相連接，所述位移油缸安裝在所述軌道車上。

優(yōu)選地，所述海底表面固體礦物取樣裝置還包括監(jiān)控系統(tǒng)，所述監(jiān)控系統(tǒng)包括視頻監(jiān)視組件和控制組件，在所述主體架上安裝有若干燈和攝像頭，用于觀測(cè)取樣裝置在海底的工作情況。

優(yōu)選地，所述主體架頂部設(shè)置有與海洋裝備專用承重頭相連的連接接口。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種前述的海底表面固體礦物取樣裝置的取樣方法，包括如下步驟：

科考船通過(guò)絞車將取樣裝置下放至海底指定位置后，打開取樣裝置監(jiān)控系統(tǒng)，上高壓電，啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，取樣裝置開始作業(yè)；

利用位移油缸使聲學(xué)基陣處于最高位置，啟動(dòng)聲學(xué)基陣控制器，在牽引裝置的作用下，聲學(xué)基陣開始在水平方向上緩慢移動(dòng)，掃描出取樣裝置底下的微地形；

當(dāng)聲學(xué)基陣軌道車到達(dá)終點(diǎn)時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)已形成微地形信息，參照所形成的微地形信息，使聲學(xué)基陣在位移油缸的作用下，下降一個(gè)合適的高度，再次啟動(dòng)牽引裝置，使聲學(xué)基陣返回至原來(lái)位置，再形成一次微地形信息，依照兩次的微地形信息形成微地形地圖；

然后啟動(dòng)破碎采集裝置，在牽引裝置的作用下破碎采集裝置在破碎采集裝置軌道車上沿軌道水平移動(dòng)，進(jìn)行破碎采集作業(yè)，依照聲學(xué)系統(tǒng)形成的地形圖，通過(guò)位移油缸控制銑挖高度，使整個(gè)銑挖過(guò)程保持穩(wěn)定的破碎銑削深度；

在牽引裝置的作用下來(lái)回銑削破碎作業(yè)，直至銑挖馬達(dá)的作業(yè)壓力明顯增大時(shí)，表明已經(jīng)銑削至基巖層，停止取樣作業(yè)。

本發(fā)明的海底表面固體礦物取樣裝置及取樣方法，利用聲學(xué)成像原理構(gòu)建銑挖區(qū)域地形圖，根據(jù)地形數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整銑挖頭升降，并采用銑挖頭與泵吸一體化的設(shè)計(jì)能夠有效提高礦物收集效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明海底表面固體礦物取樣裝置一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1所示海底表面固體礦物取樣裝置的破碎采集裝置的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式為一種海底表面固體礦物取樣裝置，包括主體架1、聲學(xué)基陣軌道車4、破碎采集裝置軌道車5、破碎采集裝置3、牽引裝置、聲學(xué)成像系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。

主體架1是海底表面固體礦物取樣裝置的結(jié)構(gòu)主體，取樣裝置的所有相關(guān)零部件都安裝在主體架1上，主體架1頂部設(shè)置有與海洋裝備專用承重頭相連的連接接口101。在取樣裝置上有兩個(gè)軌道車，即破碎采集裝置軌道車5和聲學(xué)基陣軌道車4，其中，破碎采集裝置軌道車5用于移動(dòng)破碎采集裝置3，聲學(xué)基陣軌道車4用于移動(dòng)聲學(xué)基陣14。兩個(gè)軌道車為雙邊安裝有與取樣裝置軌道相配合的輪子，并可以沿取樣裝置軌道來(lái)回移動(dòng)的裝置。軌道車上設(shè)置有位移傳感器6，可以測(cè)出軌道車在水平方向上的位置信息，位置信息用于建立微地形的位置坐標(biāo)。

破碎采集裝置3是整個(gè)取樣裝置的核心部件，破碎采集裝置3完成對(duì)礦物的破碎與收集，破碎采集裝置3包括上下兩部分，其上部有渣漿泵35和料箱32，渣漿泵35上安裝有泵吸馬達(dá)33，渣漿泵35通過(guò)輸料管34與料箱32連通，料箱32上配合有料箱蓋31。破碎采集裝置3下部有銑挖滾筒39、銑挖馬達(dá)38、集料罩37和牽引座36。其中銑挖滾筒39為圓柱形桶，在銑挖滾筒39的桶型表面上分布著用于銑削破碎礦物的銑挖刀具40，銑挖刀具40螺旋狀均勻分布于銑挖滾筒39的表面。銑挖滾筒39與銑挖馬達(dá)38相連，銑挖馬達(dá)38帶動(dòng)銑挖滾筒39旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行銑挖作業(yè)，銑挖馬達(dá)38和銑挖滾筒39都安裝在集料罩37上，銑挖滾筒39的一半在集料罩37內(nèi)，另一半露在集料罩37外面。集料罩37頂部與渣漿泵35的進(jìn)口相連，渣漿泵35由其頂部的泵吸馬達(dá)33驅(qū)動(dòng)。集料罩37除了用來(lái)安裝銑挖馬達(dá)38和銑挖滾筒39之外還有吸料的功能，在銑挖的過(guò)程中被甩起來(lái)的料在泥漿泵和渣漿泵35的共同作用下被順利抽吸至料箱32當(dāng)中。牽引座36固定在集料罩37的兩邊，牽引座36與位移油缸相12連接，用于控制破碎采集裝置3的上下運(yùn)動(dòng)。位移油缸12與破碎采集裝置軌道車5相連，帶動(dòng)破碎采集裝置3沿取樣裝置的軌道水平移動(dòng)。料箱32上配合有料箱蓋31，料箱蓋31為鏤空狀不銹鋼網(wǎng)，便于海水排出。

聲學(xué)成像系統(tǒng)包括安裝在聲學(xué)基陣軌道車4上的聲學(xué)基陣14和安裝在電子倉(cāng)8內(nèi)用于控制基陣的基陣控制器。聲學(xué)基陣14與聲學(xué)基陣軌道車4上的位移油缸12相連接，位移油缸12能使聲學(xué)基陣14上下移動(dòng)，聲學(xué)基陣軌道車4使聲學(xué)基陣14水平移動(dòng)?；嚳刂破髂芘c電子倉(cāng)8的通訊總線進(jìn)行通訊，并可將信息傳至科考船甲板上位機(jī)，在上位機(jī)上對(duì)聲學(xué)信息進(jìn)行處理形成微地形圖。

液壓系統(tǒng)包括液壓站2和閥箱15。液壓站2的動(dòng)力液流經(jīng)過(guò)閥箱15后通往取樣裝置的各個(gè)油缸和液壓馬達(dá)7，驅(qū)動(dòng)取樣裝置作業(yè)機(jī)構(gòu)作業(yè)。取樣裝置上的所有馬達(dá)均由液壓驅(qū)動(dòng)。

牽引裝置主要用于驅(qū)動(dòng)兩套軌道車水平移動(dòng)，與兩套軌道車相適應(yīng)，取樣裝置有兩套獨(dú)立的牽引裝置，一套用于驅(qū)動(dòng)聲學(xué)基陣軌道車4運(yùn)動(dòng)，一套用于驅(qū)動(dòng)破碎采集裝置軌道車5運(yùn)動(dòng)。牽引裝置包括鋼絲繩9、定滑輪10、鋼絲盤11和液壓馬達(dá)7，鋼絲盤11與液壓馬達(dá)7連接，并由液壓馬達(dá)7驅(qū)動(dòng)鋼絲盤11旋轉(zhuǎn)。鋼絲繩9的一端與軌道車相連，另一端繞過(guò)定滑輪10后與鋼絲盤11相連。兩套牽引裝置的鋼絲繩9、定滑輪10、鋼絲盤11、液壓馬達(dá)7均兩端對(duì)稱布置，兩側(cè)液壓馬達(dá)7為進(jìn)出油口反接串聯(lián)形式，即兩液壓馬達(dá)7的出口相連，兩液壓馬達(dá)7的進(jìn)油口分別接在閥箱15的控制口上。這樣保證其中一個(gè)液壓馬達(dá)7正轉(zhuǎn)時(shí)，另一個(gè)液壓馬達(dá)7反轉(zhuǎn)，并保持兩液壓馬達(dá)7轉(zhuǎn)速一致。

監(jiān)控系統(tǒng)包括視頻監(jiān)視組件和控制組件。在取樣裝置的主體架1上安裝有若干燈和攝像頭，用于觀測(cè)取樣裝置在海底的工作情況，攝像頭信號(hào)經(jīng)過(guò)電子倉(cāng)8內(nèi)的光端機(jī)將攝像頭信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)并傳輸至科考船甲板上位機(jī)，這一部分成為視頻監(jiān)視組件?？刂平M件包括電子倉(cāng)8內(nèi)的控制器和通訊模塊，科考船甲板上位機(jī)控制信號(hào)通過(guò)光纖傳至電子倉(cāng)8內(nèi)的通訊模塊控制電子倉(cāng)8內(nèi)控制器，控制器再控制液壓系統(tǒng)上的電磁閥從而控制取樣裝置的所有作業(yè)動(dòng)作。

本實(shí)施例中，海底表面固體礦物取樣裝置的取樣方法如下：

科考船通過(guò)絞車將取樣裝置下放至海底指定位置后，打開取樣裝置監(jiān)控系統(tǒng)，上高壓電，啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，取樣裝置開始作業(yè)；

利用位移油缸12使聲學(xué)基陣14處于最高位置，啟動(dòng)聲學(xué)基陣控制器，在牽引裝置的作用下，聲學(xué)基陣14開始在水平方向上緩慢移動(dòng)，掃描出取樣裝置底下的微地形；

當(dāng)聲學(xué)基陣軌道車4到達(dá)終點(diǎn)時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)已形成微地形信息，參照所形成的微地形信息，使聲學(xué)基陣14在位移油缸12的作用下，下降一個(gè)合適的高度，再次啟動(dòng)牽引裝置，使聲學(xué)基陣14返回至原來(lái)位置，再形成一次微地形信息，依照兩次的微地形信息形成微地形地圖；

然后啟動(dòng)破碎采集裝置3，在牽引裝置的作用下破碎采集裝置3在破碎采集裝置軌道車5上沿軌道13水平移動(dòng)，進(jìn)行破碎采集作業(yè)，依照聲學(xué)系統(tǒng)形成的地形圖，通過(guò)位移油缸12控制銑挖高度，使整個(gè)銑挖過(guò)程保持穩(wěn)定的破碎銑削深度，有效防止銑挖馬達(dá)卡死現(xiàn)象的發(fā)生，提高作業(yè)效率；

在牽引裝置的作用下來(lái)回銑削破碎作業(yè)，直至銑挖馬達(dá)的作業(yè)壓力明顯增大時(shí)，表明已經(jīng)銑削至基巖層，停止取樣作業(yè)；

作業(yè)完成后，切斷動(dòng)力電源，回收取樣裝置。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。