本發(fā)明涉及深海采礦沿繩攀升式省能提升裝置，主要包括雙臂式快速攀升機(jī)構(gòu)、盛料箱、導(dǎo)向滑輪和高強(qiáng)度繩纜，應(yīng)用于深海礦物的提升。

背景技術(shù)：

海洋是人類擁有的巨大資源寶庫(kù)，除了油氣資源和海濱沙礦之外，還有多金屬結(jié)核，其中富含錳、銅、鎳、鈷等多種元素，總儲(chǔ)量是陸地上的幾十倍到幾千倍，對(duì)海底礦物資源的開(kāi)采越來(lái)越受到人們的重視?，F(xiàn)有的海洋礦產(chǎn)資源開(kāi)采主要有四種方案，分別是鋼絲繩卷繞式采礦系統(tǒng)、連續(xù)繩斗開(kāi)采系統(tǒng)、自動(dòng)穿梭艇式開(kāi)采系統(tǒng)和管道提升式開(kāi)采系統(tǒng)。

鋼絲繩卷繞式采礦系統(tǒng)主要由采礦船、鋼絲繩纜和拖斗三部分組成，依靠拖斗在海底收集礦物后，通過(guò)鋼絲繩的卷繞將礦物提升到采礦船上。鋼絲繩卷繞式采礦系統(tǒng)開(kāi)采礦物時(shí)每次將拖斗提升和放下時(shí)都需要收放一次鋼絲繩，當(dāng)開(kāi)采深度較大時(shí)，數(shù)千米長(zhǎng)的鋼絲繩自重極大，卷繞收放一次鋼絲繩所消耗的時(shí)間長(zhǎng)、能耗高，可操作性差，開(kāi)采效率低。

日本所堅(jiān)持研究的連續(xù)繩斗開(kāi)采系統(tǒng)主要由采礦船、拖纜、索斗和牽引機(jī)組成，通過(guò)牽引機(jī)帶動(dòng)拖纜運(yùn)動(dòng)從而使拖纜上的若干索斗循環(huán)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行海底資源開(kāi)采。連續(xù)繩斗開(kāi)采系統(tǒng)的索斗在海地?zé)o法控制，且海底地形復(fù)雜，可能出現(xiàn)空斗或淺斗，使生產(chǎn)能力波動(dòng)及無(wú)法保證達(dá)到設(shè)計(jì)能力，導(dǎo)致海底資源開(kāi)采效率低下，還會(huì)造成海底貧化。同時(shí)，在海洋洋流的作用下，海中兩根拖纜有可能纏繞到一起，使整個(gè)開(kāi)采系統(tǒng)失效，缺點(diǎn)明顯。

自動(dòng)穿梭艇式開(kāi)采系統(tǒng)最早于二十世紀(jì)七十年代由法國(guó)工程師提出，主要由采礦船和一系列能自由潛入海底開(kāi)采的采礦潛水器組成，由采礦潛水器完成海底礦物的開(kāi)采和輸送。自動(dòng)穿梭艇式開(kāi)采系統(tǒng)成本高昂，能源和投資回收周期長(zhǎng)。上海交通大學(xué)于2006年在自動(dòng)穿梭艇式開(kāi)采系統(tǒng)基礎(chǔ)上研制出了分散式深海局部試采礦系統(tǒng)，主要由采礦船，采礦潛水器和多個(gè)提升潛水器組成，提升潛水器為無(wú)人無(wú)纜潛水器，成本依舊較高。

管道提升式開(kāi)采系統(tǒng)主要有水力提升和氣力提升兩種方法，這兩種采礦方法都是通過(guò)自行式或拖行式集礦機(jī)在海底采集礦石，然后通過(guò)垂直管道將礦石提升至水面采礦船。

水力提升開(kāi)采系統(tǒng)主要由采礦船、數(shù)千米長(zhǎng)的揚(yáng)礦硬管、幾百米長(zhǎng)的軟管、輸送泵、深海采礦機(jī)、輔助切割機(jī)和集礦機(jī)組成。由深海采礦機(jī)開(kāi)采礦物后，輔助切割機(jī)將礦物切割成較小顆粒從而形成礦石漿料，由集礦機(jī)收集礦石漿料并通過(guò)軟管輸送到揚(yáng)礦硬管，最后由揚(yáng)礦硬管上的多個(gè)輸送泵輸送到采礦船上。此種方法由于需要多個(gè)海底作業(yè)機(jī)器，且尺寸巨大，輸送管道與作業(yè)機(jī)器的安裝與下放困難，同時(shí)需要在海底對(duì)開(kāi)采礦石加工成礦石漿料后輸送，而且軟管較短，采礦船需跟隨海底采礦車運(yùn)動(dòng)，數(shù)千米長(zhǎng)的揚(yáng)礦硬管受海流影響巨大，會(huì)帶動(dòng)船體產(chǎn)生很大的偏移運(yùn)動(dòng)。

氣力提升開(kāi)采系統(tǒng)基本組成與水力提升相同，不同的是水力提升是采用連接在揚(yáng)礦管道上的輸送泵提供動(dòng)力；氣力提升是將壓縮的空氣注入垂直管形成三相流來(lái)提升礦石。氣力提升揚(yáng)礦效率低，而且當(dāng)多級(jí)泵串聯(lián)工作時(shí)，揚(yáng)礦效率還會(huì)進(jìn)一步下降。

綜上所述，現(xiàn)有的幾種海底礦石開(kāi)采設(shè)備皆存在種種問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供深海采礦沿繩攀升式省能提升裝置，以解決現(xiàn)有幾種海底礦石開(kāi)采設(shè)備開(kāi)采效率低，能耗高，開(kāi)采成本高昂和需要在海底加工礦石等問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，深海采礦沿繩攀升式省能提升裝置設(shè)計(jì)方案如下。

深海采礦沿繩攀升式省能提升裝置，主要包括雙臂式快速攀升機(jī)構(gòu)、盛料箱（2）、導(dǎo)向滑輪（3）和高強(qiáng)度繩纜（4）。所述雙臂式快速攀升機(jī)構(gòu)用于提升海底礦物，由若干組機(jī)械手臂組成，其中兩個(gè)機(jī)械手臂（1）為一組，機(jī)械手臂的根臂（11）由電機(jī)（13）驅(qū)動(dòng)并且末端與盛料箱（2）頂部中間梁（21）鉸接，電機(jī)安裝在根臂末端，使根臂可以圍繞其末端鉸接軸轉(zhuǎn)動(dòng)；前臂（12）由液壓缸（14）驅(qū)動(dòng)并且其中段與根臂前端鉸接，液壓缸一端與根臂中段鉸接，另一端與前臂末端鉸接，通過(guò)液壓缸的伸縮使前臂可以圍繞其中段與根臂前端的鉸接軸轉(zhuǎn)動(dòng)；前臂前端安裝有可旋轉(zhuǎn)的夾持裝置（15），用于攀升時(shí)夾緊高強(qiáng)度繩纜（4）。雙臂式快速攀升機(jī)構(gòu)工作時(shí)，其中一個(gè)機(jī)械手臂上連接在根臂（11）與前臂（12）的液壓缸活塞桿收回，通過(guò)安裝在根臂末端的驅(qū)動(dòng)電機(jī)（13）帶動(dòng)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)以調(diào)整夾持裝置（15）的位置，夾持裝置找到并夾緊高強(qiáng)度繩纜（4）后，液壓缸（14）活塞桿逐漸伸出并帶動(dòng)前臂前端與夾持裝置一同向盛料箱方向運(yùn)動(dòng)，由于盛料箱與夾持裝置產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并且?jiàn)A持裝置已夾緊高強(qiáng)度繩纜，所以盛料箱將向上提升一段距離；之后，另一個(gè)機(jī)械手臂通過(guò)液壓缸與電機(jī)按上述過(guò)程調(diào)整位置后，夾持裝置夾緊高強(qiáng)度繩纜后，原先機(jī)械手臂的夾持裝置松開(kāi)繩纜，之后再通過(guò)液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)，使得盛料箱再提升一段距離。

當(dāng)采用一組機(jī)械臂時(shí)左右機(jī)械手臂提升礦物時(shí)協(xié)調(diào)工作，在右臂夾持裝置降到最低位置（100）后，待左臂夾持裝置到達(dá)最高位置（102）并抓緊高強(qiáng)度繩纜，之后右臂夾持裝置松開(kāi)繩纜，左臂液壓缸活塞桿伸出，左臂夾持裝置向盛料箱運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，右臂夾持裝置通過(guò)液壓缸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)向最高位置移動(dòng)（101），左臂夾持裝置運(yùn)動(dòng)到最低位置后，等待右臂夾持裝置運(yùn)動(dòng)到最高位置并抓緊繩纜后，再交替重復(fù)上述動(dòng)作。兩機(jī)械臂如此循環(huán)以上動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)步履式攀升。

采用多組機(jī)械臂的情況下，機(jī)械臂同樣如上述方法協(xié)調(diào)工作，采用多機(jī)械臂后，多組機(jī)械臂可以更好的銜接運(yùn)動(dòng)，增加提升效率，減少提升時(shí)間，使貨物快速上升。

當(dāng)多組機(jī)械手臂交替有序的工作時(shí)，可實(shí)現(xiàn)盛料箱與海底礦物沿著高強(qiáng)度繩纜的方向快速提升至采礦船上。

在直線電機(jī)的推力、往復(fù)頻率與外形尺寸符合設(shè)計(jì)要求的情況下，可以將驅(qū)動(dòng)前臂的液壓缸換為直線電機(jī)，加快前臂運(yùn)動(dòng)速度，使提升速度及一步加快。

假設(shè)高強(qiáng)度繩纜（4）在水中是豎直的，則機(jī)械手臂（1）提升礦物所需要的力f可由下式計(jì)算：

f≥mzg-fzf

fzf=ff1+ff2

mz=m1+m2

式中，mz為提升裝置和所盛礦物總質(zhì)量；g為重力加速度；fzf為提升裝置和所盛礦物的總浮力；ff1、ff2分別為提升裝置和所盛礦物的浮力，m1、m2分別為提升裝置和所盛礦物的質(zhì)量。

浮力由下式計(jì)算：

f浮=ρ液gv排

式中，ρ液為海水密度；v排為排水體積。

夾持裝置夾緊高強(qiáng)度繩纜并提升礦物時(shí)，夾鉗與繩纜之間的靜摩擦力之和與f相同，此時(shí)的靜摩擦力需要小于夾鉗與繩纜之間的最大靜摩擦力。

則夾鉗夾緊繩纜并提升礦物的條件為：

n≥f/2μ

f摩≤μn

式中，μ為鉗口與繩纜間的摩擦系數(shù)；n為夾鉗鉗口對(duì)繩纜的法向壓力；f摩為由n所產(chǎn)生的摩擦力。

由上式可得出機(jī)械臂提升礦物時(shí)所需要的夾持裝置對(duì)高強(qiáng)度繩纜夾持力的大小。

為防止夾鉗的夾持力過(guò)大而導(dǎo)致繩纜被擠壓損毀，可以采用多夾鉗多機(jī)械臂式提升機(jī)構(gòu)，例如兩鉗或若干兩鉗，或六臂中三鉗一臂的形式等來(lái)增加夾鉗與繩纜間的接觸面積。同時(shí)夾鉗鉗口采用高摩擦材料增大摩擦系數(shù)。

所述盛料箱（2）頂部中段設(shè)置一根用來(lái)安裝機(jī)械手臂（1）與導(dǎo)向滑輪（3）的梁（21），梁兩側(cè)為裝卸料口（22），在提升裝置下沉至海底時(shí)，采礦車將所開(kāi)采的礦物裝入盛料箱內(nèi)，礦物被提升至采礦船后，從盛料箱中卸下。

所述導(dǎo)向滑輪（3）安裝在盛料箱頂部中間梁（21）上，用于引導(dǎo)高強(qiáng)度繩纜（4）的運(yùn)動(dòng)方向，防止其在盛料箱四周無(wú)規(guī)則擺動(dòng)。當(dāng)提升裝置上升時(shí)，繩纜與下方導(dǎo)向滑輪接觸；當(dāng)提升裝置下降時(shí)，繩纜與上方導(dǎo)向滑輪接觸。

所述高強(qiáng)度繩纜（4）由高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐酸堿和濕態(tài)耐磨性優(yōu)異的材料制成，采礦船開(kāi)始采礦時(shí)高強(qiáng)度繩纜隨著深海采礦車一同下放到數(shù)千米深的海底，之后礦物提升裝置沿繩纜下降與提升。

本發(fā)明所涉及的深海采礦沿繩攀升式省能提升裝置供電方式可以有電纜供電與電池供電兩種。采用電纜供電時(shí)，需在采礦船上布置卷繞電纜的卷筒，隨著提升裝置上升和下降收放電纜；采用電池供電時(shí)，需采用高儲(chǔ)電量、低質(zhì)量的電池供電如石墨烯，在每次提升裝置提升礦物至采礦船上后檢查電池電量，并及時(shí)更換電池。

本發(fā)明與現(xiàn)有的幾種海底礦石的開(kāi)采方法相比較具有多種優(yōu)勢(shì)。

與鋼絲繩卷繞式采礦系統(tǒng)相比，本發(fā)明省去了鋼絲繩卷繞式采礦系統(tǒng)開(kāi)采礦物時(shí)每次將拖斗提升和放下時(shí)都需要收放一次鋼絲繩的環(huán)節(jié)，當(dāng)開(kāi)采深度較大時(shí)，機(jī)械手臂的重量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼絲繩的重量，易于操作，開(kāi)采效率高，節(jié)約時(shí)間，大幅節(jié)省能耗。

與連續(xù)繩斗開(kāi)采系統(tǒng)相比，由于本發(fā)明在水下只有一根高強(qiáng)度繩纜，避免了連續(xù)繩斗式開(kāi)采系統(tǒng)在水下的兩根拖纜在洋流作用下可能纏繞到一起的情況；還避免了索斗在海底的不可控性，降低了海底貧化，提高了開(kāi)采效率和資源利用率。

與自動(dòng)穿梭艇式開(kāi)采系統(tǒng)相比減少了若干水下開(kāi)采機(jī)器，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，能源和投資回收周期短。

與水力和氣力提升開(kāi)采系統(tǒng)相比，本發(fā)明減少了若干臺(tái)輸送泵和海底作業(yè)的切割機(jī)與集礦機(jī)，省去了海底礦石在需要在水下行進(jìn)切割加工的過(guò)程。開(kāi)采過(guò)程更加經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便，同時(shí)避免了揚(yáng)礦硬管受洋流影響使采礦船產(chǎn)生很大偏移運(yùn)動(dòng)。

附圖說(shuō)明

圖1為深海采礦沿繩攀升式省能提升裝置示意圖，其中1為機(jī)械手臂，2為盛料箱，3為導(dǎo)向滑輪，4為高強(qiáng)度繩纜。

圖2為深海采礦沿繩攀升式省能提升裝置中快速攀升裝置采用兩組機(jī)械手臂時(shí)示意圖。

圖3為機(jī)械手臂示意圖，其中11為機(jī)械手臂根臂，12為機(jī)械手臂前臂，13為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，14液壓缸，15為夾持裝置。

圖4為機(jī)械手臂不同工作位置簡(jiǎn)圖，其中4為高強(qiáng)度繩纜，100為夾持裝置在最低位置時(shí)機(jī)械手臂的工作位置，101為夾持裝置松開(kāi)繩纜并向上運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)械手臂的工作位置，102為夾持裝置在最高位置時(shí)機(jī)械手臂的工作位置。

圖5為盛料箱示意圖，其中21為盛料箱中間梁，22為裝卸料口，3為導(dǎo)向滑輪。

圖6為使用本深海采礦沿繩攀升式省能提升裝置的深海采礦簡(jiǎn)圖，其中4為高強(qiáng)度繩纜，5為深海采礦車，6為采礦船。

圖7為應(yīng)用本深海采礦沿繩攀升式省能提升裝置的深海采礦流程圖。

具體實(shí)施方式

為了能更清楚地了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特以具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

深海采礦沿繩攀升式省能提升裝置，主要包括雙臂式快速攀升機(jī)構(gòu)、盛料箱（2）、導(dǎo)向滑輪（3）和高強(qiáng)度繩纜（4）。

進(jìn)行深海礦物開(kāi)采時(shí)，深海采礦車（5）由高強(qiáng)度繩纜（4）從采礦船（6）上下放到海底，深海采礦車開(kāi)始采礦，隨后，深海礦物提升裝置沿高強(qiáng)度繩纜下沉到海底，由深海采礦車將所開(kāi)采的礦物裝入盛料箱（2），之后雙臂式快速攀升機(jī)構(gòu)開(kāi)始沿繩纜方向向上提升海底礦物。所述雙臂式快速攀升機(jī)構(gòu)，由若干組機(jī)械手臂組成，其中兩個(gè)機(jī)械手臂（1）為一組，機(jī)械手臂的根臂（11）由電機(jī)驅(qū)動(dòng)并且末端與盛料箱頂部中間梁（21）鉸接，電機(jī)（13）安裝在根臂末端，使根臂可以圍繞其末端鉸接軸轉(zhuǎn)動(dòng)；前臂（12）由液壓缸驅(qū)動(dòng)并且其中段與根臂前端鉸接，液壓缸（14）一端與根臂中段鉸接，另一端與前臂末端鉸接，通過(guò)液壓缸的伸縮使前臂可以圍繞其中段與根臂前端的鉸接軸轉(zhuǎn)動(dòng)；前臂前端安裝有可旋轉(zhuǎn)的夾持裝置（15），用于攀升時(shí)夾緊高強(qiáng)度繩纜。雙臂式快速攀升機(jī)構(gòu)工作時(shí)，其中一個(gè)機(jī)械手臂上連接在根臂與前臂的液壓缸活塞桿收回，通過(guò)安裝在根臂末端的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)以調(diào)整夾持裝置的位置，夾持裝置找到并夾緊高強(qiáng)度繩纜后（工作位置為圖3中102），液壓缸活塞桿逐漸伸出并帶動(dòng)前臂前端與夾持裝置一同向盛料箱方向運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)時(shí)工作位置為圖3中100），由于盛料箱與夾持裝置產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并且?jiàn)A持裝置已夾緊高強(qiáng)度繩纜，所以盛料箱將向上提升一段距離；之后，另一個(gè)機(jī)械手臂通過(guò)液壓缸與電機(jī)按上述過(guò)程調(diào)整位置后，夾持裝置夾緊高強(qiáng)度繩纜后，原先機(jī)械手臂的夾持裝置松開(kāi)繩纜（工作位置為圖3中101），之后再通過(guò)液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)，使得盛料箱再提升一段距離。

左右機(jī)械手臂提升礦物時(shí)協(xié)調(diào)工作，在右臂夾持裝置降到最低位置（100）時(shí)，左臂夾持裝置同時(shí)到達(dá)最高位置（102）并抓緊高強(qiáng)度繩纜，之后右臂夾持裝置松開(kāi)繩纜，左臂液壓缸活塞桿伸出，左臂夾持裝置向盛料箱運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，右臂夾持裝置通過(guò)液壓缸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)向最高位置移動(dòng)（101），右臂夾持裝置運(yùn)動(dòng)到最高位置并抓緊繩纜的同時(shí)，左臂夾持裝置運(yùn)動(dòng)到最低位置，再交替重復(fù)上述動(dòng)作。

兩機(jī)械臂如此循環(huán)以上動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)步履式攀升。采用多組機(jī)械臂的情況下，機(jī)械臂同樣如上述方法協(xié)調(diào)工作。當(dāng)多組機(jī)械手臂交替有序的工作時(shí)，可實(shí)現(xiàn)盛料箱與海底礦物沿著高強(qiáng)度繩纜的方向快速提升至采礦船上。

提升裝置的供電方式可以有電纜供電與電池供電兩種。采用電纜供電時(shí)，需在采礦船上布置卷繞電纜的卷筒，隨著提升裝置上升和下降收放電纜；采用電池供電時(shí)，需采用高儲(chǔ)電量、低質(zhì)量的電池供電如石墨烯，在每次提升裝置提升礦物至采礦船上后檢查電池電量，并及時(shí)更換電池。

提升裝置將海底礦物提升至采礦船后，將礦物卸下，再次下沉到海底開(kāi)始重復(fù)上述工作，采礦船跟隨深海采礦車運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)海底礦物的連續(xù)開(kāi)采。

以上給出了本發(fā)明涉及的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明不局限于描述的實(shí)施方式。在本發(fā)明給出的思路下，采用對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言容易想到的方式對(duì)上述實(shí)施例中的技術(shù)手段進(jìn)行變換、替換、修改，采用相似的步履式提升方案，并且起到的作用與本發(fā)明中的相應(yīng)技術(shù)手段基本相同、實(shí)現(xiàn)的目的基本相同，這樣形成的技術(shù)方案是對(duì)上述實(shí)例進(jìn)行微調(diào)形成的，這種技術(shù)方案仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。