（机械设计及理论专业论文）集矿机履齿的设计研究.pdf

蕊要 本文在介缨我国现有大洋多金属结核采矿集矿机梯枫行走 技术方案及行走祝构蔗齿结构的基础t ，对蔡矿概履带行走祝构 壹海底簿款瘾囊环凌下述嚣 i 走 毫业时覆滤蕊运动、直线牵等 帮 转向动力等闽越进行了分析。 结合国内外学者对车辆与软路面相互作糟研究的成果，围绕 誊履齿王程设诗爵结构参数的墩值嬲遴，以减轻籁辫对海底熹矮 的扰动、保证鼹带行走机构在稀软海底底嫒琢境下行驶时具备足 够的附着力为出发点，对履齿结构参数与车辆的总体参数、海底 底矮特瞧参数之阔豹密切关系展开了磺究，提出了集矿枫展齿主 要结梭参数静确定方法或原裂。 在上述工作的基础l ，结合“九五”期间集矿枫的试验情况， 对大洋多金属缭核采矿集矿枫履齿德行了改进研究并提出了捆 应的改进措施，这些改进主要包括改变淹带扳酱的安装、布置方 式，栗熙逸高分层靛方法适当增趣部分矮藩藩度以及调整震塞躲 结构参数等。 在试验研究部分，通过设计的装鼍，在模拟海底底质环境下， 对革履鼗的莠切及齿离分屡时苹鹱嚣酶融着力袋开了裙步鼹蕊 究，这对纂矿枧矮齿的工程设计有蓑直接的参考意义，邀为进一 步展开履齿与模拟海底底质相互作用的研究打下了基础。 文末，对鬟矿杌群辊的改进和完善提密了参考性建议，并对 避一步发展深海褥软底质环境行走技术的樱关研究方灏进行”丁 蹙望j 关键词：海底糟软底质，集矿机履烤，齿赢分层布置，改 遗 a b s t r a c t c r a w l i n gt e c h n o l o g y o n s u p e r w e a k m a r i n e s e d i m e n ta n d g r o u s e r sf r a m eo fc h i n e s es e a - b e dm i n e rp r o t o t y p ef o rd e e p s e a p o l y m e t a l l i cn o d u l em i n i n g i sf i r s t l yp r e s e n t e di nt h i se s s a y t h ea u t h o rt h e na n a l y z e dt h em o t i o no fg r o u s e ra n dd y n a m i c s o f l i n e a r 蠢ia n d 趣r n i ! 毽m o t i o nw h e n t h em i n e ri sc r a w l i n go nt h e o c e a ns e d i m e n ta r o u n ds u c hp r o b l e m sa sd i s t u r b a n c et os e a b e dw h e n g r o u s e r sa c t i n gw i t hs e d i m e n t , e n o u g ht r a c k f o r c ef o rl i n e a rp u l la n d t u r n i n gm o t i o n ；b a s e do nr e l a t e dt h e o r i e so ft r a c k e dv e h i c l ea n d r e s e a r c hc o n c l u s i o n so ng r o u s e ro fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l s c h o l a r s ，r e l a t i o n s h i po fg r o u s e r sp a r a m e t e r s ，t h ew h o l ev e h i c l e s d i m e n s i o n sa n dp a r a m e t e r so fm a r i n es e d i m e m sa r o u n dt h ev a l u e t a k i n go fg r o u s e r sp a r a m e t e r sw h e nd o i n ga l le n g i n e e r i n gd e s i g n w a se l i s c u s s e d 。 a 1 1a sab a s e ，t h ea u t h o rt h e np u tf o n v a r ds o t n ei m p r o v i n g m e a s u r e st ot h em i n e r sg r o u s e ra c c o r d i n gt ot h eb e h a v i o ro fs e r i a l t e s t sd u r i n gt h e “n i n e - f i v e ”p r o g r a m ，t h e s ei m p r o v e m e n t sm a i n l y i n c l u d et h ea d j u s t i n go ft h ei n s t a l l a t i o na n da r r a n g e m e n to fg r o u s e r , a n dt h e c h a n g i n g o fd e t a i l d e s i g nv a l u eo fg r o u s e r sf r a m e p a r a m e t e r s i 魏t h ep a r to ie x p e r i m e n t a t i o n ，t a l ea u m o ra e s i g n e aat e s t a p p a r a t u sa n dc a r r i e do u ts o m eb a s ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so f g r o u s e r ss h e a rb e h a v i o r 泌s o i l 州娌as i m u l a t i n ge n v i r o n m e n to f t h em a r i n es e d i m e n ti np o l y m e t a l l i cn o d u l ea r e a , t h e s er e s e a r c h e s h a v ed i r e c tr e f e r e n c et ot h ee n g i n e e r i n gd e s i g no fg r o u s e r , a n da l s o i m p o r t a n tt of u _ 曲e rr e s e a r c h a sac o n c l u s i o n t h ea u m o rp u tf o r w a r ds o m es u g g e s t i o n st o 俄e m i n e r si m p r o v e m e n ta n dr e f i n i n g , a n da l s ot ot h ee n g i n e e r i n g d e s i g no f m i n e r sg r o u s e r , l a s to fa l l ，t h ea u t h o rc a r r i e do na l lo u t l o o k t o w a r d ss t u d y i n gd i r e c t i o no fd e v e l o p i n gt h et e c h n o l o g yo fc r a w l i n g o ns u p e r w e a km a r i n es e d i m e n ta n do t h e rt y p e so fs e a - b e d k e yw o r d s ：s u p e r w e a km a r i n es e d i m e n t ，g r o u s e ro fs e a b e d c r a w l e rb a s e dm i n e r , d i f f e r e n tl a y e rg r o u s e r s ，r e f i n i n g 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果，据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得长沙矿 山研究院或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。 作者签名：丁亡叶-签字日期：o 年7 月j 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解长沙矿山研究院有关保留、使用学位论文的规定，即： 长沙矿山研究院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 保密( ) ，在年解密后适用于本授权书。 本学位论文属于 不保密( 。 作者签名：10 1 二 导师签名： 南黼 签字日期：年7 月3 日签字日期：口；年7 月日 硕士学位论文集矿机履凶的设计研究 1 1 课题研究背景 第一章前言 矿产资源是自然资源的重要组成部分，是人类社会发展的重要物质基 础。目前，仅我国而言，就有9 2 以上的一次能源、8 0 的工业原材料、7 0 以上的农业生产资料都直接来自于矿产资源“1 。随着全球人口的增长和社会 经济的高速发展，人类对各种矿产资源的消耗会不断地增大，许多陆地矿 产资源将日趋枯竭，这种局面势必严重制约着人类的持续发展。在保护资 源、合理利用资源、寻找可替代性资源成为全球可持续发展战略重要方向 的同时，人们也逐步把目光转向离我们最近的海洋。 众所周知，海洋区域面积占地球表面积的7 1 ，与其相比，陆地仅占 2 9 ，面积不过1 4 6 亿平方公里脚。海洋中，特别是位于国家管辖海域以外 的国际海底区域。1 蕴藏着大量丰富的矿产资源，如大洋多金属结核、富钻结 壳、热液硫化物等，其储量巨大，足以满足人类在可预计未来的需求旧。因 此，勘查、开发和利用这些自然资源对人类社会的持续发展有着重大的意 义，而这对于发展中国家则更具战略意义。 经联合国批准，我国于1 9 9 1 年3 月5 日在国际海底管理局和国际海洋 法法庭筹备委员会登记注册为国际海底开发先驱者，成为继印度、苏联、 法国、日本之后的第5 个登记的深海采矿先驱投资者，并在国家管辖范围 外的国际海底区域分配到1 5 万平方公罨的开辟区。1 9 9 9 年3 月5 日，在完 成开辟区5 0 区域放弃义务后，中国大洋协会为我国在上述区域获得7 5 万 平方公里具有专属勘探权和优先商业开采权的多金属结核矿区，拓展了我 国战略资源的储备总量。从“八五”开始，国家部署了围绕多金属结核、 富钴结壳等大洋矿产资源的勘查、开发技术的课题研究工作。当前，又将 天然气水合物开发技术、大洋金属矿产资源海底集输技术等列入国家中长 期科技发展规划”，预计在“十一五”期间，我国将进一步加强对大洋矿产 资源的勘探、开发技术的研究。 海洋的开发和利用，特别是大洋矿产资源的开发和利用，直接依赖于 海洋工程技术和海洋高技术装各的发展。世界上许多发达围家早在2 0 世纪 7 0 年代就开始了对大洋矿产资源的探索性开采，同时也十分注重深海工程 技术的发展和积累工作。 硕t 学位论文 集矿机履齿的设计研究 我国自“八五”起步，开始对大洋矿产资源勘查、开发的一系列项目 进行研究工作。其中，资源开发方面重点对采矿项目的采矿系统进行了研 究，形成了大洋多金属结核采矿系统总体方案，并研制出集矿机、输送泵 软管样机。采矿系统总体方案经过。九五”末期的样机实验室联调和2 0 0 1 年1 3 0 m 水深的湖上试验，其可行性得到了证实，但要进行海上实地试验， 还需要水面支持系统等众多的辅助条件，同时集矿机样机也还需要做进一 步的适应性改进与完善。 1 ，2 课题的提出 在我国的大洋多金属结核采矿系统总体方案所确定的技术体系中，海 底作业技术( 行走和采集) 是一项重大的支撑性技术，是将来采矿活动的 前提和基础。其中，海底的行走和陆地行走有很多相似之处，可以借鉴陆 地上的诸多方式，如轮式、履带式、链轨式、步行式等，但由于海底极端 的高压环境、特殊底质条件以及现场实地试验的难度等原因，我国对海底 行走技术的研究尚处于探索和不断提高的阶段。 海底情况较为复杂，海底底质也不单一，但大洋多金属结核的主要分 布环境基本是一致的，为稀软型底质“。“1 。在大洋多金属结核开采技术项 目的相关课题研究工作中，经过行走机构的选型对比试验，确立了履带行 走的技术方案。在扩大试验阶段，还对履齿的形状进行了一定的试验工作， 并据此对大洋多金属结核采矿集矿机履带行走机构的履齿进行了初步设 计。 在我国的大洋多金属结核开采环境下，履带行走技术的关键问题是承 载和行驶( 包括直线行驶和转向) ，“九五”末期实验室的一系列试验和综 合湖上试验表明，集矿机的行驶性能有待加强。一般来讲，履带车辆行驶 性能主要受到底质条件和行走机构本身醣个方面因素的影响。由于海底底 质条件于变万化，难以有效控制和避免，因此，在不改变集矿机履带的总 体尺寸和平均接地比压的前提下，寻求车辆着地元件( 履带板、履齿) 的 合理结构参数，充分发掘潜力，是提高集矿机附着力、保证它可靠地进行 海底作业的一种有效途径。 本课题就是基于上述背景而提出的，它直接来源于大洋专项“十五” 课题“集矿机的改进与完善”，并将结合“十五”阶段集矿机样机的综合性 能试验展开试验工作。 2 硕十学位论文集矿机嗄府的最计研究 1 3 本课题主要研究内容 履齿与海底稀软底质的作用是一个十分复杂的问题，针对稀软海底条 件进行履齿的工程设计也是一个有相当难题的问题。本课题的主要工作是 结合海底采矿环境，对我国大洋多金属结核采矿集矿机履齿的设计进行研 究并进行改进探讨，以期能逐步改善履带行走机构在海底的行走性能，为 大洋多金属结核采矿集矿机的改进与完善，以及进一步发展深海行走技术 打下基础。 大洋多金属结核采矿集矿机在海底进行行走作业时，必须具备良好的 牵引特性，对于一定结构的履带车辆，这取决于因下陷而带来的各种外阻 力与有效驱动力( 此驱动力只有在附着力足够时才能发挥出来) 的平衡情 况，因此与对附着力有较大影响的履齿高度、相邻履齿问的间距等因素密 切相关：同时，基于作业的需要，集矿机应能转向，而集矿机的转向性能 也与履带行走机构特别是履齿形态参数( 高度、宽度、截面形状等) 有着 重要的关系；考虑到装有履齿的集矿机在海底作业时，对稀软海底底质泥 层会形成直接的扰动、破坏，这将影响到深海底局部环境及生物多样性， 因此，还必须把履齿在运行中的这种扰动降低尽可能轻的程度。总之，合 理的履齿结构参数是进行履齿设计研究和改进设计时需要考虑的一个重要 问题。 本文将在对上述问题以及与履齿工程设计相关的其他问题初步分析的 基础上，对现有履齿进行改进，并通过设计的试验装置，在模拟海底底质 条件下，对履齿的剪切情况进行初步的定性分析与研究，为合理履齿的设 计积累经验。 1 4 课题研究意义 履齿是大洋多金属结核采矿集矿机与结核资源赋存的稀软底质直接的 作用元件，是集矿机获取行驶附着力的直接来源，合理的履齿结构参数对 于履带行走机构的行驶性能的发挥有着至关重要的作用，是行走技术的重 要组成部分，是大洋多金属结核采矿集矿机采集作业功能实现的保障。因 此，本课题的研究对于集矿机的改进与完善有着直接的意义。 由于涉及到和底质的相互作用，进行履齿的工程设计需要考虑一些关 键因素，也需要简化或忽略一些次要因素，本文的研究将有助于海底稀软 底质条件下履齿工程设计方法的进一步探讨。 3 颂 学位论文 集矿机覆齿的设计研究 本课题的研究将同时有助于稀软海底行走技术的发展，对海底其他底 质条件下的行走技术也有着比较和参考的意义。 1 5 履齿( 刺) 的研究现状 履齿( 刺) 作为履带行走机构的着地元件，是保证履带车辆在特定地 面条件下( 非硬路面上) 发挥附着性能的一项有效措施，同时还能增加履 带行走机构作业时的稳定性o “3 。 履刺与土壤的作用是一个复杂的技术问题，属于车辆一地面力学研究的 范围。由于土壤的特殊性( 复杂的本构关系、弹塑性、流变、触变特性等) ， 与土壤的作用涉及到履带车辆力学、车辆地面力学、弹塑性力学、流变力 学、接触力学，土壤力学、散体力学、泥浆动力学、饱和土动力学，粘滞 性流体力学、流变学等各种有关的理论知识，直以来，尚没有一种方法 能够彻底地解决车辆一地面力学的问题。因此，很多围绕履刺的研究都是基 于经验方法和半经验方法，并在大量的假设和简化条件下来进行的，但这 些工作为后续的研究指明了方向，为地面一车辆力学相关问题的研究打下了 坚实的基础。 苏联学者a c 安东诺夫嗍1 9 4 9 年在分析履带着地与地面的附着力时， 结合a a 克尔日维茨基的沙质土壤试验数据，指出在履带行驶机构速度很 低时，履刺对附着系数的影响很大，而车辆速度较高时，则不宜有较高的 履刺，因为高履刺对车辆的动力性有不良的影响。 美国的b e k k e r 博士曾就履带车辆的总牵引力的问题做过理论上的分析 队“4 ，他认为履带附着力产生的根本原因是土壤的剪切强度，并采用土 壤剪切的一般理论即库仑一莫尔公式( 卜1 ) ，针对纯磨擦性和纯粘性两个理 想状态的土壤进行了履带最大牵引力的预测，具体预测式为式( 卜2 ) 。 f = c + 万t a n h = a c + w t a n 盘 其中，f 一土壤的剪切应力； c 一土壤内聚力； 伊一土壤的内摩擦角： j 一土壤在履带车重量作用下，在垂直方向的应力： 肛履带的最大附着力； 履带的着地面积； 肛履带车辆的重量。 4 ( i - i ) ( 卜2 ) 硕士学位论史 壤矿机程塌的设计研究 对于纯摩擦性土壤( c = 口) ，车辆的总牵引力由i i = 耽棚伊预测，履带车 辆的牵引力只与车辆的重量w 相关，车辆越重，产生的牵引力就越大，而 与履带的尺寸( 包括履刺的结构参数) 以及车辆的悬挂系统的设计基本上 没有关系，这与国内许多学者针对干砂性土壤上的履刺效能试验结果是一 致的。 而对于纯粘性土壤( 矽= o ) ，牵引力可由= a c 进行预测，牵引力只与 接触面形状和大小有关，当履带板的履刺形状和尺寸改变时，面积爿在土 壤中的位置虽然依靠履刺的高或低而决定，但接触面积大小并不发生变化， 因此履刺的形状和尺寸对最大牵引力基本上是没有影响的，但他同时也指 出履刺设计所引起的次要作用仍不能忽视，并就因履刺高度形成的侧面剪 切带来的附加牵引力做了进一步的分析，最后认为对粘性土壤，履刺能有 效地改善履带车辆的行驶性能。 加拿大的黄祖永教授认为b e k k e r 关于驱动力的计算式( i - 2 ) 只能用于 预测履带车辆的最大驱动力，要评价车辆的性能，还必须考虑由履刺的剪 切位移形成的剪切应力，也就是要考虑驱动力和滑转率之间的关系，并在 一定的简化条件下推导出驱动力和履带接地长度、地面参数以及车辆滑转 率之间的函数关系“。 其他对履刺做过研究的还有加拿大的r n y o n g 、日本的t o m i oi t o 、 s h u n w h ic h o 、n o b u t a k ai t o 等。r n y o n g 主要对三种不同截面形状的履 刺与土壤作用时形成的土壤变形和滑动破坏面的形状进行了研究“”。t o m i o i t o 主要对一个履刺时的滑动破坏面形状和驱动力问题进行了分析并开展 了试验研究“”，s h b i 、i w h ic h o 对履刺的间隔效应及间隔履带技术进行了研 究“”。n o b u t a k ai t o 对单履带原地绕其几何中，1 1 , 转向时留在地面的轨迹进 行了分析，并对转向阻力矩进行了推导“”。他从转向阻力矩的角度提出了 基于减少履带与地面作用时推移土壤面积的履刺设计概念。即通过在覆带 板宽度方向挖出一些三角形问隙，将履带转向时的留在地面的圆形轨迹变 为圆环形轨迹。 我国北方车辆研究所的张克健教授在b e k k e r 博士关于履带车辆牵引力 及履刺附加作用力和黄祖永关于滑转对牵引力的影响等观点的基础上“， 针对履带车辆履刺效应做了大量的研究与试验工作，并对履带扳作用下的 砂土进行了非线性有限元分析啪1 ，还通过某型坦克的履带板反装与正装的 对比试验，得出加载方向对履带板在砂中所能发挥的牵引力有着重要影响 的结论，由于在他所试验的履带板在正向或反向加载条件下，可以视为履 刺形状完全不同的两种履带扳，因此，这也间接地说明履刺形态对坦克履 碗 学位论文 集矿机履c 灯的设计研究 带驱动力的发挥有着相当大的影响。他还对履刺与砂土作用的有限元分析 中的力学模型进行了深入分析n “。 我国的王健刚教授就履刺宽度方向的形状对履带拖拉机切线牵引力的 影响做了研究，通过对履刺宽度方向形状改变( 类似于轮胎的人字花纹 形状) 时的受力分析，他认为此时履带拖拉机切线牵引力由摩擦力、挤压 剪切力、边缘剪切力、履刺摩擦力4 部分组成，并通过受力分析推导出一 个通用计算公式，根据此公式求得履带拖拉机在轻粘土上工作时，其“人 字形”履刺中线一侧履刺与中线的夹角为8 0 0 ，此时对应的切线牵引力比宽 度方向为直线的履刺提高约2 5 6 。 我国的杨超珍应用极限平衡的方法，探讨了矩形截面大履刺履带在湿 软地作业时的下陷性能。1 ，通过对履带的试验验证，建立了大履刺履带下 陷与履带板参数问的函数关系，为大履刺履带的下陷估计和参数优化提供 了依据。杨超珍等人还对大履刺履带的推力特性和机制进行了研究矧，通 过改变履带板的间距、间隔和履刺的厚度和高度等四个因素进行了3 水平 的矩形截面履刺履带在粘性土壤中的正交试验，详细分析了履带的结构参 数对推力的影响和作用，发现履带板履刺的高度、履刺厚度和履带扳间距 对履带扳的推力的作用显著，这为履刺参数的研究指明了方向。 中国石油大学( 北京) 的俞国忠针对两栖车辆在低承载能力的滩海淤 泥地带提供大牵引力的问题，对履带板的具体结构展开过深入研究渊，他 通过改变已有两栖车辆等比压的做法，把已有两栖车辆的履带板由直线平 面改变成为阶梯平面，从而实现随着地表承载能力的降低，履带板与地面 的接触面积随下陷深度的增加而加大，直至整个履带板全部接地，到达最 小接地比压。由于变比压履带板面不在同一高度，部分履带板可伸到承压 比较高的土层里，这样比只在表层的等比压履带板可获得更大的附着力。 同时，在其试验的变比压履带板上设计有锄板式高履刺，因此，随着沉陷 的加大，履带板接地面积增加，履刺插入土层的深度也随之增加，能够直 接利用剪切强度较大的土层，以获取更大的附着力，进而使大牵引力的实 现成为可能。 在大洋采矿领域，以履带式自行作业车作为大洋多金属结核采矿车的 技术方案为众多国家和深海采矿投资实体所采纳，由于大洋多金属结核主 要分布在承载能力极弱的稀软海底底质表面，所以面临一个软地面行走技 术问题，其中一项有意义的工作就是对履齿( 刺) 的问题进行分析或研究。 “九五”期间，我国的大洋采矿项目课题“履带式自行作业车的研制” 6 顽t 学位论文 囊矿机履凶的设计研究 在海底作业车行走机构选型的扩大试验中曾在国外研究情况。1 的基础上， 对履齿进行过大量工作。具体的试验”1 是针对土壤抗剪强度、车辆接地比 压、履带齿节距、齿高对履带板的动静态压陷的影响，土壤抗剪强度、接 地比压、履齿形状、履带齿节距、履齿高度对单位剪切力的影响这两个问 题展开的，对不同形状的履齿( 其中，渐开线( 5 个) 、厚三角( 1 个) 、尖 三角( 2 个) ，共8 个) 在无水状态的模拟海泥中进行了7 2 次试验，并据此 试验结果确定了履带行走机构履齿的选型及初步的设计尺寸。 韩国海洋工程和船舶研究院的s u ph o n g 等人也围绕稀软海底沉积环境 下履带行走机构的技术问题对履齿展开过研究。1 。他们在模拟海底稀软底 质的中，选择了两种形状不同的尺寸系列( 尖三角截面直扳型9 个、矩形 截面横向入字形9 个) 的履齿进行了沉陷和牵引力的对比试验，他们总结 试验结果后认为，牵引力和滑动沉陷是紧密相关的，高牵引力和低滑动沉 陷问题的解决有赖于合适的履齿形状和履齿高度。 综合来看，对适应于软地面的履齿结构参数的确定方法及相关问题的 全面的分折和研究比较缺乏。 l 7 硕t 。学位论文 集矿机履浅的设计研究 第二章集矿机行走作业技术方案与履齿结构 2 1 中国大洋多金属结核矿区行走作业环境旧枷 ( 1 ) 海流 我国矿区表面流以东向流为主，平均流速0 1 7 m s ，属赤道逆流；底层 流的流向主要取决于地形，以西北流居多，平均流速0 0 1 o 1 m s 。局部 地区流动状态受地形和海潮影响。 ( 2 ) 海底地貌 太平洋海底为沉积物覆盖的海山群，海底起伏一般小于l o o m ，个别达 2 0 0 m ；我国矿区大部分属海底丘陵，分布有少数海山，丘陵带，可采区坡 度小于5 。，局部存在一些障碍如颦沟、礁石和可能使车辆陷入的坑穴。 ( 3 ) 海底底质( 表层沉积物) 根据我国多年对大洋多金属结核赋存区底质工程性质的勘查资料，赋 存结核矿的海底沉积物主要以硅质粘土和硅质软泥为主，约占9 8 。沉积物 厚度大于7 0 0 r e ；沉积物密度为1 2 1 5 t m ，粒径通常为0 0 0 1 0 1 m m ： 沉积物表层呈半液化态，含水量极高，约为5 0 0 2 2 0 ，深度超过1 5 0 m m 时保持在2 2 0 左右： 我国开辟区东、西环境试验区海底底质在土工物理性质方面总的特点 的是高含水量、大孔隙比、高液限、高压缩性、高灵敏度、低重度、低抗 压强度、低剪切强度、低承载力、无动力强度。与陆地粘性土、新沉积粘 性土、沿海淤泥质土相比，我国矿区底质土壤在物理性质方面，含水量是 其他土的5 1 2 倍，孔隙比是其他土的4 1 0 倍，塑性指数是其他土的3 6 倍，液性指数是其他土的2 5 倍；在底质的土力学性质中，压缩模量是 其他土的1 5 1 1 0 ，内聚力是其他土的1 5 1 1 0 ，内摩擦角是其他土的 l 2 1 8 ，承载力是其他土的1 4 l 1 5 眦捌。显然，对于履带车辆行走作 业而占，多金属结核赋存的海底底质环境比陆地软地面更为恶劣。 值得一提的是与附着力获取密切相关的海底底质抗剪强度特性。根据 “大洋一号”在1 9 9 8 、1 9 9 9 年的航次中利用海底原位测试系统对我国矿区 海底沉积物土工力学特性的原位测量结果1 ，总体而言，海底沉积物抗剪 强度随着深度的增加而有所增加。在不同测线上，我国矿区6 0 0 0 m 左右深 海底沉积物表层在1 5 0 1 8 0 m 处平均剪切强度达到一个较稳定的值( 约为 碗十学位论文 集矿机履痴的搜汁研究 6 k p a ) 如图2 1 所示，现有集矿机行走机构结构参数就是以该值为基础确 定的。 图2 - 1 我国矿区海底底质沉积物剪切强度 2 2 集矿机行走作业技术方案 f 凰 蝰到 海底行走作业是大洋采矿系统关键性技术之一，它要求行走机构在承 载其他相关部件的总量的同时，在稀软的海底上具有良好的通过性和行驶 性能，并要尽可能的保护海底环境，使行走作业对海底的扰动最轻。 2 2 1 集矿机的行走机构 自7 0 年代至今，国际上已开发和试验了多种集矿行走方式，主要包 括拖曳式、螺旋桨式、阿基米德螺旋式和履带自行式四大类型瞰“瑚。 拖曳式是由海面采矿船上的钢绳牵引，结构简单，对海底扰动和破坏 小，但不便于控制，避障困难，不能准确的按预先确定地开采路线行走， 采集效率低，回采损失大。 螺旋桨式结构简单，但牵引力小，能耗大，对海底破坏严重，甚至将 邻近采集路径内的结核矿石吹走或埋入沉积层内。 阿墓米德螺旋式结掏较简单，但螺旋线凹槽易被沉积物敷住，行走打 滑严重，转向比较困难，对海底的扰动也较为严重。 履带自行式牵引力大，承载能力高，跨越或绕过海底障碍容易，对海 底扰动较小，操纵性和可行驶较好，原理上能满足稀软海底集矿作业要求。 9 颂p 学位论文集矿机程齿的醍计研究 “九五”期间，大洋项目集矿子系统相关课题以阿基米德螺旋式及履 带自行式行走机构作为重点进行了选型扩大试验，试验发现，在考虑承载、 下陷、扰动等因素的基础上，履带式行走机构优于阿基米德螺旋式行走机 构。同时，作为“八五”技术方案的继承与发展，“九五”期间的大洋多金 属结核采矿系统采用履带行走作为行走技术方案。 根据该方案确定的履带行走机构如图2 - 2 所示，它主要由履带架、驱 动轮组、从动轮组、支重轮、托轮、履带环( 包括履带扳、履齿、内链板、 链板耳座、销等) 以及张紧装置等组成。 图2 - 2 履带行走机构结构图 2 2 2 大负荷承载与牵引的实现 履带行走机构主要是作为一个承载平台搭载采集装置、液压和电控系 统、输送组件等，并在预定海底作业区域按照一定的规划轨迹行驶，从而 实现集矿机对赋存于海底底质表层的多金属结核资源的采集。 深海底质泥层的抗切强度低，承载能力极差，这要求行走机构具有较 小的设计接地比压。根据我国大洋底质泥层原位测试的相关数据及大量的 实验室试验，针对我国矿区的平均抗剪强度为6 k p a 的泥层，现有集矿机行 走机构的设计接地比压为5 k p a 啪】。 通常，行走机构的平均接地比压计算方法为： 平均接地比压= 整机水下重量机器接地面积 为了达到预定的接地比压，最直接的方法是对集矿机的水下重量和接 地面积两个因素进行控制。合理选材和配备高强度的深水浮力材料是对集 矿机进行水下重量控制的措施，同时，根据履带车设计的经验，在考虑转 向等问题的基础上对履带着地长度和宽度进行优化设计，从而取得合适的 接地面积，实现预定的接地比压，进而实现大负荷的承载。 在牵引方面，采用了液压系统为动力，驱动轮后置，履带上布置尖三 角履齿的方式。运行时，驱动轮通过齿一链啮合的方式将动力传递给履带环， 履带环依靠固联于履带板上的履齿与海底泥层产生剪切，获取附着力，使 驱动力正常发挥，并克服行走机构的各种运行阻力，实现各种预定工况下 硕 学位论史 壤矿机程f l 的设计研究 行走机构的行走及转向功能。 2 3 集矿机现有履齿 在履带环中，履带扳、履齿、内链扳、链板耳座以及连接销的安装关 系如图2 3 所示。一条履齿和两块履带扳连接在一起，链板耳座和履带板 用螺栓固定，内链板通过销轴和链扳耳座连接构成履带链。 图2 - 3 履齿和履带板的连接图2 - 4 覆齿端面 履齿的截面为尖三角形，如图2 4 ，宽度方向为直板式，同时，按间隔 在每根履齿侧面的中部位置布置有防侧滑的防滑片。 履齿的主要参数情况如下： 履带扳( 齿) 节距2 0 0 姗 履齿高 1 3 0m i l l 履齿宽度 1 7 0 0m i l l 履齿驱动面倾角1 3 5 。 现有履齿结构型式主要基于“九五”期间的实验室试验情况选定，其 主要参数则是通过初步的计算得到。 硕卜学位论史 集矿机喱齿的设计研究 第三章基于运动学的履齿设计要素分析 早在1 7 7 0 年人们就发明了履带，履带作为一种特殊的行走装置，它可 以看作是车辆自身携带的可移动道路，当车辆前进时，它可以连续地在车 辆静面铺开，供车辆在其上通过，然后再由车辆自身收回。从某种意义上 讲，履带行走机构是轮式车辆的一种。 本文将涉及的海底履带行走机构主要由驱动轮、被动轮、履带架、履 带、支重轮、拖轮等组成( 见图2 2 ) 。履带由履带链闭合而成，常被称为 履带环，履带环的具体形状取决于主动轮、从动轮、支重轮、拖轮及导向 轮的相对布局位置。根据工作状态时的受力情况，可将履带环分为自由支 承( 自由悬置于拖轮之间的部分) 、弧形支段( 位于拖轮及支重轮上的部分) ， 支持支段( 支持在地面上的部分) ，其中被牵引力拉紧的自由支段为工作支 段，由于此海底履带行走机构采取动力后置的方式设计，故运行时，在下 文图3 2 中画有履齿的部分为工作支段。 在大洋多金属结核采矿集矿机上，履齿是履带环上的一个重要组成部 分。在运行过程中，履齿和履带环上其他组件一样具有绕履带架的运动， 由于履齿又是整个履带车辆及履带环的直接着地元件，它同时将和地面发 生作用，履齿的运动会在稀软海底形成齿槽。如果履齿设计不合理，将造 成不必要的扰土作用，过多的扰土作用既要消耗驱动系统的功率，又将造 成对海底环境的过度破坏，影响到底质的重复通过性和底栖生物的生存环 境，因此要尽可能地避免。 本章拟从运动学的角度，对与履齿设计密切相关的问题进行初步的分 析，试图找到一些覆齿设计要素的限制或制约条件，为履齿结构设计及结 构参数的确定提供直接的依据。 3 1 履齿的不等速运动 履带行走机构的行驶运动是通过驱动轮不断卷绕履带环而实现的，当 驱动轮卷绕起后方履带时，引导轮把被卷绕的履带铺设到前方地面，履带 架及其支撑的车体则借助支重轮沿着履带轨道向前运行。履带行走机构能 够克服各种阻力而向前行驶，是由于驱动轮卷绕履带时把拉力通过履带扳 和履齿传递给了地面，同时，地面对履带的反作用力又通过履带接地段和 硕t 学位论文 集矿机嗄凶的设计研究 驱动轮作用到车体上，驱使车体以支重轮沿着履带轨道滚动。若忽略履带 的伸长且认为履带相对于地面无滑动，则履带沿水平方向卷入或脱出驱动 轮的速度，就是履带行走机构的行驶速度。 在实际设计工作中，为了简化分析，人们通常把履带行驶机构的运动 看作是匀速的。事实上，由于履带环一股采用铰接并存在一个节距，履带 环在驱动轮上的卷入和脱出是一个多边形卷入和脱出过程，履带环沿水平 方向卷入或脱出时的运动速度是不均匀阻“的。 如图3 - i 所示，履带行走机构空转状态下，驱动轮以等角速u 旋转而 卷动履带，在履带板的铰销a 从坐标轴上角舻。的位置转到角p 。位置的过程 中，铰销a 的速度u 在水平方向的分量为： 扩，= c o s ( p 0 一矽) = 矿s i n 其中，。一铰销a 在水平方向的速度分量； 矿一铰销a 的实际运动速度： 矽一铰销a 在履带板卷入驱动轮的过程中所转的角度。 可见履带卷入或脱出驱动轮时的水平速度v 。是随转角矽变化的个函 数，并以矿。为周期，在矽= 矿。和矽= 矽。时有最小值，而当口, - - 9 0 。时，有最 大值： u o i n = r l c o s 导= r 口。= r 口 其中，为铰销运动轨迹半径，r 是驱动轮节圆半径。 y 。ox 壁 n 一7 二二7 r 一一 。b 修衿j 1 | | 、厂 ! ， 。、 汉? 。 l ， 、? 、 一一 誓 、 、 日 图3 _ l 履带板铰销与驱动轮啮合过程示意图 硕i 学位论史 集矿机疆齿的搜计研究 在驱动轮每转过一个矽。时，就有一块嗄带板被卷入，这时由于履带板 与轮缘表面贴合而发生一次冲击。因此，履带式行走机构的运动，是一种 带有冲击并作周期性变化的不等速运动。 履带行驶机构运动的不均匀性可以用不均匀性系数表示溯： ：鱼：星 口m n 以链节的节距z 表示r 时，有： 她孵 =( 3 一i ) 可知，履带行走机构的不均匀性系数与履带环链的节距和驱动轮的半 径有关，链条节距愈小及驱动轮的半径愈大，则车辆的行驶愈均匀。按照 一般的设计规则，通常对于链节较小的履带行驶机构，系数b 在1 0 1 5 1 0 4 的范围内，在链节较大的履带行驶机构中，此值有时达到1 3 。 由于履齿和履带板通常都是固联或直接做成一体的，着地段履齿同样 具有这种运动的不均匀性，并且它能将这种不均匀性直接传递到海底稀软 地面上，可能使海底底质土壤的压实程度和应力应变特性发生改变，从而 直接影响驱动力的有效发挥。因此，在履齿设计时，应尽量选择合适的系 数6 ，以减小这一因素的负面作用。 3 2 履齿的滑转运动 y ”。 前进) 向 厂”弋 + a 一 父 图3 - 2 履齿在海底沉积物泥层上滑转运动示意 如图3 2 所示，集矿机在稀软海底行驶时，前面的履齿不断的嵌入海 泥，后面的履齿连续不断脱出海泥。脱出时，履齿将切割和破坏海底底质， 当后面的履齿破坏海底底质而脱出时，由于驱动轮对履带有拉力作用，这 1 4 硕学位论文 燕矿机程街的设计研究 将使所有的履齿挤压海底底质而产生一个位移j ，而且每脱出一块履带扳， 就使底质土壤产生一次变形量j ，运行中，这种推移在履带着地全长内，由 前向后是成比例增长的，处于最后方的履齿滑转位移达到最大这就是履 带及履齿的滑转运动( 图3 - 2 ) 。 集矿机行走机构运行时，履齿的滑转运动将使集矿机的实际行驶速度v 将小于理论行驶速度，假设，为履带相对地面的滑转速度，则： d 2 # r p i 通常用滑转率i 来表示履带相对地面的滑转程度，即履带车因履带滑 动而引起行程与速度的损失，滑转率可按下式计算： f ：互：! 兰：1 一， t 3 2 ) 口r# r ? 式中，i i ：履带的滑转效率。 显然，每根履齿在滑转运动中相对于土壤的滑转位移可以用滑转率i 和它相对于最前面刚进入土壤但尚未开始剪切土壤的履齿的位置l 来表 示， j = i i( o l 。sl ) ( 3 - 3 ) 其中，l 为履带着地全长 由于集矿机在海底行走存在一定的滑转率，每根履齿相对地面有j = i 厶的滑动距离，这个滑动距离其实也就是每根履齿对与其驱动面接触的底质 土壤产生的挤压变形，因而对整个履带行走机构而言，履齿底部实际的底 质土壤抗剪面积的将有所减小 3 3 履带行走机构履齿运动轨迹与齿槽的形成 集矿机履带行走机构及履齿的简化示意图( 只画出下方履齿) 见图3 3 ， 以驱动轮轮心为原点，取过驱动轮轮心的水平直线为x 轴，取履带环平面 内过驱动轮轮心初始位置并与地面垂直的线为y 轴，取三角履齿齿顶( 顶 点或顶平面) 为分析对象对履齿的运动轨迹进行分析。 图3 - 3 履带环简图 履带空转时，履带环在驱动轮的作用下，不断地被卷入和卷出，任一 硕t 学位论丈 集矿机嗄齿的设计研究 履齿运动所形成的轨迹与履带环具有相同的形状，只是轮廓稍大，如图3 3 中虚线所示，这时的运动也就是履齿对机架的相对运动。 当集矿机行走在稀软海底时，由于海底底质土壤在履齿的作用下的变 形过程极为复杂，很难用简单的数学表达式来描述，因此，假定海底底质 一经被移动，就将停留在它所被移至的位置。事实上，现在很多对土壤行 走机构的运动分析都采用了这个假设，而且它可以在可信的精麦范围内满 足计算需求。此时，集矿机及其履带行走机构整体多了一个运动速度，该 速度是履齿( 履带环) 同车体的牵连速度。由于海底底质对履齿运动趋势 的阻止，履齿存在一个压入、停留( 包括滑动) 、脱出海底沉积物泥层的过 程。按照上述的坐标选取，取履带板与海底底质土壤的接触面为集矿机履 带行走机构与底质的承载面和分析的基准面，根据运动叠加原理，此时的 履齿运动轨迹可分为三段进行描述。 1 ) 履齿在导向轮前方区段运动时 履齿在该区段时，又可分为两段进行考虑，一段是与履带齿相连的履 带板处于倾斜支段，从履齿顶点接触到承载面至履带扳和导向轮接触，一 段是履带板进入导向轮至转至导向轮正下方这一区段。 在倾斜支段时，履齿的运动为随行走机构前进和沿倾斜之段向下的合 成，可得到履带齿对地沿x 方向的速度和y 方向的速度，由位置点的叠加， 可得出履带齿的轨迹。如图3 - 4 所示，以履齿顶点为与地面刚刚接触时的 点为原点，可得履齿顶点在该区段运行时的位移，显然履齿顶点在该区段 的轨迹将是一段直线，代入具体数值后求得实际轨迹为下文图3 6 中o a 段。 x = l v i l i ) 一v c o s 学1 t y = 一v s i n8 t 其中，8 为履带环接近角，v 驱动轮切线速度，i 为履带滑转率。 固3 - 4 覆齿进入沉积物泥层区段 ， 在履带板进入导向轮至转至导向轮正下方这一区段时，取导向轮轮心 为局部坐标原点，履带扳与导向轮的接触半径为r ，考虑到履齿运动的滑转 硕十学位论文 集矿机疆托的设计研究 率，以导向轮轮心的初始位置为原点时履齿顶点的位移方程为， x = r t l i ) t r l s i n m t y = ( r 七h ) ( t c o s t a t ) ) 根据该集矿机现育参数，代入8 、r 、齿高h ，求得履齿项带在该段时 轨迹为图3 - 6 中a b 段。 2 ) 履齿在导向轮正下方运动至驱动轮正下方时 在前进过程中，履带齿进入导向轮正下方，假设履带行走机构的载荷 均匀分布，接地比压恒定，此时的承载面是一近似平面，履齿在该平面内 一方面随着整个行走机构运动，一方面将沿履带环相对于履带架转动。由 于海底底质土壤的抗剪能力有限，当履带环所能获取的附着力不足时，履 带环将发生打滑，当履齿到达驱动轮下方时，其顶点因打滑而产生的位移 为s ，相应的轨迹形状近似为一直线，见图1 0 的b c 段。根据滑转位移的计 算方法，可知b c 段的长度在数值与该履齿的滑转位移的大小相等， s = v ( 1 6 ) + ( v ) j = = 一l i 矿 其中，s 为履齿在导向轮正下方运动至驱动轮正下方时的滑转位移； l 履带着地全长； 3 ) 履齿在驱动轮正下方至脱离底质土壤时 驱动轮角速度为，当量圆半径为r ，履齿中心线相对于垂直位置转过 角o ( 0 = t ) 时，以驱动轮轮心为原点，履齿顶点的位移为， x = r ( 1 一i ) 口一r s i ne y = ( r + h ) ( i c o s 8 ) 一一_ 一一_ _-一h 图3 5 履齿脱出沉积物泥层区段 根据集矿机的参数，一个履齿的顶点在从驱动轮正下方到脱离底质土 壤过程中的轨迹如图l o c d 段所示。 1 7 硕士学位论文集矿机履尚的设计研究 以上几段轨迹通过坐标变换后在同一坐标中进行叠加，可得一根履齿 顶部一点在自i i 端接触底质承载面到完全脱离底质土壤承载面时的轨迹。 下图即为利用集矿机现有参数计算所得到