低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机

1.本发明涉及海洋采矿技术领域，具体地，涉及一种低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机。


背景技术：

2.深海海底蕴藏了丰富的金属矿产资源，目前被广泛关注的包括多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、深海稀土软泥等。深海海底金属矿产资源开采是当前被广泛关注的技术领域。
3.现有公开号为cn112127893a的中国专利，其公开了一种深海自航悬浮式采集矿机，包括浮体、采集装置和导航与控制系统；浮体设为自航式潜水器；浮体下方设有采集装置，浮体上设有用于浮体和采集装置导航及控制的导航与控制系统。
4.目前已有的浮游式集矿机分为两种，一种是全悬浮的，集矿头和海底不接触，这种理念最优，但需要精确控制集矿头和海底的距离(厘米级精度)，工程实现难度大；另外一种浮游式集矿机是半悬浮式，集矿头靠自重落在海底，集矿头由摆臂和浮游体连接，不需要精确控制集矿头距离海底高度，只需粗略控制浮游体距海底高度(米级精度)。集矿头落在海底，在集矿行进的时候受到海底的摩擦力，摩擦力的作用点在海底，方向向后，会使拖曳集矿头的浮游体收到较大的低头力矩，为克服该低头力矩，浮游体须启动垂直推进器去克服校正，产生额外的功耗。深海采矿是否能获利，很重要的是经济指标，采集单位重量的深海矿物消耗的能量也是评价其经济指标的重要因素。
5.因此，发明人认为需要提供一种能够降低集矿头在工作过程中对集矿机所需的功耗，且能够降低集矿机自身的推进功耗的低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机。
7.根据本发明提供的一种低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机,包括：浮游体、矿水分离装置、吸矿管组以及集矿头，所述矿水分离装置安装在所述浮游体的内部，且所述矿水分离装置的排水管自所述浮游体的尾部伸出，所述吸矿管组的两端分别与所述矿水分离装置、所述集矿头连通；所述浮游体的两侧均设置有水平舵、垂直推进器组、垂直舵以及水平推进器组；所述吸矿管组包括吸矿立管和吸矿平管，所述吸矿立管与所述矿水分离装置的矿水分离入口铰接连通，且二者的铰接轴处安装有第一角度传感器，所述吸矿立管与所述吸矿平管和铰接，且二者的铰接轴处安装有第二角度传感器；所述集矿头上设置有滑板推进器组，所述滑板推进器组推动所述集矿头行进，所述浮游体不对所述集矿头提供拖曳力。
8.优选地，所述浮游体包括浮游体主结构，两个所述水平舵对称设置在所述浮游体主结构的前部两侧，通过调整所述水平舵的舵角能够调整所述浮游体的升沉。
9.优选地，两个所述垂直推进器组对称设置在所述浮游体主结构的中部两侧，所述垂直推进器组用于辅助控制所述浮游体的升沉。
10.优选地，两个所述垂直舵对称设置在所述浮游体主结构的尾部两侧，通过调整所述垂直舵的舵角能够调整所述浮游体的航向。
11.优选地，两个所述水平推进器组对称设置在所述浮游体主结构的后部两侧，所述水平推进器组用于辅助控制所述浮游体的首向。
12.优选地，所述吸矿立管与所述吸矿平管二者的两端均为铰接接口，所述铰接接口设置有过渡软管。
13.优选地，所述吸矿立管和所述吸矿平管均包括在海水中零浮力的硬管。
14.优选地，所述吸矿立管的截面包括水滴型。
15.优选地，所述矿水分离装置包括依次连通的所述矿水分离入口、矿水分离舱、水泵以及所述排水管，所述矿水分离舱上设置有矿物出口，且所述矿物出口自所述浮游体的顶部伸出。
16.优选地，所述集矿头包括吸矿腔和滑板，所述吸矿腔与所述吸矿平管铰接连通，所述吸矿腔的高度高于所述滑板。
17.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
18.1、本发明通过在集矿头上布置滑板推进器组，通过使用水下零重量的吸矿管组，消除了集矿头对浮游体航行的力干扰，降低了集矿航行时的整体推进功耗；通过合理利用排水管的排水推进作用，进一步降低集矿机的推进功耗；通过采用水平舵控制距离海底高度，通过在低航速舵效不明显的工况下采用垂直推进器组控制浮游体的升沉，优化了垂向控制高度所需功率；通过采用垂直舵控制浮游体沿预定航线航行，通过在低航速舵效不明显的工况下采用水平推进器组控制浮游体的首向，优化航线保持所需功率。
19.2、本发明通过将吸矿管组分为两段铰接，通过两个铰接点的转动角度，可计算集矿头的前后位置和浮游体的距底高度，可不使用高度计获得浮游体距海底高度。
20.3、本发明通过采用截面为水阻力小的水滴型的吸矿立管，有效减少了集矿机航行阻力，降低航行功率消耗。
附图说明
21.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
22.图1为本发明主要体现低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机的整体结构示意图；
23.图2为本发明主要体现低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机的正视图；
24.图3为本发明主要体现浮游体的结构示意图；
25.图4为本发明主要体现矿水分离装置的结构示意图；
26.图5为本发明主要体现吸矿管组的结构示意图；
27.图6为本发明主要体现集矿头的结构示意图；
28.图7为本发明主要体现吸矿立管的截面示意图。
29.图中所示：
30.浮游体1
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矿水分离装置2
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吸矿管组3
31.集矿头4
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浮游体主结构11
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水平舵12
32.垂直推进器组13
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水平推进器组14
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垂直舵15
33.矿水分离入口21
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矿水分离舱22
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矿物出口23
34.水泵24
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排水管25
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吸矿立管31
35.吸矿平管32
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过渡软管33
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铰接接口34
36.吸矿腔41
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滑板42
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滑板推进器组43
37.第二铰接接口44
具体实施方式
38.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
39.如图1-6所示，根据本发明提供的一种低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机，包括：浮游体1、矿水分离装置2、吸矿管组3以及集矿头4，矿水分离装置2安装在浮游体1的内部，且矿水分离装置2的排水管25自浮游体1的尾部伸出，排水方向向后，排水管25的排水能产生推进作用，有助于降低航行所需推进功率。吸矿管组3的两端分别与矿水分离装置2、集矿头4连通。
40.浮游体1的两侧均设置有水平舵12、垂直推进器组13、垂直舵15以及水平推进器组14；吸矿管组3包括吸矿立管31和吸矿平管32，吸矿立管31与矿水分离装置2的矿水分离入口21铰接连通，且二者的铰接轴处安装有第一角度传感器，吸矿立管31与吸矿平管32和铰接，且二者的铰接轴处安装有第二角度传感器。集矿头4上设置有滑板推进器组43，滑板推进器组43推动集矿头4行进，浮游体1不对集矿头4提供拖曳力，没有拖曳集矿头4产生的纵倾低头问题，优化了推进功耗。
41.通过第一角度传感器的反馈可以判断集矿头的行进是否，超前和滞后，可通过调整滑板推进器组43的转速调整；通过第二角度传感器的反馈可以判断浮游体1距底高度是否合适。
42.浮游体1包括浮游体主结构11，两个水平舵12对称设置在浮游体主结构11的前部两侧，在航行时，通过调整水平舵12的舵角能够调整浮游体1的升沉。两个垂直推进器组13对称设置在浮游体主结构11的中部两侧，在航行时，垂直推进器组13用于在低航速舵效不明显的工况下控制浮游体1的升沉。在集矿距海底定高航行时，通过水平舵12控制距离海底高度，相对比使用垂直推进器，优化了垂向控制高度所需功率。
43.两个垂直舵15对称设置在浮游体主结构11的尾部两侧，在航行时，通过调整垂直舵15的舵角能够调整浮游体1的航向。两个水平推进器组14对称设置在浮游体主结构11的后部两侧，在航行时，水平推进器组14用于在低航速舵效不明显的工况下控制浮游体1的首向。通过垂直舵15控制浮游体1沿预定航线航行，相对比使用侧向推进器或双主推进器差动转向，优化航线保持所需功率。
44.矿水分离装置2包括依次连通的矿水分离入口21、矿水分离舱22、水泵24以及排水
管25，矿水分离舱22上设置有矿物出口23，矿物出口23自浮游体1顶部伸出。
45.吸矿立管31与吸矿平管32二者的两端均为铰接接口34，铰接接口34设置有过渡软管33。吸矿立管31通过铰接接口34与矿水分离入口21铰接连接，且通过过渡软管33连通，实现吸矿立管31与矿水分离入口21之间的转动自由度。吸矿立管31通过铰接接口34与吸矿平管32铰接连接，且通过过渡软管33连通，实现吸矿立管31与吸矿平管32之间的转动自由度。
46.如图7所示，吸矿立管31和吸矿平管32均包括在海水中零浮力的硬管。吸矿立管31的截面为水阻力小的水滴型，有效减少了集矿机航行阻力，降低航行功率消耗。
47.集矿头4包括吸矿腔41和滑板42，吸矿腔41与吸矿平管32铰接连通，吸矿腔41的高度高于滑板42。吸矿腔41的顶部设置有第二铰接接口44，第二铰接接口44与铰接接口34连接，且通过过渡软管33实现吸矿腔41与吸矿平管32连通，从而实现集矿头4与吸矿平管32之间的转动自由度。
48.本技术通过在集矿头4上布置滑板推进器组43，通过使用水下零重量的吸矿管组3，消除了集矿头4对浮游体1航行的力干扰，降低了集矿航行时的整体推进功耗。通过合理利用排水管25的排水推进作用，进一步降低推进功耗。通过将吸矿管组3分为两段铰接，通过两个铰接点的转动角度，可计算集矿头4的前后位置和浮游体1的距底高度，可不使用高度计获得浮游体1距海底高度。
49.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
50.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机，其特征在于，包括：浮游体(1)、矿水分离装置(2)、吸矿管组(3)以及集矿头(4)，所述矿水分离装置(2)安装在所述浮游体(1)的内部，且所述矿水分离装置(2)的排水管(25)自所述浮游体(1)的尾部伸出，所述吸矿管组(3)的两端分别与所述矿水分离装置(2)、所述集矿头(4)连通；所述浮游体(1)的两侧均设置有水平舵(12)、垂直推进器组(13)、垂直舵(15)以及水平推进器组(14)；所述吸矿管组(3)包括吸矿立管(31)和吸矿平管(32)，所述吸矿立管(31)与所述矿水分离装置(2)的矿水分离入口(21)铰接连通，且二者的铰接轴处安装有第一角度传感器，所述吸矿立管(31)与所述吸矿平管(32)和铰接，且二者的铰接轴处安装有第二角度传感器；所述集矿头(4)上设置有滑板推进器组(43)，所述滑板推进器组(43)推动所述集矿头(4)行进，所述浮游体(1)不对所述集矿头(4)提供拖曳力。2.如权利要求1所述的低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机，其特征在于，所述浮游体(1)包括浮游体主结构(11)，两个所述水平舵(12)对称设置在所述浮游体主结构(11)的前部两侧，通过调整所述水平舵(12)的舵角能够调整所述浮游体(1)的升沉。3.如权利要求1所述的低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机，其特征在于，两个所述垂直推进器组(13)对称设置在所述浮游体主结构(11)的中部两侧，所述垂直推进器组(13)用于辅助控制所述浮游体(1)的升沉。4.如权利要求1所述的低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机，其特征在于，两个所述垂直舵(15)对称设置在所述浮游体主结构(11)的尾部两侧，通过调整所述垂直舵(15)的舵角能够调整所述浮游体(1)的航向。5.如权利要求1所述的低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机，其特征在于，两个所述水平推进器组(14)对称设置在所述浮游体主结构(11)的后部两侧，所述水平推进器组(14)用于辅助控制所述浮游体(1)的首向。6.如权利要求1所述的低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机，其特征在于，所述吸矿立管(31)与所述吸矿平管(32)二者的两端均为铰接接口(34)，所述铰接接口(34)设置有过渡软管(33)。7.如权利要求1所述的低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机，其特征在于，所述吸矿立管(31)和所述吸矿平管(32)均包括在海水中零浮力的硬管。8.如权利要求1所述的低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机，其特征在于，所述吸矿立管(31)的截面包括水滴型。9.如权利要求1所述的低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机，其特征在于，所述矿水分离装置(2)包括依次连通的所述矿水分离入口(21)、矿水分离舱(22)、水泵(24)以及所述排水管(25)，所述矿水分离舱(22)上设置有矿物出口(23)，且所述矿物出口(23)自所述浮游体(1)的顶部伸出。10.如权利要求1所述的低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机，其特征在于，所述集矿头(4)包括吸矿腔(41)和滑板(42)，所述吸矿腔(41)与所述吸矿平管(32)铰接连通，所述吸矿腔(41)的高度高于所述滑板(42)。

技术总结
本发明提供了一种低推进功耗浮游式深海金属结核集矿机，包括浮游体、矿水分离装置、吸矿管组以及集矿头，矿水分离装置安装在浮游体的内部，且矿水分离装置的排水管自浮游体的尾部伸出，吸矿管组的两端分别与矿水分离装置、集矿头连通；浮游体的两侧均设置有水平舵、垂直推进器组、垂直舵以及水平推进器组；吸矿管组包括吸矿立管和吸矿平管；集矿头上设置有滑板推进器组，滑板推进器组推动集矿头行进，浮游体不对集矿头提供拖曳力。本发明通过在集矿头上布置滑板推进器组，通过使用水下零重量的吸矿管组，消除了集矿头对浮游体航行的力干扰，降低了集矿航行时的整体推进功耗；通过合理利用排水管的排水推进作用，进一步降低集矿机的推进功耗。机的推进功耗。机的推进功耗。


技术研发人员：庄广胶 葛彤 苏婧
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/6/27