魯?shù)氯?丁忠軍 李德威 劉保華 楊 磊 任玉剛

國(guó)家深?；毓芾碇行?，青島，266237

0 引言

海洋鈷結(jié)殼富含鈷且稀土元素總量很高，是極為重要的礦產(chǎn)資源。鈷結(jié)殼的原位取芯非常困難，目前世界上僅有少數(shù)國(guó)家掌握了鈷結(jié)殼原位取芯的技術(shù)[1-2]。國(guó)際上，美國(guó)的Alvin載人潛水器[3]、日本的Shenkai6500載人潛水器、俄羅斯的APTYC號(hào)深海運(yùn)載器、法國(guó)的ST-Ⅰ號(hào)深海運(yùn)載器、英國(guó)的CONSUB號(hào)深海運(yùn)載器實(shí)現(xiàn)了海洋鈷結(jié)殼的取芯。

國(guó)內(nèi)對(duì)海洋鈷結(jié)殼取芯方面的研究起步較晚，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局開展了基于海馬號(hào)ROV鈷結(jié)殼取芯器的研究，并進(jìn)行了深海原位取芯。在“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器研制過(guò)程中，有關(guān)研究人員開展了基于載人潛水器的鈷結(jié)殼取芯器的研究工作[4-7]。ZHAO等[4]研制了一種利用載人潛水器液壓源提供動(dòng)力的鈷結(jié)殼取芯器，制作了一臺(tái)樣機(jī)并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)，結(jié)果表明取芯器的取芯效果較好；但該取芯器與“蛟龍?zhí)枴钡慕涌陔y以做到無(wú)錯(cuò)匹配，且取芯器質(zhì)量很大，因而還需進(jìn)一步對(duì)取芯器進(jìn)行升級(jí)改造和優(yōu)化。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者開展了對(duì)“蛟龍?zhí)枴扁捊Y(jié)殼取芯器的研究工作，研制了一種電力驅(qū)動(dòng)的取芯器，取芯器由自帶的深海電池和深海電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可鉆取直徑16 mm、長(zhǎng)度100 mm的鈷結(jié)殼巖芯；取芯器搭載于“蛟龍?zhí)枴辈蓸踊@上，由“蛟龍?zhí)枴钡臐摵絾T在載人艙內(nèi)通過(guò)2個(gè)機(jī)械手(包括七功能主從式機(jī)械手和七功能開關(guān)式機(jī)械手)進(jìn)行取芯器的取芯操作。因上述取芯操作是面對(duì)面的實(shí)地操作，故極大提高了取芯的效率和成功率，且該取芯器在2016年大洋科考航次中成功實(shí)現(xiàn)了深海應(yīng)用。

1 工作要求及設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.1 工作要求

海洋鈷結(jié)殼主要分布在海洋800～3 000 m海山和海臺(tái)的頂部和斜面上，主要成分為皮殼狀鐵錳氧化物和氫氧化物。鈷結(jié)殼因富含鈷，故名富鈷結(jié)殼。鈷結(jié)殼表面呈腎狀、鮞狀或瘤狀，顏色為黑色或黑褐色，斷面構(gòu)造呈層紋狀或呈樹枝狀；鈷結(jié)殼厚一般為5～6 cm，厚者可達(dá)10～15 cm，賴以生長(zhǎng)的基質(zhì)有玄武巖、玻質(zhì)碎屑玄武巖及蒙脫石巖[8-9]。

美國(guó)、日本等國(guó)均對(duì)鈷結(jié)殼的物理機(jī)械特性進(jìn)行了研究分析。我國(guó)也曾在2002年4月在中國(guó)大洋協(xié)會(huì)的組織協(xié)調(diào)下，由長(zhǎng)沙礦冶研究院和中南大學(xué)合作對(duì)中國(guó)大洋協(xié)會(huì)分發(fā)的深海鈷結(jié)殼樣品進(jìn)行了詳細(xì)的物理力學(xué)性能測(cè)試。但因取樣地點(diǎn)、取樣方法及試驗(yàn)方法的不同，各國(guó)所得到的數(shù)據(jù)差異較大。分析結(jié)果表明，鈷結(jié)殼的抗壓強(qiáng)度為8～30 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.1～2.3 MPa；基巖的抗壓強(qiáng)度為2～40 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.3～20 MPa。

基于深水鈷結(jié)殼的存在環(huán)境、物理特性和力學(xué)特性，鈷結(jié)殼取芯器需具備較為特殊的工作要求：取芯器由“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器搭載，下潛到鈷結(jié)殼礦區(qū)位置后，載人潛水器保持位置不動(dòng)，由潛航員通過(guò)載人潛水器的機(jī)械手操作取芯器的定位及鉆取，且取芯器的鉆頭鉆進(jìn)力、剪切力及巖芯拔斷力需按照鉆取6級(jí)巖石硬度來(lái)設(shè)計(jì)。

1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器鈷結(jié)殼取芯器的技術(shù)指標(biāo)包括：①最大工作水深為4 000 m；②取芯直徑為16 mm，取芯長(zhǎng)度為100 mm;③巖芯硬度大于或等于6級(jí)(莫氏硬度)；④動(dòng)力源為深水電池和深水電機(jī)，其中，深水電池功率為400 W，深水電機(jī)功率為300 W；⑤取芯器整機(jī)質(zhì)量小于40 kg。

2 結(jié)構(gòu)組成

“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的鈷結(jié)殼取芯器主要包括電池及控制系統(tǒng)艙、啟停觸發(fā)磁鐵、深水電機(jī)及軟軸傳動(dòng)單元、變速箱、取芯鉆具及夾持手柄單元、鉆套、水密連接件和安裝托盤等單元，取芯器整體通過(guò)安裝托盤搭載在“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器采樣籃上，如圖1所示。

圖1 取芯器在“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的搭載位置Fig.1 The core sampler mounted on the “Jiao Long” manned submersible

2.1 深水電池系統(tǒng)

深水電池系統(tǒng)為取芯器自帶驅(qū)動(dòng)能源，故取芯器不必依賴載人潛水器的能源，從而避免給載人潛水器帶來(lái)能源損耗及接口對(duì)接問(wèn)題。整套系統(tǒng)安裝在一個(gè)高壓艙內(nèi)，由深水電池、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、DC/DC(48V-24V)模塊、磁性開關(guān)及控制回路、電池固定支架等組成，采用磁性觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停控制回路的開啟或關(guān)閉，如圖2所示。

(a)深水電池及深水電機(jī)

(b)深水電池的接口圖2 深水電池系統(tǒng)及其接口Fig.2 The deep-sea battery system and its connector

高壓艙端蓋上有3個(gè)水密接插件：三芯水密接插件為電源水密插頭，通過(guò)水密電纜(包括電源電纜和控制電纜)和深水電機(jī)電源插頭進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)供電；五芯水密接插件為控制水密插頭，通過(guò)水密電纜和深水電機(jī)的控制插頭進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停控制；兩芯水密接插件為充電水密插頭，通過(guò)水密電纜和充電器接頭進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)電池艙的充電。

2.2 深水電機(jī)

深水電機(jī)部件由直流電機(jī)、耐壓殼體、補(bǔ)償膜片等組成，見(jiàn)圖3。直流電機(jī)的參數(shù)如下：功率為300 W，工作電壓為DC48 V，額定工作電流為8.4 A，扭矩為0.95 N·m。深水電機(jī)內(nèi)部空腔、軟軸保護(hù)套、變速箱內(nèi)部空腔互通，在深水電機(jī)的尾端安裝有補(bǔ)償膜片，補(bǔ)償膜片與變速箱的輸出軸及其密封圈將上述空腔封閉，并在連通的空腔內(nèi)部充滿硅油。硅油不僅可對(duì)運(yùn)動(dòng)部件起到潤(rùn)滑作用，更重要的是還可通過(guò)補(bǔ)償膜片變形量的變化而調(diào)整鉆機(jī)殼體內(nèi)部與外界的深海水壓平衡，使整個(gè)深水電機(jī)可以承受40 MPa的外壓。

圖3 深水電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 The interior structure of the deep-sea motor

補(bǔ)償膜片由橡膠加工而成，具有一定的彈性，深水電機(jī)內(nèi)部充滿壓力為0.1～0.2 MPa的硅油后，補(bǔ)償膜片呈小幅外擴(kuò)狀態(tài)。當(dāng)深水電機(jī)進(jìn)入海底后，海水壓力逐漸增大，向內(nèi)壓迫補(bǔ)償膜片，此時(shí)密閉空間內(nèi)的硅油受到壓縮，逐漸與外部海水達(dá)到壓力平衡，補(bǔ)償膜片形狀不再發(fā)生變化，補(bǔ)償膜片的前后狀態(tài)見(jiàn)圖4。

(a)無(wú)海水壓力時(shí) (b)有海水壓力時(shí)圖4 補(bǔ)償膜片補(bǔ)償效果Fig.4 The compensation effect of the compensation diaphragm

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

圖5 傳動(dòng)軟軸與變速箱Fig.5 The transmission flexible shaft and gearbox

取芯器的傳動(dòng)系統(tǒng)包括傳動(dòng)軟軸和變速箱，由傳動(dòng)軟軸將深水電機(jī)的動(dòng)力傳送至變速箱，變速箱的輸出端安裝有鉆進(jìn)取芯系統(tǒng)，從而可為鉆進(jìn)取芯系統(tǒng)提供動(dòng)力。傳動(dòng)軟軸為柔性連接傳動(dòng)，當(dāng)變速箱與深水電機(jī)的相對(duì)位置在一定范圍內(nèi)持續(xù)發(fā)生變動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)軟軸仍然可以穩(wěn)定可靠地為變速箱傳輸動(dòng)力，見(jiàn)圖5。其中，夾持手柄是根據(jù)“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的七功能主從式機(jī)械手的手爪制作而成的，手柄可以嵌在手爪的定位槽內(nèi)，以方便機(jī)械手的取放。

2.4 鉆進(jìn)取芯系統(tǒng)

取芯器的鉆進(jìn)取芯系統(tǒng)通過(guò)螺紋方式連接在變速箱的輸出端，由鉆筒、取芯頭和鉆刃組成,如圖6所示。取芯頭的底端鑲焊有鉆刃，頂端與鉆筒螺紋連接，鉆筒和取芯頭的內(nèi)部均呈中空狀，鉆筒的內(nèi)徑從下到上逐漸變大，可使鉆取的巖芯與鉆筒保持一定的間隙量，以便于后期從鉆筒中取芯。取芯頭的內(nèi)表面設(shè)有數(shù)個(gè)單向鎖緊塊，單向鎖緊塊的內(nèi)表面設(shè)有棘齒，單向鎖緊塊在取芯完成拔取鉆頭時(shí)可將巖芯抱緊，以使巖芯可順利從礦基中被拔出。

(a)正視圖 (b)剖視圖圖6 鉆進(jìn)取芯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure of drilling coring system

鉆刃采用聚晶金剛石復(fù)合片(polycrystalline diamond compact，PDC)材料制成。PDC材料鉆刃由于具有金剛石耐磨層，因而硬度高，且比碳化鎢硬質(zhì)合金的耐磨性高100倍以上。PDC材料刀片具有自銳性：在微觀上，金剛石多晶層晶粒不斷剝落，新的鋒銳晶體不斷出露；在宏觀上，隨著金剛石層的不斷剝落，硬質(zhì)合金底層總是先出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致切削齒上形成一定的切削后角，從而保證了切削刃口的鋒利狀態(tài)。自銳性可表征出PDC材料刀片在工作過(guò)程中自動(dòng)出刃的能力[10]。

3 工作性能參數(shù)試驗(yàn)

3.1 剪切力

剪切斷巖芯必須滿足鉆機(jī)輸出的剪切應(yīng)力大于巖芯的抗剪切應(yīng)力。鉆機(jī)的剪切扭矩可表示為

(1)

式中，P為電機(jī)功率，kW；T為鉆機(jī)扭矩，N·m；n為鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min。

鉆頭的剪切應(yīng)力可表示為

(2)

(3)

式中，τ為鉆頭輸出的額定剪切應(yīng)力，Pa；d為巖芯直徑，m；D為鉆頭直徑，m；Wt為巖芯的抗扭截面模量，m3。

巖芯要被鉆頭剪斷，需滿足如下條件：

τ>[τ]

(4)

式中，[τ]為巖芯極限抗剪切強(qiáng)度。

3.2 鉆進(jìn)力

鉆進(jìn)力是鉆削工藝中一個(gè)非常重要的參數(shù)，較大的鉆進(jìn)力可使鉆頭更易切削掉材料，從而提高工作效率，陸上同等直徑尺寸的巖芯鉆機(jī)鉆進(jìn)力在2 000 ～5 000 N范圍內(nèi)，這主要是因?yàn)殛懮香@機(jī)具有結(jié)構(gòu)剛度高和驅(qū)動(dòng)動(dòng)力充足的優(yōu)勢(shì)。

為了節(jié)省載人潛水器的電池電力，在鉆進(jìn)過(guò)程中通常不使用載人潛水器的推進(jìn)力來(lái)提供鉆削的鉆進(jìn)力，需要完全依靠載人潛水器在海底500～1 000 N的負(fù)浮力來(lái)提供鉆進(jìn)力。且取芯器的鉆具系統(tǒng)通過(guò)載人潛水器的機(jī)械手進(jìn)行操作，取芯器鉆進(jìn)力的受力點(diǎn)在載人潛水器前方，從而導(dǎo)致較小的鉆進(jìn)力被放大成對(duì)載人潛水器較大的傾覆力。根據(jù)鉆進(jìn)過(guò)程中載人潛水器的受力情況及鉆進(jìn)過(guò)程的穩(wěn)定性要求，鉆進(jìn)力不能大于350 N。

取芯器的鉆進(jìn)壓力僅為陸上鉆機(jī)鉆進(jìn)壓力的1/10，故取芯器的鉆進(jìn)壓力屬于微鉆壓，這種微鉆壓條件下的鉆進(jìn)效率較低，且易磨損鉆頭。為了驗(yàn)證微鉆壓條件下取芯器的取芯能力，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室取芯試驗(yàn)。以鈷結(jié)殼巖樣(6級(jí)巖石硬度)為試驗(yàn)材料，搭建試驗(yàn)平臺(tái)以控制鉆進(jìn)力的大小，如圖7所示。本研究共進(jìn)行5次鉆進(jìn)試驗(yàn)，平均鉆進(jìn)力為286 N，平均鉆進(jìn)時(shí)間為10 min，取芯長(zhǎng)度為82～138 mm，基本滿足取芯要求。

圖7 微鉆壓鉆進(jìn)試驗(yàn)Fig.7 The test of the micropressure drilling

3.3 鉆頭轉(zhuǎn)速

鉆頭轉(zhuǎn)速是鉆削工藝中另一個(gè)非常重要的參數(shù)，在同等工況下，轉(zhuǎn)速越高，鉆進(jìn)效率越高，則鉆進(jìn)時(shí)間越短。但高轉(zhuǎn)速也會(huì)帶來(lái)取芯器鉆進(jìn)功率的增大及鉆頭的磨損，因此需要選取合適的轉(zhuǎn)速來(lái)獲得最優(yōu)的取芯效果。

受到“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器攜帶質(zhì)量的限制，深水電機(jī)的功率只能設(shè)計(jì)到300 W的輸出，在電機(jī)功率的限制下，鉆頭的轉(zhuǎn)速不能超過(guò)300 r/min。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的鉆進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)轉(zhuǎn)速為250 r/min、鉆進(jìn)壓力為286 N時(shí)，在7 min的鉆進(jìn)時(shí)間內(nèi)，可取得長(zhǎng)度為138 mm的巖石樣品，并滿足水下取芯要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果

4 深海應(yīng)用

取芯器經(jīng)過(guò)鉆進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證后，在中國(guó)大洋37航次中搭載“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器進(jìn)行了2個(gè)潛次的取芯作業(yè)，2次鉆進(jìn)均用時(shí)20 min左右，并取得巖芯樣品數(shù)塊。在取芯過(guò)程中，深水電池系統(tǒng)和深水電機(jī)均固定在“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的采樣籃上，由“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的七功能主從式機(jī)械手將取芯器的變速箱及取芯系統(tǒng)從固定在采樣籃上的鉆套中取出，七功能開關(guān)式機(jī)械手啟動(dòng)深水電機(jī)，進(jìn)行巖芯取樣操作。同時(shí)，需操作七功能主從式機(jī)械手將鉆頭以一個(gè)略微傾斜的角度向待取樣巖石表面進(jìn)行鉆進(jìn)，使待取樣巖石表面出現(xiàn)鉆孔痕跡，再以這個(gè)鉆痕作為定位點(diǎn)，在鉆進(jìn)的同時(shí)緩緩地將鉆頭轉(zhuǎn)至垂直位置，待鉆頭與取樣表面近似垂直后，逐漸加力(最大鉆進(jìn)壓力約為300 N)鉆進(jìn)，并逐漸進(jìn)入正常鉆進(jìn)狀態(tài)，直至鉆進(jìn)結(jié)束。取芯器在水下的作業(yè)狀態(tài)見(jiàn)圖8。

圖8 取芯器水下作業(yè)圖Fig.8 The deep-sea work of the core sampler

5 結(jié)語(yǔ)

“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器鈷結(jié)殼取芯器通過(guò)2個(gè)潛次的水下作業(yè)獲得應(yīng)用驗(yàn)證，應(yīng)用結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的取芯器基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為海底鈷結(jié)殼的定點(diǎn)取芯提供了技術(shù)支持。“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器可在復(fù)雜的海底實(shí)現(xiàn)坐底及懸停作業(yè)，由此保證了取芯器可以到達(dá)幾乎所有的鈷結(jié)殼礦區(qū)完成取芯作業(yè)，從而可為大洋礦產(chǎn)的開發(fā)勘探提供全面可靠的樣品數(shù)據(jù)。