徐俊杰，孔德博，吳鴻云，王榮耀

海多金屬結(jié)核集礦機(jī)鋁合金履齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析*

徐俊杰1，孔德博2，吳鴻云1，王榮耀1

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.五礦礦業(yè)（邯鄲）礦山工程有限公司，河北 邯鄲市 056000)

集礦機(jī)是深海多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)中的重要裝備和核心技術(shù)單元。由于多金屬結(jié)核礦區(qū)表層稀軟底質(zhì)具有抗剪性能差、承載能力弱等特性，并且深海作業(yè)環(huán)境差、腐蝕性極強(qiáng)，集礦機(jī)的履齒設(shè)計(jì)顯得尤為重要。履齒結(jié)構(gòu)采用鋁合金鑄造具有更輕的重量、更高的強(qiáng)度、更好的耐腐蝕性、更利于拆裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)履齒進(jìn)行了選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，其結(jié)果表明：應(yīng)力及變形均符合各工況下的作業(yè) 要求。

多金屬結(jié)核;集礦機(jī);鑄造鋁合金;履齒

0 引 言

海洋約占地球總表面積的71%，深海中蘊(yùn)藏著大量的尚未被人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用的礦產(chǎn)資源。隨著陸地資源的逐漸匱乏，深海礦產(chǎn)資源已成為世界各國(guó)爭(zhēng)相占有的對(duì)象，其中：多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物等金屬礦產(chǎn)資源是目前經(jīng)過(guò)前期調(diào)查研究后具備商業(yè)開(kāi)采價(jià)值的資源。它們中富含金、銀、銅、鎳、錳、鈷等稀有金屬，總儲(chǔ)量相當(dāng)于陸地相應(yīng)儲(chǔ)量的數(shù)十倍到數(shù)千倍。1950年代末，西方各國(guó)開(kāi)始對(duì)深海礦產(chǎn)資源進(jìn)行調(diào)查活動(dòng)，并于1970、1980年代進(jìn)行了多次多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)的海上試驗(yàn)，基本完成了開(kāi)采前的技術(shù)儲(chǔ)備。

多金屬結(jié)核賦存于稀軟的沉積物表層，由于沉積物顆粒極細(xì)，摩擦系數(shù)接近于零，車(chē)輛行駛只能依靠剪切力產(chǎn)生推進(jìn)力，且其承載力極低，能適應(yīng)這種底質(zhì)條件的承載行駛車(chē)主要分為兩大類(lèi)：拖曳式，自行式。拖曳式的行駛機(jī)構(gòu)是采礦船通過(guò)提升管牽引雪橇式承載底盤(pán)行駛，因此存在不能精準(zhǔn)定位，無(wú)法按預(yù)定軌跡行駛，避繞障礙困難，單位時(shí)間內(nèi)采集結(jié)核量變化大等缺點(diǎn)，無(wú)法適用于商業(yè)開(kāi)采系統(tǒng)。自行式行駛機(jī)構(gòu)是由采礦船通過(guò)鎧裝纜供電和傳輸數(shù)據(jù)，操作者使用甲板控制單元使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遙控行駛及采集礦料。這種行駛機(jī)構(gòu)有開(kāi)采路線可控，機(jī)動(dòng)性良好，采集覆蓋面積大，資源回收率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的承載行駛方式。自行式行駛機(jī)構(gòu)主要有以下幾種形式。

（1）螺旋槳推進(jìn)式。這種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是牽引力小，無(wú)法精準(zhǔn)定位，慢速行駛較為困難，且對(duì)海底擾動(dòng)特別嚴(yán)重，在靠近集礦機(jī)采集路徑內(nèi)的多金屬結(jié)核礦物在受其擾動(dòng)后極有可能被埋入沉積層內(nèi)或吹走，不能達(dá)到商業(yè)開(kāi)采的要求。

（2）阿基米德螺旋推進(jìn)式。這種行走方式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)性能好。1978年，美國(guó)OMCO公司研制了一臺(tái)采用阿基米德螺旋推進(jìn)式的采礦車(chē)，并于1979年在太平洋海域結(jié)核礦區(qū)進(jìn)行了行駛試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，此結(jié)構(gòu)底部凹槽處易被沉積物敷住，導(dǎo)致行走嚴(yán)重打滑，轉(zhuǎn)向困難，而且該結(jié)構(gòu)承載能力低，對(duì)海底擾動(dòng)較為嚴(yán)重，不能達(dá)到商業(yè)開(kāi)采的要求。

（3）履帶行走式。履帶車(chē)是通用行駛設(shè)備，1972年開(kāi)始用于海底行駛試驗(yàn)。由于履帶比其他行駛機(jī)構(gòu)的接地面積大得多，產(chǎn)生的牽引力大，底質(zhì)承載能力越低其優(yōu)越性越明顯；履帶車(chē)的可行駛性（包括越障或繞障）、操作性、對(duì)環(huán)境影響程度均能很好地滿(mǎn)足稀軟底質(zhì)的行駛要求。因此，多金屬結(jié)核集礦機(jī)大多選用履帶行走式的行駛方式。

“九五”期間，我國(guó)完成了大洋多金屬結(jié)核中試采礦系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，采用由“水面船?水力管道提升?自行式集礦機(jī)”組成的多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)。2001年，由長(zhǎng)沙礦山研究院牽頭，中南大學(xué)、長(zhǎng)沙礦冶研究院等多家單位及高校聯(lián)合參與研制的第二代履帶自行式集礦機(jī)在云南撫仙湖進(jìn)行了湖試，試驗(yàn)水深130 m，成功回收模擬結(jié)核900 kg。

1 集礦機(jī)履齒選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于多金屬結(jié)核礦區(qū)表層稀軟底質(zhì)具有承載能力弱，抗剪性能差等特性，陸地履帶車(chē)輛的低齒結(jié)構(gòu)在該底質(zhì)表面行走時(shí)因驅(qū)動(dòng)力不足易產(chǎn)生沉陷，進(jìn)而產(chǎn)生原地打滑現(xiàn)象。“九五”期間，我國(guó)對(duì)不同齒距、齒高和齒形的履帶進(jìn)行了大量的理論研究及試驗(yàn)，確定了三角形高齒的履齒形式，其齒高130 mm，齒間距200 mm，單個(gè)齒長(zhǎng)1700 mm，履齒的主體采用兩片不銹鋼薄板折彎后焊接而成，通過(guò)螺栓與不銹鋼履帶板接連。湖試集礦機(jī)采用該履齒形式，具有牽引力大、結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)和越障容易等優(yōu)點(diǎn)，牽引特性達(dá)到了理想要求，能順利在多金屬結(jié)核礦區(qū)的稀軟底質(zhì)上行走。

1.1 履齒選材

經(jīng)過(guò)湖試，發(fā)現(xiàn)了此類(lèi)高齒存在著黏附較多底質(zhì)土的情況，履齒黏附底質(zhì)土之后會(huì)導(dǎo)致剪切面積減少，從而導(dǎo)致集礦機(jī)打滑現(xiàn)象。針對(duì)此情況，湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院開(kāi)展了不同金屬材料下的黏附力大小實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)選用太平洋C-C礦區(qū)的深海底質(zhì)土，對(duì)鋁合金、不銹鋼、鈦合金、工業(yè)純鈦等海洋裝備常用耐腐蝕材料進(jìn)行黏附特性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，在表面粗糙度相同的情況下，不同金屬界面與深海底質(zhì)土之間的表面黏附力大小順序?yàn)殇X合金＜不銹鋼＜鈦合金＜工業(yè)純鈦，這表明鋁合金金屬在與深海底質(zhì)土接觸時(shí)自清潔效果最好。

根據(jù)上述研究，選用鋁合金6061 T6作為履齒材料，鋁合金的低密度可有效控制集礦機(jī)的整體重量，同時(shí)鋁合金6061 T6具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（其屈服強(qiáng)度為240 MPa）和較好的耐腐蝕性能，是鑄造履齒的理想材料之一。

1.2 履齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

湖試現(xiàn)象表明，采用不銹鋼薄板焊接而成的履齒在集礦機(jī)爬坡、轉(zhuǎn)向等受力較大的工況下時(shí)易產(chǎn)生彎曲變形。針對(duì)此類(lèi)情況，采用鋁合金鑄造的方式加工履齒，如圖1所示。鑄造履齒將履齒和履齒板融為一體，上端通過(guò)螺栓與鏈條相連，增加了履齒的壁厚，增強(qiáng)了履齒的整體強(qiáng)度，減少了履齒的裝配程序，方便后期的拆卸維護(hù)。同時(shí)，隨著精鑄工藝的日益成熟，鋁合金鑄件的加工精度和表面粗糙度已完全能夠滿(mǎn)足集礦機(jī)履齒的使用要求。

鋁合金鑄造履齒裝配完成后的單邊履帶示意圖如圖2所示，履齒通過(guò)鏈條與集礦機(jī)輪系相配合，履帶總長(zhǎng)7.3 m，接地部分長(zhǎng)度6 m，單個(gè)履齒長(zhǎng)度1.6 m，保證了足夠的接地面積，滿(mǎn)足接地比壓要求。單邊履帶總齒數(shù)73只，接地齒數(shù)30只，履齒高度130 mm，齒間距200 mm，提供了足夠的剪切面積和牽引力，保證集礦機(jī)在稀軟底質(zhì)條件下平穩(wěn) 行駛。

圖2 單邊履帶

2 鋁合金鑄造履齒強(qiáng)度分析

對(duì)設(shè)計(jì)的鋁合金鑄造履齒進(jìn)行應(yīng)力和變形分析。在Solidworks軟件的Simulation模塊中建立受力分析模型，將履齒上方與鏈條的連接孔處視為固定約束，建立的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 履齒強(qiáng)度有限元分析網(wǎng)格模型

已知集礦機(jī)在空氣中質(zhì)量為25 t，在水中質(zhì)量為10 t，鋁合金6061 T6材料的屈服強(qiáng)度為240 MPa?，F(xiàn)分析集礦機(jī)在3種不同工況下履齒的應(yīng)力和變形分布情況。

2.1 硬底質(zhì)條件下垂直沖擊

考慮該條件下極限工況為集礦機(jī)運(yùn)輸或起吊突然著地時(shí)的沖擊力為重力的5倍，假設(shè)下落時(shí)只有一半履齒著地，著地履齒數(shù)量為30，則單個(gè)履齒受力為41667 N，受力方向垂直于履齒下底面向上。

該工況下應(yīng)力分析結(jié)果如圖4所示，最大等效應(yīng)力為85.48 MPa，發(fā)生在履齒與外鏈板的連接處；變形分析結(jié)果如圖5所示，最大變形為0.25 mm，出現(xiàn)在履齒右下端點(diǎn)。

圖4 垂直沖擊下應(yīng)力分析結(jié)果

圖5 垂直沖擊下變形分析結(jié)果

2.2 硬底質(zhì)條件下行走

考慮該條件下極限工況為集礦機(jī)行走時(shí)遇到起伏地形從高處下落時(shí)的沖擊，沖擊力為重力的2倍，假設(shè)一半履齒著地，著地履齒數(shù)量為30，則單個(gè)履齒受力16666 N，受力方向垂直于履齒下底面向上。另外行走時(shí)履齒還受到與地面之間的摩擦力，取摩擦系數(shù)為0.5，則單個(gè)履齒所受的摩擦力為4166 N，受力方向平行于履齒下底面。

該工況下應(yīng)力分析結(jié)果如圖6所示，最大等效應(yīng)力為44.76 MPa，發(fā)生在履齒與外鏈板的連接處；變形分析結(jié)果如圖7所示，最大變形為0.14 mm，出現(xiàn)在履齒右上端點(diǎn)。

圖6 硬底質(zhì)條件下行走應(yīng)力分析結(jié)果

2.3 水環(huán)境稀軟底質(zhì)條件下行走

考慮該條件下極限工況為集礦機(jī)爬坡轉(zhuǎn)向且履齒只有下半部分陷入沉積物中，根據(jù)前期計(jì)算得到集礦機(jī)在海底稀軟底質(zhì)條件下爬坡轉(zhuǎn)向的極限工況下最大阻力為72496 N，其中履齒底面所受摩擦力為10000 N，履齒側(cè)面受力為62496 N。取受力沖擊為2倍，且只有一半履齒受力，則單個(gè)齒底面受摩擦力為667 N，齒底面受法向力為6667 N，齒側(cè)面受剪切力為4166 N。

該工況下應(yīng)力分析結(jié)果如圖8所示，最大等效應(yīng)力為26.58 MPa，發(fā)生在履齒與外鏈板的連接處；變形分析結(jié)果如圖9所示，最大變形為0.08 mm，出現(xiàn)在履齒右下端點(diǎn)。

圖7 硬底質(zhì)條件下行走變形分析結(jié)果

圖8 稀軟底質(zhì)條件下行走應(yīng)力分析結(jié)果

圖9 稀軟底質(zhì)條件下行走應(yīng)變分析結(jié)果

根據(jù)上述有限元分析結(jié)果可得，集礦機(jī)在以上3種不同工況的極限受力情況下履齒產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為85.48 MPa，小于鋁合金6061 T6材料的屈服強(qiáng)度240 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。最大變形為0.25 mm，變形量不會(huì)導(dǎo)致履齒損傷及結(jié)構(gòu)干涉。

3 結(jié) 論

（1）根據(jù)常用履齒材料的黏附特性對(duì)比研究，選用鋁合金6061 T6作為鑄造履齒的用料，能有效控制集礦機(jī)整體重量，具有良好的防腐性能。采用一體式鑄造履齒作為履齒結(jié)構(gòu)，增加了履齒壁厚，保證了履齒強(qiáng)度，防止受力變形的情況產(chǎn)生。

（2）采用有限元方法對(duì)鋁合金履齒結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力與變形情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：鋁合金履齒最大等效應(yīng)力發(fā)生在履齒與外鏈板的連接處，其大小在許可范圍內(nèi)；最大變形發(fā)生在履齒右上或右下端點(diǎn)，變形量不會(huì)對(duì)履齒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

（3）本文研究的鋁合金鑄造履齒可作為深海多金屬結(jié)核礦區(qū)稀軟底質(zhì)條件下履帶行走式車(chē)輛履齒結(jié)構(gòu)的參考方案，在整體重量的控制、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)防腐蝕性能及作業(yè)期間拆卸維護(hù)方便性方面有所加強(qiáng)。

[1] 劉 琦,漆采玲,馬雯波,胡 聰,李 鋒.深海底質(zhì)土-金屬界面間黏附特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2019,40(02):701-708.

[2] 李雅利.深海集礦機(jī)在稀軟底質(zhì)土上行走動(dòng)力學(xué)仿真研究[D].湘潭:湘潭大學(xué),2017.

[3] 劉少軍,劉 暢,戴 瑜.深海采礦裝備研發(fā)的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,50(02):8-18.

[4] 許 焰,吳鴻云,左立標(biāo).履齒高度對(duì)集礦機(jī)牽引性能的影響及參數(shù)確定[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(11):68-74.

[5] 吳鴻云,陳新明,劉少軍,高宇清,陳秉正.履帶板、齒間黏附底質(zhì)對(duì)集礦機(jī)附著性能的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(10):140-145.

[6] 戴 瑜.履帶式集礦機(jī)海底行走的單剛體建模研究與仿真分析[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2010.

(2019-07-21)

徐俊杰(1991—)，男，湖南岳陽(yáng)人，助理工程師，主要從事深海探礦、采礦技術(shù)及裝備研究，Email:137487335 @qq.com。

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0304102).