低扰动深海多金属结核采集传动机构及其采集方法
技术领域
本发明涉及深海采矿领域，尤其是一种低扰动深海多金属结核采集传动机构及其采集方法。
背景技术
当今世界，有色金属是决定一个国家经济、科学技术、国防建设的发展的重要物质基础，是提升国家综合实力和保障国家安全的关键性战略资源。
多金属结核是深海中的一种重要的矿产资源，它富含锰、铁、镍、钴、铜等几十种有色金属，并且储存量巨大，据估计世界海底多金属结核资源为3万亿吨。但多金属结核一般赋存在三千至六千米的海底浅层稀软底质中，开采难度极大。
目前，相对成熟的多金属结核采集装备主要分为：水射流采集式和机械挖掘式。由于多金属结核埋于深海稀软土中，水射流采集式的强力水流射击对海底扰动巨大，极易造成稀软土扬起悬浮，形成大面积极难沉降的海底扬尘。考虑到深海海底生态极其脆弱，大面积海底扬尘必将给深海生态环境造成毁灭性影响。而机械挖掘式多为低效连续式采集，对海底环境扰动巨大，且机械部件复杂易卡住损坏，深水条件下无法及时修复。综上，亟需提出一种克服当前深海多金属结核采集装备弊端的新型采集装备，实现深海多金属结核低扰动、绿色、高效采集。
中国专利申请CN 106194191 A公开了一种深海底多金属结核大规模集矿机，包括行走底盘、机架、集矿箱、集矿滚筒、滚筒支架、机械齿式输送带和动力驱动系统，机架固定于行走底盘上，集矿箱固定于机架上，集矿滚筒通过滚筒支架安装于机架上并位于整个集矿机前进方向上的前端，机械齿式输送带设置于集矿滚筒与集矿箱之间，集矿滚筒上设有采集齿且用于将多金属结核挖起后投送至机械齿式输送带上，机械齿式输送带前端的输送方向为由下至上以将多金属结核送至集矿箱内，动力驱动系统驱动行走底盘、集矿滚筒和机械齿式输送带运动。但是该专利申请有以下缺点：首先，机械式滚筒集矿极易导致机械部件卡住，造成故障；其次，滚筒集矿将海底表层土全部挖掘反转，对海底环境扰动极大，势必造成大面积扬尘悬泥；最后，改名并无特殊排泥装置，无法排除多余泥垢，采集效率极低。而本申请采用特殊的铲式采集，对海底扰动极低，配合特殊的舱内多段传动排泥装置，在不产生大量扬尘悬泥的情况下可排除多余泥垢，在保证环保的前提下实现矿石高效开采。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种低扰动深海多金属结核采集传动机构及其采集方法，能够实现深海多金属结核的低扰动、绿色、高效采集。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种低扰动深海多金属结核采集传动机构，包括具有封闭式壳体的采矿车体，所述采矿车体的壳体前端分别安装有液压传动臂以及与壳体内部连通的伸缩式传输管，伸缩式传输管的前端固定连接有与其连通的结核抽铲口，所述结核抽铲口呈筒状结构，靠近结核抽铲口两端分别与液压传动臂的两个支臂连接；
所述壳体内设置有多节相匹配的传送段，多节传送段的起始段的前端与伸缩式传输管的入口相对应，部分传送段的相对两侧面和顶部设置有喷头，多节传送段的末段的后端斜下方对应设置有料仓，料仓与设置于壳体外部的输料管道连通；多节传送带的下端对应有倾斜设置的污泥收集排离传送段，污泥收集排离传送段向下倾斜的末端处设置有清扫及储泥装置，清扫及储泥装置的下方壳体上对应开设有一个排泥口；壳体外部与污泥收集排离传送段末端对应处设置有一个用于排出壳体内水的过滤排水泵。
所述多节传送段由前至后依次为振动脱泥传送段、初次射流除泥传送段、垂向提升传送段和二次射流除泥传送段，初次射流除泥传送段和二次射流除泥传送段均水平设置，振动脱泥传送段安装在可伸缩式传输管出口的后下方，振动脱泥传送段的末端斜向下设置，初次射流除泥传送段安装于振动脱泥传送段的末端斜下方，初次射流除泥传送段、垂向提升传送段和二次射流除泥传送段依次连接，垂向提升传送段为末端斜向上设置。
所述初次射流除泥传送段和二次射流除泥传送段前进方向的两侧的壳体内壁和壳体顶部均设置有喷头，两侧的喷头交错横向设置，即两侧的喷头的轴线不在同一条直线上；初次射流除泥传送段顶部的喷头竖向设置，二次射流除泥传送段顶部的喷头沿前进方向斜向下设置。
竖向和斜向下设置的喷头有多列，且相邻两列的喷头交错设置。
所述振动脱泥传送段、初次射流除泥传送段、垂向提升传送段、二次射流除泥传送段和污泥收集排离传送段的宽度均接近于壳体内腔的宽度，且与壳体内壁之间有间隙。
所述振动脱泥传送段、初次射流除泥传送段、垂向提升传送段和二次射流除泥传送段均包括传动链条、连接杆件和转动齿轮，转动齿轮位于传送段的两端部，转动齿轮由动力机构驱动，至少两条平行的传动链条绕在两端部的转动齿轮上，平行的传动链条之间通过多根连接杆件连接，并随传动链条一起转动，连接杆件之间有间隙，以利于水和稀软泥落通过间隙向下掉落。
所述连接杆件为长直金属杆，相邻连接杆件间隔为5cm，实现传送段透水、透泥。
所述振动脱泥传送段和初次射流除泥传送段的转动齿轮均能实现高频低幅振动，可带动整个振动脱泥传送段和初次射流除泥传送段振动，使运动至振动脱泥传送段和初次射流除泥传送段上的多金属结核与稀软泥实现分离。
所述污泥收集排离传送段包括传动链条、连接杆件、传送带和转动齿轮，转动齿轮位于传送段的两端部，转动齿轮由动力机构驱动，至少两条平行的传动链条绕在两端部的转动齿轮上，平行的传动链条之间通过多根连接杆件连接，传动链条上部安装有传送带，转动齿轮带动传动链条顺时针转动，同时，传动链条上布置的传送带也按照顺时针方向转动。
所述液压传动臂的主体由三根可伸缩的液压机械臂组成，可通过液压机械臂调节结核抽铲口的位置，包括离地高度与抽铲角度等。
所述结核抽铲口的前端开口处为一向下倾斜的铲状结构，考虑到多金属结核的赋存深度，结核抽铲口开口间隙高度为25-40cm，可将深海底多金属结核赋存层抽铲至采矿装备内部。
所述结核抽铲口两侧为封闭式的侧板，可以在铲泥过程中减少对海底稀软土的扰动，避免稀软土向两侧翻滚，有效减少海底扬尘的产生。
一种低扰动深海多金属结核采集传动机构的采集方法，包括：
1）沿着运动方向采矿作业，采矿车的结核抽铲口将海底的多金属结核铲起，采矿设备向前运动的反作用力通过可伸缩式传输管将多金属结核运输到振动脱泥传送段；通过高频低幅振动脱落的稀软泥落入污泥收集排离传送段，初步脱泥的多金属结核继续传送至下一工作段；
2）多金属结核运输到初次射流除泥传送段，通过整个初次射流除泥传送段振动，使多金属结核与稀软泥实现进一步分离，脱落的稀软泥落入污泥收集排离传送段；
3）初次射流除泥传送段左右横向除泥喷头喷射横向的高压水流冲刷多金属结核上附着的稀软泥，稀软泥脱落后落入污泥收集排离传送段；初次射流除泥传送段的上方竖向除泥喷头喷射竖向的高压水流冲刷多金属结核上附着的稀软泥，稀软泥脱落后落入污泥收集排离传送段，进一步脱泥的多金属结核继续传送至下一工作段；
4）多金属结核运输到垂向提升传送段，多金属结核上附着的稀软泥进一步脱落，落入污泥收集排离传送段，进一步脱泥的多金属结核继续传送至下一工作段；
5）多金属结核运输到二次射流除泥传送段，二次射流除泥传送段两侧的横向除泥喷头喷射横向的高压水流冲刷多金属结核上附着的稀软泥，稀软泥脱落后落入污泥收集排离传送段；二次射流除泥传送段的上方斜向后方的除泥喷头喷射斜向后方的高压水流冲刷多金属结核上附着的稀软泥，稀软泥脱落后落入污泥收集排离传送段，多金属结核在高压水流和连接杆件的作用下向后方运输；
6）多金属结核运输到料仓中；
7）多金属结核经由输料管道运输到海面上的运输船上；
8）以上过程中污泥收集排离传送段所收集的污泥经过传送带的运输，传送到清扫及储泥装置处，当清扫及储泥装置上储存的污泥积攒到一定量时，清扫及储泥装置会自动向下打开，沉积的污泥将会从采矿车体中排出。
本发明相比传统的射流冲刷采矿方式，采用了全封闭的流线型壳体结构，在整个运输过程中，射流冲刷清泥持续进行，因为整个射流冲刷清泥过程完全在全封闭的流线型壳体中进行，所以可以更好的解决扬尘问题，这也是本项发明的创新点和优势点所在。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明内部流场示意图；
图3为本发明矿石运动方向示意图；
图4为本发明结核抽铲口结构示意图；
图5为本发明传送带内部组件示意图；
图6为本发明振动脱泥传送段俯视图；
图7为本发明初次射流除泥传送段俯视图；
图8为本发明垂向提升传送段俯视图；
图9为本发明二次射流除泥传送段俯视图；
其中，1.液压传动臂、2.结核抽铲口、3.可伸缩式传输管、4.振动脱泥传送段、5.初次射流除泥传送段、6.垂向提升传送段、7.二次射流除泥传送段、8.污泥收集排离传送段、9.横向除泥喷头、10.竖向除泥喷头、11.料仓、12.输料管道、13.过滤排水泵、14.清扫及储泥装置、15.转动齿轮、16.传送链条、17.连接杆件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1-9所示，一种低扰动深海多金属结核采集传动机构，液压传动臂1一端安装在结核抽铲口2上，一端安装在采矿设备壳体上，液压传动臂1的主体由三根可伸缩的液压机械臂组成，可通过液压机械臂调节结核抽铲口2的位置，包括离地高度与抽铲角度等。如图4所示，结核抽铲口2前侧为采用了一定角度的斜铲，考虑到多金属结核的赋存深度，结核抽铲口2开口间隙高度为25-40cm，可将深海底多金属结核赋存层抽铲至采矿装备内部述结核抽铲口2两侧为封闭式的侧板，可以在铲泥过程中减少对海底稀软土的扰动，避免稀软土向两侧翻滚，有效减少海底扬尘的产生。
结核抽铲口2安装在可伸缩式传输管3的前方；可伸缩式传输管3一端安装在结核抽铲口2的后方，一端安装在采矿设备壳体上。可伸缩式传输管3为可以伸缩的软管，可伸缩式传输管3可以随着结核抽铲口2的移动而移动。
如图1、图6所示，振动脱泥传送段4安装在可伸缩式传输管3的后方，方向为斜向下；振动脱泥传送段4为方向斜向下方的传送装置，装置由传动链条、连接杆件、转动齿轮组成，连接杆件两端连接传动链条，转动齿轮带动传动链条顺时针转动。振动脱泥传送段4宽度接近于采矿车内部侧壁的宽度，振动脱泥传送段4在左右两侧与采矿车侧壁之间留有较小的间隙，振动脱泥传送段4没有与采矿车内部侧壁直接相连。连接杆件为长直金属杆，相邻连接杆件间隔优选为5cm，实现传送段透水、透泥。转动齿轮可实现高频低幅振动，可带动整个振动脱泥传送段4振动，使运动至振动脱泥传送段4上的多金属结核与稀软泥实现初步分离。初步脱泥的多金属结核继续传送至下一工作段，通过高频低幅振动脱落的稀软泥落入污泥收集排离传送段8。
如图1、图7所示，初次射流除泥传送段5安装在振动脱泥传送段4的后方，方向为水平；所述初次射流除泥传送段5为方向水平的传送装置，装置由传动链条、连接杆件、转动齿轮组成，连接杆件两端连接传动链条，转动齿轮带动传动链条顺时针转动。
初次射流除泥传送段5宽度接近于采矿车内部侧壁的宽度，初次射流除泥传送段5在左右两侧与采矿车侧壁之间留有较小的间隙，初次射流除泥传送段5没有与采矿车内部侧壁直接相连。连接杆件为长直金属杆，相邻连接杆件间隔为5cm，实现传送段透水、透泥。
转动齿轮可实现高频低幅振动，可带动整个初次射流除泥传送段5振动，使运动至初次射流除泥传送段5上的多金属结核与稀软泥实现进一步分离。进一步脱泥的多金属结核继续传送至下一工作段，通过高频低幅振动脱落的稀软泥落入污泥收集排离传送段8。
如图1、图8所示，垂向提升传送段6安装在初次射流除泥传送段5的后方，方向为斜向上；垂向提升传送段6为一个方向斜向上方的装置，装置由传动链条、连接杆件、转动齿轮组成，连接杆件两端连接传动链条，转动齿轮带动传动链条顺时针转动。
垂向提升传送段6宽度接近于采矿车内部侧壁的宽度，垂向提升传送段6在左右两侧与采矿车侧壁之间留有较小的间隙，垂向提升传送段6没有与采矿车内部侧壁直接相连。连接杆件为长直金属杆，相邻连接杆件间隔优选为3-5cm，实现传送段透水、透泥。进一步脱泥的多金属结核继续传送至下一工作段，脱落的稀软泥落入污泥收集排离传送段8。
如图1、图9所示，二次射流除泥传送段7安装在垂向提升传送段6的后方，方向为水平；二次射流除泥传送段7为一个方向水平的装置，装置由传动链条、连接杆件、转动齿轮组成，连接杆件两端连接传动链条，转动齿轮带动传动链条顺时针转动。
二次射流除泥传送段7宽度接近于采矿车内部侧壁的宽度，二次射流除泥传送段7在左右两侧与采矿车侧壁之间留有较小的间隙，二次射流除泥传送段7没有与采矿车内部侧壁直接相连。连接杆件为长直金属杆，相邻连接杆件间隔优选为5cm，实现传送段透水、透泥。进一步脱泥的多金属结核继续传送至下一工作段，脱落的稀软泥落入污泥收集排离传送段8。
污泥收集排离传送段8安装在振动脱泥传送段4、初次射流除泥传送段5、垂向提升传送段6、二次射流除泥传送段7的下方，方向为斜向下；污泥收集排离传送段8为一个方向斜向下方的装置，装置由传动链条、连接杆件、传送带、转动齿轮组成，连接杆件两端连接传动链条，转动齿轮带动传动链条顺时针转动。同时，传送链条上布置的传送带也按照顺时针方向转动。
污泥收集排离传送段8宽度接近于采矿车内部侧壁的宽度，污泥收集排离传送段8在左右两侧与采矿车侧壁之间留有较小的间隙，污泥收集排离传送段8没有与采矿车内部侧壁直接相连。污泥收集排离传送段8可以收集上方装置落下的稀软泥，并通过传送带将稀软泥排到清扫及储泥装置14上。
横向除泥喷头9安装在初次射流除泥传送段5和二次射流除泥传送段7的上面，方向为横向；横向除泥喷头9和竖向除泥喷头10的高压射流喷嘴都是间隔布置的，其作用为通过喷射高压水流冲掉多金属结核上附着的稀软泥。竖向除泥喷头10安装在初次射流除泥传送段5和二次射流除泥传送段7的正上方，其中，初次射流除泥传送段5上方的竖向除泥喷头10为方向向下，二次射流除泥传送段7上方的竖向除泥喷头10为方向向斜后方；
初次射流除泥传送段5两侧的采矿车内部侧壁上间隔布置有横向除泥喷头9，高压射流喷嘴通过喷射横向的高压水流冲刷多金属结核上附着的稀软泥，稀软泥脱落后落入污泥收集排离传送段8。
初次射流除泥传送段5的上方间隔布置有竖向除泥喷头10，射流喷嘴通过喷射竖向的水流冲洗多金属结核上附着的稀软泥，稀软泥脱落后落入污泥收集排离传送段8。
二次射流除泥传送段7两侧的采矿车内部侧壁上间隔布置有横向除泥喷头9，高压射流喷嘴通过喷射横向的高压水流冲刷多金属结核上附着的稀软泥，稀软泥脱落后落入污泥收集排离传送段8。
二次射流除泥传送段7的上方间隔布置有斜向后方的竖向除泥喷头10，高压射流喷嘴通过喷射高压水流冲刷多金属结核上附着的稀软泥，稀软泥脱落后落入污泥收集排离传送段8，同时，斜向后方的高压水流将多金属结核冲到料仓11里面。
料仓11安装在二次射流除泥传送段7的斜后方；料仓11为一个可以透水、透泥的长方体结构，它起到储存多金属结核的作用。料仓11中多金属结核上附着的稀软泥可以透过料仓11落入污泥收集排离传送段8和清扫及储泥装置14上。
输料管道12安装在料仓11的后方；输料管道12为运输多金属结核的装置，其一端连接在料仓11，一端连接在海面上的作业船。
过滤排水泵13安装在污泥收集排离传送段8的后方，料仓11的下方；过滤排水泵13通过排水，使得采矿设备中的水流向右下方排出，稀软泥可以更好地排出采矿设备。
清扫及储泥装置14安装在污泥收集排离传送段8的后方，过滤排水泵13的下方。清扫及储泥装置14可以清扫并收集污泥收集排离传送段8上附着的稀软泥，待到清扫及储泥装置14上储存的稀软泥达到一定量时，清扫及储泥装置14会向下旋转，将沉积的稀软泥排出采矿设备。
采矿车采用封闭的流线型壳体设计，结核抽铲口2为多金属结核采集区，清扫及储泥装置14的下方有一个方便稀软泥排出的排泥口。
如图2所示，可以看到采矿设备内部的流场示意图。
如图1-图3所示，低扰动深海多金属结核采集传动机构的采集方法，
如图1所示的采矿设备，沿着运动方向进行采矿作业，采矿车的结核抽铲口2将海底的多金属结核铲起，采矿设备向前运动的反作用力通过可伸缩式传输管3将多金属结核运输到振动脱泥传送段4。
多金属结核运输到振动脱泥传送段4，振动脱泥传送段4上的转动齿轮可实现高频低幅振动，可带动整个振动脱泥传送段4振动，使运动至振动脱泥传送段4上的多金属结核与稀软泥实现初步分离。通过高频低幅振动脱落的稀软泥落入污泥收集排离传送段8，初步脱泥的多金属结核继续传送至下一工作段。
接下来，多金属结核运输到初次射流除泥传送段5，初次射流除泥传送段5上的转动齿轮可实现高频低幅振动，可带动整个初次射流除泥传送段5振动，使运动至初次射流除泥传送段5上的多金属结核与稀软泥实现进一步分离，通过高频低幅振动脱落的稀软泥落入污泥收集排离传送段8。初次射流除泥传送段5左右两侧的采矿车内部侧壁上间隔布置有横向除泥喷头9，高压射流喷嘴通过喷射横向的高压水流冲刷多金属结核上附着的稀软泥，稀软泥脱落后落入污泥收集排离传送段8。初次射流除泥传送段5的上方间隔布置有竖向除泥喷头10，高压射流喷嘴通过喷射竖向的高压水流冲刷多金属结核上附着的稀软泥，稀软泥脱落后落入污泥收集排离传送段8，进一步脱泥的多金属结核继续传送至下一工作段。
接下来，多金属结核运输到垂向提升传送段6，多金属结核上附着的稀软泥进一步脱落，落入污泥收集排离传送段8，进一步脱泥的多金属结核继续传送至下一工作段。
接下来，多金属结核运输到二次射流除泥传送段7，二次射流除泥传送段7的上方间隔布置有横向除泥喷头9，高压射流喷嘴通过喷射横向的高压水流冲刷多金属结核上附着的稀软泥，稀软泥脱落后落入污泥收集排离传送段8。二次射流除泥传送段7的上方间隔布置有斜向后方的竖向除泥喷头10，高压射流喷嘴通过喷射斜向后方的高压水流冲刷多金属结核上附着的稀软泥，稀软泥脱落后落入污泥收集排离传送段8，多金属结核在高压水流和运输杆的作用下向后方运输。
接下来，多金属结核运输到料仓11中。
接下来，多金属结核经由输料管道12运输到海面上的运输船处。
以上过程中污泥收集排离传送段8所收集的污泥经过传送带的运输，传送到清扫及储泥装置14处，当清扫及储泥装置14上储存的污泥积攒到一定量时，清扫及储泥装置14会自动向下打开，沉积的污泥将会从采矿设备中排出。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
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