深海鈷結(jié)殼螺旋切削采集過(guò)程仿真和螺旋采集頭工作參數(shù)優(yōu)化研究.pdf

1、深海鈷結(jié)殼是大洋底部最具吸引力的礦產(chǎn)資源之一，產(chǎn)出在水深800—3000m的平坦海山、島嶼斜坡上，其平均厚度僅為4—6cm，富含鉆、鉑、鎳、錳、銅、鐵、磷、鈦、鋅、鉛、鈰等戰(zhàn)略物質(zhì)。由于其巨大的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，深海鈷結(jié)殼開(kāi)采技術(shù)與裝備的研究已成為國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 鈷結(jié)殼開(kāi)采研究的第一個(gè)難題和關(guān)鍵問(wèn)題，就是如何從高低不平的海底基巖上將薄薄的一層鈷結(jié)殼破碎剝離下來(lái)，而且要保證足夠大的采集率、較小的廢石混入率和比能耗，同時(shí)破

2、碎鈷結(jié)殼及其基巖塊度的分布要求比較合理，能順利通過(guò)揚(yáng)礦系統(tǒng)提升到水面支持船上，又能盡量減少對(duì)環(huán)境的污染。而采集率、廢石混入率、破碎能耗和塊度分布規(guī)律不但與螺旋切削式采集頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，更重要的是與采礦過(guò)程中不同海底微地形上采集頭的不同工作參數(shù)有關(guān)。 本文在國(guó)務(wù)院大洋專(zhuān)項(xiàng)的支持下，作為“鈷結(jié)殼采集模型機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究”項(xiàng)目的一個(gè)子課題，對(duì)螺旋切削式采集頭截割、破碎鈷結(jié)殼時(shí)的力學(xué)特性(包括極限參數(shù))、破碎塊度分布規(guī)律、不同海底

3、微地形上采集頭的工作參數(shù)匹配等難題進(jìn)行了深入研究，旨在為開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鈷結(jié)殼開(kāi)采技術(shù)與裝備提供理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 論文研究了截齒和采集頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和截割力學(xué)特性，提出了采集頭穩(wěn)定截割、不出現(xiàn)拖削現(xiàn)象的條件，并給出了具體的采集頭旋轉(zhuǎn)速度和前進(jìn)速度之間的約束范圍；根據(jù)不同地形和采集頭不同軸心高度確定截齒的切削區(qū)域，得到了切削區(qū)域內(nèi)同時(shí)處于切削狀態(tài)的截齒數(shù)模型。 為了降低開(kāi)發(fā)成本，減小開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和縮短開(kāi)發(fā)周期，本文將計(jì)

4、算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于鈷結(jié)殼螺旋切削式采集過(guò)程的研究中。根據(jù)所建立的模型，研制了計(jì)算機(jī)仿真程序，模擬采集頭截割破碎過(guò)程，得到采集頭的力學(xué)參數(shù)變化趨勢(shì)圖和極限值，為采集頭的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 論文通過(guò)分析鈷結(jié)殼螺旋切削式采集過(guò)程中切屑的形成機(jī)理，建立了不同工況下鈷結(jié)殼瞬時(shí)未變形切屑厚度的計(jì)算模型，推導(dǎo)出了切屑的厚度與海底微地形特征、采集頭的軸心高度、采集頭的前進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)截割速度有關(guān)；根據(jù)鈷結(jié)殼及其基巖的分形特征，將分形理論引入到鈷

5、結(jié)殼破碎塊度分布規(guī)律的研究中，提出用分形分布模型來(lái)描述鈷結(jié)殼及其基巖的破碎塊度分布規(guī)律，該方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。論文針對(duì)單獨(dú)采用遺傳算法和模擬退火算法進(jìn)行尋優(yōu)時(shí)存在的問(wèn)題與缺陷，提出了一種改進(jìn)的模擬退火混合遺傳算法，并將之應(yīng)用于采集頭工作參數(shù)的優(yōu)化研究中，取得了滿意的結(jié)果。但由于采用模擬退火遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化迭代比較耗時(shí)，滿足不了采礦車(chē)實(shí)時(shí)開(kāi)采控制的需要，為此，本文對(duì)復(fù)雜的海底微地形按高程差分為11級(jí)，建立對(duì)應(yīng)各分級(jí)地形特征的工作參數(shù)優(yōu)化