深海鈷結(jié)殼螺旋切削采集過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)濟價值，深海鈷結(jié)殼開采技術(shù)與裝備的研究已成為國內(nèi)外研究的一個熱點。 鈷結(jié)殼開采研究的第一個難題和關(guān)鍵問題，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，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，能順利通過揚礦系統(tǒng)提升到水面支持船上，又能盡量減少對環(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)。 本文在國務院大洋專項的支持下，作為“鈷結(jié)殼采集模型機關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究”項目的一個子課題，對螺旋切削式采集頭截割、破碎鈷結(jié)殼時的力學特性(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)匹配等難題進行了深入研究，旨在為開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鈷結(jié)殼開采技術(shù)與裝備提供理論指導和實驗依據(jù)。 論文研究了截齒和采集頭的運動規(guī)律和截割力學特性，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)同時處于切削狀態(tài)的截齒數(shù)模型。 為了降低開發(fā)成本，減小開發(fā)風險和縮短開發(fā)周期，本文將計

4、算機仿真技術(shù)應用于鈷結(jié)殼螺旋切削式采集過程的研究中。根據(jù)所建立的模型，研制了計算機仿真程序，模擬采集頭截割破碎過程，得到采集頭的力學參數(shù)變化趨勢圖和極限值，為采集頭的設計提供了理論依據(jù)。 論文通過分析鈷結(jié)殼螺旋切削式采集過程中切屑的形成機理，建立了不同工況下鈷結(jié)殼瞬時未變形切屑厚度的計算模型，推導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報道。論文針對單獨采用遺傳算法和模擬退火算法進行尋優(yōu)時存在的問題與缺陷，提出了一種改進的模擬退火混合遺傳算法，并將之應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行優(yōu)化迭代比較耗時，滿足不了采礦車實時開采控制的需要，為此，本文對復雜的海底微地形按高程差分為11級，建立對應各分級地形特征的工作參數(shù)優(yōu)化