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分类号 UDC 密级 编号 幸l 初大粤 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目 笪缱焘竖叠送笪基塞达塑型叁塑 垡垡遮盐盈甚边垄堂垡真 学科、专业垫拯塾王王堡 ． 研究生姓名睦鎏童 导师姓名及 专业技术职务 奎整到整撞 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名菹篮盏 日期 趁丛年互月也目 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名避盏 导师签名杰望日期皿年』月尘日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 在钴结壳开采过程中，对钴结壳及其基岩的破碎是一个重要的环 节，既要保证足够高的采集率，又要能降低破碎比能耗和废石混入率， 这是相关研究的关键问题。 论文通过理论推导，建立了优化模型，并构建一种基于遗传算法 和蚂蚁算法的混合算法，针对不同的微地形，对所建的优化模型进行 优化，同时运用L S ．D Y N A 对模型进行动力学仿真，最后通过实验验 证该优化模型的正确性。本文的主要成果及结论如下 1 、根据海底采矿作业的特点，对截齿、采集头进行了力学分析， 得到了截齿、采集头受力的计算公式；根据螺旋滚筒及其截齿的运动 特性，推导出钻结壳切削平均切削厚度的近似计算方法。 2 、根据采集头的工作特点，推导出截齿的三向阻力的计算公式； 根据海底微地形的特点，建立采集头切削钴结壳及其基岩的采集量计 算模型；在考虑比能耗、采集率、废石混入率多种因素下，建立了优 化模型。 3 、构建一种基于遗传算法和蚂蚁算法的混合算法，该算法充分 利用了遗传算法全局快速寻优和蚂蚁算法局域收敛性能好的优点，取 得了优化性能和时间性能的双赢，同时编制了相应的优化设计程序， 针对不同的微地形，对所建的优化模型进行优化，最后对优化结果进 行线性回归分析，分别得到了采集头轴心高度、牵引速度、滚筒转速 与粗糙度、相对平均高程、高程平均标准差之间的关系。 4 、运用A N S Y S ／L S ．D Y N A 对钴结壳的切削过程进行了模拟，通 过模拟得出了在不同切削速度下钴结壳切削比能耗和切削力3 个方 向分力的变化规律，从而验证优化设计结果的正确性；运用M A T L A B 对三向阻力进行频谱分析，得到了频域中各载荷的能量分布曲线，从 中分析得出各向载荷的主要频率集中在0 - 2 0 H z 之间，从而在进行采 集头结构设计时要尽可能使其固有频率远离主要频率。 5 、根据上述研究，作者进行了实验研究，通过实验测试证明， 实验的结果与优化设计的结果吻合较好，达到了预期的理论研究目 的。 关键词比能耗，采集率，废石混入率，遗传蚂蚁算法，L S ．D Y N A I I 中南大学硕士学位论文 A B S l R A C T A BS T R A C T I nt h ep r o c e s so fm i n i n gc o b a l tc r u s t ，c r u s h i n go fc o b a l t - r i c ha n di t s b e d r o c ki sav e r yi m p o r t a n ts t e pb e c a u s ei th a st oe n s u r eh i g hc o l l e c t i v e r a t ea n dr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o nr a t i oo fc r u s h i n ga n dw a s t ei n o r e r a t e ．T h i si st h ek e yi s s u eo ft h er e l e v a n tr e s e a r c h ． T h i sp a p e r , o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n ，e s t a b l i s h e sa n o p t i m i z a t i o nm o d e l ．I na d d i t i o n ，ah y b r i da l g o r i t h mb a s e do ng e n e t i c a l g o r i t h m a n da n t a l g o r i t h m i s b u i l t ．M o r e o v e r , c o r r e s p o n d i n g o p t i m i z a t i o ni s m a d eo nt h eo p t i m i z a t i o nm o d e li na c c o r d a n c ew i t h d i f f e r e n tt i n y t o p o g r a p h i e s ．M e a n w h i l e ，L S D Y N Ai s u s e dt od oa d y n a m i cs i m u l a t i o no nt h em o d e l ．F i n a l l y , e x p e r i m e n ti su s e dt ov e r i f y t h ec o r r e c t n e s so ft h eo p t i m a lm o d e l ．T h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w i n g 1 ．I nl i g h to ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e a - f l o o rm i n i n g ，m e c h a n i c a l a n a l y s i s o ft h ep i c ka n dt h em i n i n gh e a di sc o n d u c t e da n dt h ef o r c e c a l c u l a t i n gf o r m u l a so ft h ep i c ka n dm i n i n gh e a da r ew o r k e d o u t ． A d d i t i o n a l l y , i nl i g h to f t h ek i n e t i cc h a r a c t e r i s t i c so fh e l i c a ld r u ma n di t s p i c k ，t h ea p p r o x i m a t ec a l c u l a t i n gf o r m u l af o ra v e r a g et h i c k n e s so fc o b a l t c r u s tc u t t i n g ． 2 ．A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em i n i n gh e a d ，c a l c u l a t i n g f o r m u l a sf o rt h r e ed i r e c t i o nr e s i s t a n c ef o r c eo f p i c k sa r ed e d u c e d ．A n da c a l c u l a t i n gm o d e lf o rc o b a l tc r u s tc u t t i n ga n dc o l l e c t i o nc a p a c i t yo fi t s b e d r o c ki s e s t a b l i s h e d ．B e s i d e s ，a no p t i m i z a t i o n m o d e li sb u i l t c o n s i d e r i n gm a n yf a c t o r ss u c ha sc o n s u m p t i o nr a t i o ，c o l l e c t i v er a t ea n d w a s t ei n - o r er a t e ． 3 ．Ah y b r i da l g o r i t h mb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h ma n da n ta l g o r i t h m i sb u i l t ．T h eh y b r i da l g o r i t h m ，b ym a k i n gf u l lu s eo fg l o b a lf a s t n e s so f g e n e t i ca l g o r i t h ma n da c c u r a c y l o c a lc o n v e r g e n c eo fa n ta l g o r i t h m ， r e a l i z e so p t i m i z a t i o na n ds a v e st i m e ．A tt h es a m et i m e ，t h ec o r r e s p o n d i n g o p t i m a ld e s i g np r o g r a m i sd e s i g n e dt oo p t i m i z et h eo p t i m i z a t i o nm o d e l e s t a b l i s h e di na c c o r d a n c ew i t hd i f f e r e n tt i n yt o p o g r a p h i e s ．F i n a l l y , a l i n e a r r e g r e s s i o na n a l y s i s o ft h e o p t i m i z a t i o n r e s u l t sr e v e a l st h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e na x i s h e i g h to fm i n i n gh e a d ，t r a c t i o ns p e e d ，t h e r o t a t i n gs p e e da n dr o u g h n e s s ，r e l a t i v ea v e r a g eh e i g h t ，a v e r a g ee l e v a t i o n I I I 中南大学硕士学位论文A B S T R A C T o ft h es t a n d a r dd e v i a t i o n ． 4 ．A N S Y S ／L S ．D Y N Ai Su s e dt oc a r r yo u tad y n a m i cs i m u l a t i o no fa c o b a l tc r u s t sc u t t i n g ．A n dv a r i a t i o nr u l e so fe n e r g yc o n s u m p t i o nr a t i oo f t h ec o b a l tc r u s t sc u t t i n ga n do ft h r e ed i r e c t i o nr e s i s t a n c ea r ec o n c l u d e d f r o mt h es i m u l a t i o nw h i c hv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so ft h eo p t i m a ld e s i g n r e s u l t s ．E n e r g yd i s t r i b u t i o nc u r v e so fe v e r yl o a di nt h ef r e q u e n c yf i e l da r e d i s c o v e r e db yu s i n g ⅣL A T L A Bt oa n a l y z et h ef r e q u e n c ys p e c t r u mo ft h r e e d i m e n s i o n a lr e s i s t a n c e ．T h ea n a l y s i so ft h ee n e r g yd i s t r i b u t i o nc u r v e s r e v e a l st h a tt h em a i nf r e q u e n c i e so fl o a d sc e n t e ri nt h er a n g eo f0 ～2 0 H z ． T h e r e f o r e ，i nt h ed e s i g no ft h es t r u c t u r eo fc u t t i n gh e a d ，t h en a t u r a l f r e q u e n c yo fc u t t i n gh e a ds h o u l dk e e po f f t h em a i nf r e q u e n c i e s ． 5 ．B a s e do nt h ea b o v em e n t i o n e dr e s e a r c h ，t h ea u t h o r sc o n d u c t sa n e x p e r i m e n tr e s e a r c h ．T h ee x p e r i m e n tt e s tv e r i f i e st h a tt h eo p t i m a lr e s u l t s a n dt h e e x p e r i m e n tr e s u l t s a r es i m i l a r , t h u sa c h i e v i n gt h e e x p e c t e d p u r p o s eo f t h et h e o r yr e s e a r c h ． K E YW O R D S e n e r g yc o n s u m p t i o nr a t i o ，c o l l e c t i v er a t e ，w a s t ei n o r e r a t e ，g e n e t i ca n ta l g o r i t h m ，L S - D Y N A I V 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．i 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究开发现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 国外钴结壳开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 国内钴结壳开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 优化设计方法发展概述及算法的比较和选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．4 课题来源及课题研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 ．1 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．4 ．2 课题研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．5 课题研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 第二章螺旋滚筒采集头力学分析及切削厚度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 采集头截齿的选择和布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．1 采集头截齿的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 ．2 采集头截齿的布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 采集头力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 ．1 截齿受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．2 截齿平均载荷计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．2 ．3 采集头受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．3 采集头切削过程切屑形成机理与平均切削厚度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 第三章螺旋滚筒采集头优化模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．1 螺旋滚筒总功率计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 0 3 ．2 破碎钴结壳及其基岩的体积采集量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．3 破碎钴结壳及其基岩的采集量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．4 优化模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．1 破碎比能耗⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．2 钻结壳采集率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．3 废石混入率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．5 约束条件的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．5 ．1 优化变量的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．5 ．2 优化变量的约束⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 第四章基于遗传蚂蚁算法的螺旋滚筒采集头参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．1 遗传蚂蚁算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 中南大学硕士学位论文目录 4 ．2 优化结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．1 采集头切削参数优化结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 ．2 优化结果线性回归分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 第五章钴结壳切削过程的动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．1L S ．D Y N A 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 三维有限元切削模型切削过程的模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．2 ．1 切削模型模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．2 ．2 三维实体模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．2 ．3 单元类型及材料模型的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 ．4 几何模型和网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 ．5 定义接触和边界条件及载荷条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 5 ．2 ．6 习电解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 5 ．2 ．7 计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．3 钴结壳切削过程的三向阻力频域分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 第六章实验与验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 6 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 6 ．2 实验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 6 ．2 ．1 实验台的构造及其工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 ．2 ．2 制作钴结壳及基岩模拟料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．2 ．3 实验测试系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．3 实验参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 6 ．4 实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 6 ．4 ．1 实验一的结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 6 ．4 ．2 实验二的结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 ．4 - 3 实验三的结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．5 实验结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 第七章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 7 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 7 ．2 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 课题研究背景 富钴结壳，又称钴结壳、铁锰结壳。一般形成于水深为4 0 0 , - - 4 0 0 0 m 的海山 和海台顶部和斜面上，其中厚度较厚及钴含量较高的钴结壳主要存在于 8 0 0 ～2 5 0 0 m 的洋底。富钴结壳中钴的含量可达1 ％以上，远高于陆地上钴矿的含 量 一般低于0 ．1 ％ ，除了钴之外富钴结壳中还含有钛、铈、镍、铂、锰、铊、 锑、钒等其它稀有金属 见表1 ．1 。陆地钻矿资源日益枯竭，而世界每年钴消耗 量以4 ％左右的速度递增【H 】。 表1 ．1 钴结壳中元素的含量 钴、锰、镍元素在性能方面，如硬度、强度及抗腐蚀性都是非常适合用于工 业生产的。钴结壳本身就含有这些元素，然后利用它们的性能优势恰当地运用到 钢铁生产中。工业化国家中，生产超合金，航天工业都是要消耗2 5 0 ／旷5 0 ％的钴。 像太阳能电池的生产、一些激光系统及刀具这些用于化学生产及高科技产业都要 用到钴、锰、镍等。 近半个世纪以来，全球人口数量日趋增多，人们在衣，食、住、行方面对能 量的需求不断加强，造成资源的供应日渐紧张。所以，全球各国 包括发达国家 逐渐把工业重心转向海洋，只有有效的开发和利用海洋资源，不断地向海洋获取 资源，才能促使人类社会不断发展。相比而言，我国是全球人口最多的国家，而 在矿产资源方面，人均占有量却远低于全球人均水平。这就让我们想到了，国民 经济建设要发展是不能完全靠走发展金属的工业储存量之路【5 ．8 】。我国所面临的 形势如此严峻，所以把目光投向了海洋，开始从事探究深海资源领域的工作。我 国在8 0 年代初就开始初步对太平洋海域的锰结核资源进行了一系列的考察和研 究。在这次考察和研究中，我们也获取了许多有价值的信息，这为我国未来开采 海洋资源打下了坚实的基础。后来，中国大洋矿产资源研究开发协会先后制定了 国际海底区域研究开发“十五“ 立项指南和国际海底区域研究开发“十五“ 计划，这其中都将“钴结壳采集模型机关键技术及其装备研究“ D Y l 0 5 ．0 3 ．0 2 和“钴结壳资源评价与研究’’ D Y l 0 5 ．0 1 作为重点项目来研究[ 9 】o 协会制定这 项指南和计划的目的不仅仅是为了维护我国的海洋权益，更重要的是让我国能更 好的适应当前国际海底区域资源开发的新形势，从而稳步的推进我国海底资源开 l 中南大学硕士学位论文第一章绪论 发速度。 1 ．2 国内外研究开发现状 1 ．2 ．1 国外钴结壳开采现状 直到1 9 8 1 年，德国“太阳号’’科考船率先对中太平洋的富钴结壳开展专门 调查之后，富钻结壳才真正受到世界各国政府的高度重视和海洋学家的密切关注 拉J ，美国、日本、俄罗斯、德国等发达国家相继开展了一系列研究工作。 1 美国的钴结壳研究 美国地质调查所与1 9 8 3 、1 9 8 4 、1 9 8 6 年三年时间派多批次海洋考察船分别 对太平洋、大西洋等海域进行了一系列的钴结壳资源调查和研究，尤其是对中部 太平洋海山作了详细的调查，调查结果发现在夏威夷群岛．约翰斯顿环礁及其他 岛屿周围海域蕴藏有大量的钴结壳资源，据不完全统计，在该海域5 万多平方公 里的区域里，拥钻结壳资源的含量高达3 亿多吨，以当时世界的平均消耗水平计 算，如果将该资源开采出来后可供世界各国消费1 0 0 多年。美国于1 9 8 7 年通过 一份联合报告公布了此次调查和研究的结果，在报告当中详细的概述了专属经济 区内的钴结壳资源，同时提出了相应开采方案。此报告一公布，便得到了美国国 家海洋大气局、矿山局的大力支持，许多研究所、高等院校、科研院所和商业公 司都积极的参与了钴结壳资源的调查和开采方案的研究【1 0 ’1 1 】。 作为采矿系统的的关键装备之一，J o h n E ．H a l k y a r d 提出的钴结壳采矿车如图 1 ．1 所示，由多条三角形行走履带驱动。由于钴结壳的厚度只有4 - 6 c m ，为了适 应海底微地形的起伏，在采矿车上装备了6 个带切割头的机械臂，相应的采集切 割头如图1 ．2 所示，由机械臂的上下移动来调节采集头的工作高度，尽量少切削 甚至不切削基岩，达到尽可能多的破碎钴结壳的目的。破碎后的钴结壳及其基岩 由机械臂后的水力吸矿器吸入储存仓，再经二次破碎及分选，由扬矿管提升到水 面支持船【l 。 通过对水射流切削、冲击破碎、盘刀式轧削和螺旋滚筒式截齿切削等切削方 法进行比较，并得出相应的切削力、破碎比能耗后，H a l k y a r d 及其公司通过对样 品的切削试验结果的分析，认为螺旋滚筒式切削是切削钴结壳及其基岩的最佳方 法[ 1 2 】。目前，从世界各研究机构提出的方案来看，基于这种切削方法的能耗最 低，基本上也采用这种方法，见表1 ．2 。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 表1 - 2 不同切削方法下钴结壳切削的能耗 图1 - 1 采矿车结构示意图图1 - 2 切割头 2 日本钴结壳研究 1 9 8 2 年日本金属采矿局以政府控股 占总资金的8 0 ％ 的形式，成立了深海 资源开发公司，制定了具体的钴结壳开采计划。从1 9 8 5 年开始，连续多年对南 鸟岛海域、西太平洋第5 号T a k u y o u 海山区域进行钴结壳调查，发现除了裸露在 海底表面的钴结壳之外，在其底部海底沉积物下还埋藏有大量的钴结壳，其总贮 量远远超过以前的估计【1 3 。1 5 】。为了更有效地掌握钴结壳的丰度及其基岩的情况， 日本金属采矿局在9 0 年代初研制成功了一个钴结壳岩芯取样机。通过该采样机 对多处岩芯取样，日本政府己经完全掌握了开采钴结壳资源所需要的第一手地质 资料。Y a m a z a k i 等人在公开场合发表了多篇研究成果。介绍了钻结壳储量的估 算模型、采矿车设计时所需要的钴结壳分布特征参数等，为未来日本钴结壳开采 指明了方向。 3 俄罗斯钻结壳研究 俄罗斯从1 9 8 2 年起，就对钴结壳进行了无间断的调查，1 9 8 6 ．1 9 9 3 年间就进 行了2 0 多个航次的调查，主要集中在西太平洋近赤道北部地带。俄罗斯在十多 年的时间里分别对太平洋、大西洋和印度洋三大洋各海域的多座海山进行了调查 研究，发现了大量的钴结壳，获得大量调查数据并在调查区域划出了钴结壳矿 带。K P O H 等人通过研究目标区的钴结壳及其基岩的物理机械性能及对比钴结壳 中南大学硕士学位论文第一章绪论 及其基岩与煤岩性能的特征值，从而得出结论钴结壳及其基岩的切削性能与煤 岩相当[ 1 6 - 1 7 】。但是目前俄罗斯并没有进行更深一步的研究。 4 德国钴结壳研究 为了尽早实施中太平洋锰钴结壳调查计划，德国在1 9 8 1 ．1 9 8 5 年间，花 了为期5 年的时间来实施，成了世界上目前调查研究深海矿产资源最积极的国家 之一。随后通过一系列紧密的调查，发现较大范围的钴结壳矿床存在太平洋区域， 由此对太平洋海域的钴结壳资源分布、地球化学特征以及成因作了系统的研究 [ 1 - 2 ] 。研究结果表明，大面积的具有巨大经济价值的钴结壳矿床存在太平洋的海 底，其中钴的含量远远大于多金属结核的含量，其所含金属的质量和价值远远大 于相应的深海多金属结核中金属的质量和价值，其它稀有金属，如 M 。、凡、M 、C “、R 等的含量也大大超过陆地上相应的资源。据相关文献记载 所知，德国主要集中在对钴结壳资源分布及成因等方面的研究，但是遗憾的是并 没有对钴结壳开采技术与装备方面进行系统的研究。后来，济根大学的施瓦兹教 授等人与印度合作，成功进行了海底采矿多金属结核的试验，并且在扬矿管道、 系统提升方面都做了大量的仿真与试验，对钴结壳的开采研究具有很大的借鉴意 义。 其它国家也开始对钻结壳进行系统的调查和研究，如法国对法属波利尼西亚 海域矿产的分布进行路人详细的调查和研究；英国、印度、韩国、南非等国在制 定了相应的开发计划的同时，对钴结壳也都进行了大量的研究工作【1 8 】。 为了减少投资风险、节约成本、提高采集效率，世界各国开始有效的把虚拟 现实技术应用到深海资源开发系统研究中。如美国科拉多矿冶学院的C h u n gJ ．S ． 教授进行了扬矿系统垂直管道的运动学与动力学分析及仿真【1 9 珈】；日本在其锰结 壳开采系统研究开发中在实际开采实验之前进行了大量的仿真研究，对各种气候 条件下扬矿管道的布放和回收行为、集矿机与管道船的集成控制等进行了精确的 分析和校验[ 2 1 - 2 2 1 ；德国济根大学的D r ．．I n g ．W i l h e l mS c h w a r z 教授研究了采矿系 统及采矿系统软管的有限元模型及三维空间形态，对环境影响也进行了仿真研究 【2 3 】；韩国1 9 9 2 年起加速深海矿产资源勘探、开采和加工技术工作，韩国政府制 定了为期2 0 年 1 9 9 1 ．2 0 1 0 年 的深海采矿战略计划，将采矿系统计算机模拟作为 主要研究内容之一【2 4 】；丹麦、挪威等在深海采矿系统的计算机模拟研究方面也 做出了大量的研究工作[ 2 5 J 。 综上所述，国外先进发达国家对钴结壳的开采技术与装备的研究主要集中在 采矿车的结构设计上，还没有研究随着海底微地形及切削深度的不同，采集头受 力的变化规律、相应的极限值和能耗或比能耗变化情况；对于如何更好地调整采 矿车的结构参数和切削参数，从而使采矿车的工作状态处于最佳，是未来研究的 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 重点。 1 ．2 ．2 国内钴结壳开采现状 与国外先进国家相比，我国在深海资源开发研究方面，尤其是对富钴结壳的 研究起步较晚，并且都是以政府形式组织和支持的。我国科学家曾参加1 9 8 4 年 德国“太阳号”调查船在中太平洋海山区进行的富钴结壳调查工作【2 6 1 。三年之 后 1 9 8 7 年 ，我国“海洋四号”科学考察船通过详细的调查，首次采获了几百公 斤富钴结壳样品，但并未开展深入研究。我国于2 0 世纪9 0 年代中期开始开展了 富钴结壳的正式航次调查【1 ，2 7 之9 1 。2 0 0 6 年1 月2 2 日“大洋一号“ 船执行的 D Y l0 5 17 航次完成我国首次环球大洋科学考察，本航次历时2 9 7 天，航行4 3 2 3 0 海里，出色地完成了多学科、多领域、综合性的三大洋考察任务，首次成功地获 得了三大洋中脊热液硫化物样品和在极端环境下的生物样品，实现了我国大洋工 作由单一区域 太平洋 向全球各大洋区 太平洋、大西洋、印度洋 、由单一 资源调查 矿产资源、生物资源 向资源与科学相结合的综合考察的实质性转移， 同时也拓展了我国在国际海底区域研究开发的新领域。2 0 0 6 年1 1 月1 6 日“大 洋一号”船圆满完成了2 0 0 6 年度大洋考察、南海地质地形综合调查、南海综合 海试三个航次的出海任务，三个航次共计历时1 8 9 天，航程2 6 6 0 0 海里。2 0 0 7 年大洋一号船D Y l l 5 ．1 9 航次大洋科考任务历时2 2 4 天，航程3 6 7 1 3 海里，考察 区域涉及西南印度洋、西南太平洋和西太平洋的部分海域，首次在印度洋中脊成 功发现了新的海底热液活动区，实现了中国人在该领域“零”的突破，对我国国 际海底资源研究与开发有着重要意义。2 0 1 0 年“大洋一号“ 船圆满完成大洋考 察历史上最长的海试任务，海试历时5 3 天、航行6 8 6 5 海里完成2 0 1 0 年综合海 试任务，共有来自国家海洋局第二海洋研究所、国家海洋局北海分局、北京先驱 高技术开发公司、中国科学院声学所等2 1 个国内单位及英、法等国外的科研及 后勤保护人员1 2 0 人参加1 3 引。 在借鉴国外钴结壳开采方案的同时，我国根据钴结壳的物理机械性能参数和 开采环境的特点提出了符合中国国情的钴结壳开采方案及相应的采矿装置。海底 采矿车由集矿机构、履带式行走机构、螺旋切削式采集头、微地形探测仪等组成， 如图1 ．3 a ，采集头安装在采矿车的底部，如图1 ．3 b 。 国内通过大量研究，基本完成了对钴结壳矿区的圈定，但是遗憾的是很少涉 及到钴结壳开采方法及关键装备的相关研究。中南大学、长沙矿山研究院、长沙 矿冶研究院在“十五’’期间联合开展了部分钻结壳开采方法及关键装备的研究， 弥补了我国在这方面研究的不足。 | 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 a 采矿车组成示意图b 采集头安装示意图 1 驱动轮2 车身3 提升管道4 支撑臂5 履带6 进给油缸7 采集头8 集矿头9 导向轮 1 0 微地形探测仪 图1 - 3 海底钴结壳采矿车工作装置示意图 我国在深海多金属结核开采系统的研制开发过程中也进行了计算机仿真方 面的研究。如长沙矿山研究院对扬矿输送软管及对集矿机的作用力进行了计算 机仿真分析，得到了集矿机的海底安全行驶区域等结论【3 3 】；7 0 2 所、北京科技大 学对深海采矿系统的运动学和动力学问题进行了计算机模拟【3 4 】；中南大学、7 0 2 所、清华大
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