软底质行驶履带式实验车的设计研究.pdf

分类号U D C 硕士学位论文 密级 软底质行驶履带式实验车的设计研究 R e s e a r c ha n d D e s i g no f T r a c k e dE X p e r i m e n t a lV e h i c l e 1 Y a c k i n go nS o RR o a dlr a C K l n gO n3 0 nK O a Q 作者姓 学科专 学院 系、 指导教 名 王国庆 业机械电子工程 所 机电工程学院 师刘少军教授 答辩委员会主席砬宰蜂 中南大学 2 0 1 2 年6 月1O 日 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。 一 17． 作者签名圭 垫丝日期上尘L 年』月卫日 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。 摘要 集矿机作为深海多金属结核采矿系统的重要组成部分，行驶在 6 0 0 0 m 的深海底。深海底沉积物具有低承载性和低剪切性，是一种完 全不同于陆地的“稀软”特性的极限底质，集矿机在行驶过程中存在 沉陷和打滑等问题，同时深海底环境复杂，因此如何控制履带式集矿 机按照预定的轨迹安全、平稳的行驶，从而实现高效的采矿，是目前 深海集矿机研究的主要内容。本文针对履带式集矿机防滑控制、定位、 路径规划和跟踪等行驶问题的实验研究需求，研制了一台软底质行驶 履带式实验车。 根据深海集矿机的基本构成和中国集矿机的基本情况，结合实验 要求以及实验室基本条件，提出了履带式实验车的设计要求，并对实 验车总体方案进行了研究。实验车由履带行走系统、动力及传动系统、 控制系统以及供电系统四部分组成。 对软底质行驶履带式实验车关键部件进行了设计和分析；对履带 板的结构参数进行了设计研究，获得了履带式实验车驱动轮主轴转矩 等参数。在多刚体动力学仿真软件A D 舢ⅥS ／A Ⅳ中，对实验车进行 了软路面行驶仿真分析，验证了实验车设计的合理性。 通过对测控子系统和监控子系统的功能分析，完成了实验车控制 系统的硬件和软件的设计。针对实验车上电气设备受到的来自伺服驱 动器的电磁干扰问题，采取了必要的抗干扰措施。 在软底质条件下，对所研制的履带式实验车进行了实验研究，实 验结果表明实验车行走稳定，控制系统可靠实用，实验数据能够正常 采集，实验车可作为集矿机软底质行驶问题研究的实验平台。 关键词集矿机，行驶问题，软底质，履带式实验车，A D j 蝴S ／A T V A B S 瞰C T A sa ni m p o r t a 呲p a r to fp 0 1 y m e t a l l i cn o d u l em i n i n gs y S t e m ，m e s e l f p r o p e l l e ds e a n o o r 舰c k e dm i n e rm n o nt h es e a b e a do f6 0 0 0m e t e r s 眦l d e 刑a t e r ．T h es e a f l o o rs e d i m e n tw i m1 0 wl o a d i n ga n dl o ws h e a ri s c o n l p l e t e l yd i 行e r e n t 舶ml a n d ， l e a d i n gt o s u b s i d e n c ea n ds l i p p a g e p r o b l e m si nm e 删n gp r o c e s so fm i n e r ．A n dm eu 1 1 d e r s e ae n V i r o m e n t i sc o m p l e x ．T h e r e f o r e ，i ti sc u r r e n t l yt h em a i nc o n t e n to fd e 印一s e am i n i n g r e s e a r c hm a th o wt oc o n t r 0 1m em i n e rr u ns a f e l ya n 【d 嘲b l yo nt h e s e a b e a da c c o r d m gt oap r e d e t e m i n e dt r 旬e c t o Ⅸ姐da C m e v h 培e f f i c i e n t m 碱n g ．A t r a c k e d e x p e r i m e n t a lV e h i c l e 慨l i n g o ns o f tr o a di sd e v e l 叩e d ， i no r d e rt or e s e a r c ht 1 1 e 仃a v e l i n gp r o b l e m so fm i n e r ，s u C ha s ，枷一s l i p c o n t r 0 1 ，p o s i t i o n i n gc o n 仃o l ，p a mp l 龇m i n ga n dp a t ht r a c k 洫gc o n t r 0 1a n d S 0O n ． T 色c h n i c a lr e q u i r e m e n t s趾dag e n e r a ls c h e m eo fm e仃a c k e d e x p e r i m e n t a l v e h i c l ei s p r o p o s e da c c o r d i n g t on l e e x p e r i m e n t a l r e q u i r e m e n t s觚db a s i c1 a b o 咖c o n d i t i o n s ， a R e ra n a l y s i st ot 1 1 eb a s i c c o m p o s i t i o no fd e e p ．s e am i n e ra n d 戗1 ec o n d i t i o no fC h i I l e s em i n e r ．T h e t r a c k e de x p e r i m e n t a lV e h i c l ei sc o m p o s e do ft r a C ks y s t e m ，p o w e r 髓d t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，c o n t r 0 1s y s t e m ，p o w e rs q p l ys y s t e m ． T h es t r u c t u r e 觚dp a r a m e t e r so f 竹a C kp l a t ea r em a i n l yr e s e a r c h e d ， d u r i n gt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n g 血ek e ym e c h a n i s mo fm et r a c k e d e x p e r i m e n t a lv e h i c l e ．A n dS o m ep a r a m e t e r ss u c ha sm et o r q u eo fd r i V i j r 培 s h a Ra r eo b t a i n e d ．T h ew a 瞄n gp e r f o n 】 l a n c eo ft r a c k e dt e s tv e h i c l e 讹c 1 i n g o ns o Rr o a dw a ss i 舢l a t e di nA Ⅸ蝴S 腹ⅣT h ed e s 啦 r a t i o n a l i 锣o f 口a c k e dt e s tV e l l i c l ew a s V e r i f i e d ． T h eh a r d w a r ea 1 1 ds o 腑a r eo f 廿1 ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ，a R e r 观a l y s i s o n也en m c t i o no f m e a s 丽n g c o n t r o l l i n gs y s t e m a 1 1 d m o n i t o r i n g ．c o n 仃0 1s y s t e m ．A n ds o m em e a s u r e sa r e诋nt oa v o i d e I e c t r o m a g n e t i ci n t e r f ．e r e n c et om ee l e c t r i c a le q u i p m e nm o u n t e do nm e t r a c e de x p e r i m e n t a lV e h i c l e 丘o mm o t o rs e r v od r i V e r ． Ae x p e r i m e n t ms m d yo nm et r a c k e de x p e r i m e n t a lv e K c l ei sc a r r i e d o u ti nm ec o n d i t i o no fs o ＆r o a d ，a R e r 也ee x p e r i m e n t mv e h i c l ei s p r o ￡【u c e d ．T h ee x p e r i m e n tr e s m t ss h o wm a tt h e 仃a c k e de x p e r i m e n t a l v e h i c l ec a nn ms t a b l y ，m ec o n t r 0 1s y s t e mi sr e l i a b l ea n dm ee x p e r i m e n t a l d a t ac a nb eo b t a i l l e d - ．T h e r e f o r e ，m et r a c k e de x p e r i m e n t a lv e l l i c l ec a nb e a st h ee x p e r i m e n t 1 1p l a t f o mt or e s e a r c ht h e t r a v e l 协gp r o b l e m so fm i n e r ． K E YW O R D S 1 c r a c k e dm i n e r ，t r a v e l i n gp r o b l e m s ，s o Rr o a d ，仃a c k e d e p e r i m e n t a lv e h i c l e ，A D A M S 从r V 中南大学硕士学位论文 目录 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．1 课题研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 国内外海底集矿机的研究发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 国外海底集矿机研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 国内集矿机研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 国内外软底质条件下履带式集矿机行驶问题的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 ．1 国外软底质条件下履带式集矿机行驶问题的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．2 国内履带式软底质条件下集矿机行驶问题的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 课题来源及研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．5 本文研究内容及章节安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 第二章软底质行驶履带式实验车方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 深海集矿机的基本构成和中国深海集矿机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 深海采矿作业中履带式集矿机的行驶问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 软底质行驶履带式实验车设计要求及方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．1 软底质行驶履带式实验车设计要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 ．2 软底质行驶履带式实验车总体方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 第三章软底质行驶履带式实验车关键机构设计与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 3 ．1 履带行走系统关键零部件的结构设计与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 ．1 驱动轮结构参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．1 ．2 负重轮结构参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．1 ．3 张紧装置及张紧轮结构参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．1 ．4 行走架的结构参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 履带的结构参数设计与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．1 履带结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 ．2 履刺驱动面倾角分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．2 ．3 履刺高度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．3 履带式实验车动力及传动系统设计与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 ．1 蜗轮蜗杆减速机的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 9 3 ．3 ．2 驱动电机的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．4 实验车软地面行驶仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．1 实验车动力学仿真模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 中南大学硕士学位论文目录 3 ．4 ．2 仿真边界条件设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 3 ．4 ．3 仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 第四章软底质行驶履带式实验车控制系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．1 控制系统方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 履带式实验车控制系统硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．z 1 实验车监控子系统硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．Z 2 实验车测控子系统硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．2 履带式实验车控制系统软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．2 ．1 实验车测控子系统软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．2 ．2 实验车监控子系统软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．3 履带式实验车控制系统抗电磁干扰⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 第五章软底质行驶履带式实验车实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．1 实验车⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．2 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 5 ．3 实验内容及原．理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．4 实验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 第六章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 ．1 论文研究内容总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 ．2 研究工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 攻读硕士期间的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 课题研究背景 第一章绪论 工业革命以来科学技术和人类文明得到了长足的发展，有限的陆地资源己不 能满足人类的需求。因此，世界各国都把寻求资源的目标投向了面积更为广阔且 储有巨大矿产资源的海洋，海洋采矿也成为全世界共同的研究课题【l 】。对海洋中 高品位矿产资源进行合理的、有效的开发和利用，已经被众多国家纳入到基本国 策当中，许多著名的政治家、经济学家都推测，二十一世纪必将是“海洋经济时 年P ”【2 ，3 ，4 ，】 I ～ O 海洋占地球表面积的7 1 ％，其中“蓝色”深海区域的面积高达6 5 ．4 ％。深海 矿产资源不仅种类丰富多样，而且品位明显高于陆地资源。目前所认知的深海矿 产资源中多金属硫化物不仅赋存的海深较浅而且富含铜、锌、铅、金、银，其矿 石平均品位达到铜1 0 ．8 ％、金1 5 ．5 卧、银1 9 1 鲈、锌为4 ．7 ％、铅1 ．2 ％，储量 相当于陆地矿床储量分别为锰4 0 0 多倍，镍1 0 0 0 多倍，铜8 8 倍和钴5 0 0 0 多倍 【5 】，因此被认为是最具商业开采潜力的深海资源。 联合国海洋公约明确规定蕴藏着丰富矿产资源的深海分为国际海底区域 简称区域 和国家管理海域两部分，区域以及其中存储的各种资源属于全人类 共同拥有的财产。为了在富含矿产资源的深海占有一席之地，世界各国纷纷向国 际海底管理局提交矿区登记申请。目前各国己获得审批的多金属结合矿区总矿区 面积约为2 4 0 万k m 2 ，按平均丰度5 5 ～1 0 k 耐计算，结核资源量为1 0 0 亿 2 0 0 亿吨多【6 1 ，图1 ．1 所示为东太平C C 区多金属结核矿区分布图。 i _ ；藩霉} | 羹鋈蘩| l 麓照 图1 ．1东太平洋C C 区多金属结核矿区分布‘7 】 深海采矿系统的开发和采矿设备的研究比陆地采矿技术的研究更加困难，更 具有挑战性。主要原因是采矿设备工作在环境复杂多变的海面和人类无法直接到 达的深海底，恶劣、多变的环境对采矿设备的可靠性提出了更高的要求。早在上 世纪六十年代美国、英国、加拿大、法国、日本等发达国家就已经将采矿的目光 中南大学硕士学位论文第一章绪论 从陆地转移到海洋，凭借其充足的资金和先进的技术对多金属结核开采技术的全 面研究，并验证了多金属结核开采技术的可行性。如何最高效率地将海底多金属 结核提升到海面，是深海采矿系统发展过程中最基本的问题【8 】。西方国家经过多 年探索提出了多种开采系统拖斗式采矿系统、连续绳斗 C L B 开采系统、自动 穿梭艇式开采系统、集矿机．管道提升采矿系统【9 ，l o 】。拖斗式采矿系统和C L B 采 矿系统分别由美国加利福利亚大学和日本提出【1 1 1 ，这两种采矿系统结构都比较简 单，但存在几个共同的缺点可控性和适应性差、采矿效率低。穿梭艇式采矿系 统最初由法国所设计，该系统设备独立、灵活性好、采集效率高、回采损失小， 但要求非常先进的设备制造技术和遥控技术，造价高、开发难度大，而且能源和 投资回收期长，进行模型实验后而暂停研究。 上世纪七十年代各国对深海采矿系统的研究工作达到高峰期【1 2 】，此时集矿 机集矿一管道提升采矿系统应运而生。如图1 - 2 所示，该系统主要由自行式海底 集矿机、扬矿管道系统、水面支撑船以及控制系统等几大部分组成。西方国家对 该系统进行了大量的理论研究和多次海试，结果都表明该系统在技术上是可行 的，与其他采矿系统相比是最具前途的深海商业开采系统。 我国深海采矿技术起步较晚，在综合国外研究的基础上，结合我国“八五” 期间的基础性研究成果和“九五”前期对采矿系统的理论研究和实验研究成果， 将集矿机集矿一扬矿管道提升系统 中式系统 作为我国大洋多金属结核采矿系 统l l3 1 。图1 ．3 所示为我国针对多金属结核开采设计的中式采矿系统的结构简图。 图1 ．2 集矿机集矿和管道提升采矿系统 1 。2 国内外海底集矿机的研究发展现状 1 ．2 ．1 国外海底集矿机研究现状 1 一布放诬。收装置 2 采矿支持船3 - 掺璺 挽熹系统。 4 一集矿机5 一水声定位部分 。 图1 ．3 我国深海采矿系统结构简副1 4 】 自行式集矿机是集矿机集矿一扬矿管道提升采矿系统不可或缺的一部分，主 要任务是收集海底多金属结核，将其破碎后泵送到扬矿软管内【1 5 】。2 0 世纪7 0 年 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 代开始，世界各国开始对集矿机进行设计和研究，积累了丰富的经验并取得了一 定的成果。目前为止西方国家所研制的集矿机中最有代表性的有以下几种 美国O M C O 研制的集矿机如图1 _ 4 所示，该车长总体尺寸为3 4 1 5 I m 2 4 4 0 m m 2 1 0 0 1 1 m 。该集矿机采用独特的阿基米德螺旋式行走机构，在行驶过 程中，螺旋叶片插入深海沉积物中，螺旋体旋转时推动海泥，在海泥的反作用力 下，通过控制叶片旋转方向，实现集矿机的前进于后退。这种行走机构的虽然结 构简单，海底通过性能也较好，但是行走时打滑严重、承载能力低、功率消耗大 且对海底扰动很大，影响海洋生态环境。 上世纪七十年代开始德国就已经启动了深海集矿机的研究工作，经过数十年 的研究和实验，形成了具有德国特色的多金属结核采矿系统【1 6 1 。在德国集矿机 研究过程中，锡根大学的集矿机最具代表性，如图1 ．5 所示。为了更好地适应海 底地形的变化和方便越过海底障碍物，该车采用特殊形式的摆动车架，而且支撑 轮也能摆动。该车的履带板结构简单，履刺采用橡胶材料，截面形状为渐开线， 履刺与沉积物的作用相互作用原理类似于齿轮与齿条之间的啮合，对底质土壤的 扰动作用较小。 、 1 4 ‘ 如 1 ．破碎机2 ．电动机3 ．测温计4 ．液压泵5 ．密塞 计6 ．油箱7 ．辩浆篆8 ．覆繁9 ．庶盘1 0 ．传送 带1 1 。囊矿头 图1 - 4 美国O M C O 研制的集矿机图1 ．5 德国锡根大学集矿机 印度在多金属结核采矿方面的研究起步较早，但是由于各种原因并没有取得 突破性的进展。如图1 ．6 所示为印度研制的集矿机，其中独特的集矿头为自行研 究，而履带式行走架采用了德国锡根大学研制的集矿机行走架，该集矿机于19 9 9 年7 月进行了2 0 0m 浅海实验，并取得了成功【1 7 ，1 8 ，1 9 1 。 近年来韩国在深海多金属结核采矿领域的研究非常活跃，并且取得了丰富的 研究成果。如图1 ．7 所示为韩国海洋研究与开发研究院 K O R D I 研制的履带式 集矿机样机，该集矿机样机是按照商业开采集矿机实际尺寸的5 ％．1 0 ％来设计 的，其总体尺寸为长5m 宽4m 高3 m ，水中重量仅4 ．5 吨，是空气中重量的 一半。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 ．6 印度采矿履带车图1 ．7 韩国采矿履带车 1 ．2 ．2 国内集矿机研究现状 我国对深海底集矿机的研究起步较晚，上世纪从9 0 年代初开始由长沙矿山 研究院负责研发。通过对国外深海集矿机的特点的认真研究和总结，我国第一代 具有自主知识产权的深海集矿机在“八五“ 期间研制成功，如图1 ．8 所示，该集 矿机总体尺寸为4 ．6 m 3 m 2 ．1 m ，完全侵入水中时重量约8 t ，履刺采用橡胶材 料，横截面形状近似渐开线。在“八五”期间的研究基础上，我国于“九五“ 期 间与法国C e b ，I l c t i c 公司合作，对集矿机做出进一步改进，研制了第二代集矿机。 如图1 ．9 所示，该集矿机总体尺寸为9 ．2 m 5 ．2 m 3 m 。与第一代集矿机相比， 第二代集矿机水下重量增加到1 1 ．7 t ，采用尖三角履刺特种合金履带，集矿方式 改用全水力式，进一步提高了集矿机的集矿效率【2 0 】。在云南抚仙湖进行的湖试 实验中，第二代集矿机沉陷量合适、牵引力大、越障或绕障容易，对湖底稀软底 质具有较强的适应性，从1 3 0 m 深湖底采集回收了约9 0 0 k g 的模拟结核【2 1 1 。 图1 ．8 我国研制的第一代集矿机图1 ．9 我国研制的第二代集矿机 1 ．3 国内外软底质条件下履带式集矿机行驶问题的研究现状 深海蕴含着丰富的矿产资源，其中多金属结核最具有商业开采前景。从二十 世纪六十年代以来，世界各国先后投入了大量人力、物力、财力来研究多金属结 核的开采，并取得了一定的成绩。目前，各国多金属结核采集系统的研究进展虽 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 各不相同，但大多数国家 包括中国 都已经确立了基于履带自行式集矿机的集 矿机集矿和管道提升采矿系统为多金属结核采集系统。集矿机的集矿方式主要有 机械式和高压水射流方式等，它们各有优点而且技术也相当成熟。深海底沉积物 具有低承载性和低剪切性，是一种完全不同于陆地的“稀软”特性的极限底质， 履带式集矿机在行驶过程中存在沉陷和打滑等问题，同时深海底环境复杂，因此 如何控制履带式集矿机能按照预定的轨迹安全、平稳的行驶，从而实现高效的采 矿，是目前深海集矿机研究的主要内容。针对软底质条件下履带式集矿机防滑控 制、定位、路径规划和跟踪等集矿机行驶问题，世界各国也开展了实验和理论研 究。 1 ．3 ．1 国外软底质条件下履带式集矿机行驶问题的研究现状 韩国海洋研究和发展院下属韩国海洋工程和船舶研究所对软底质条件下履 带式集矿机动力学、运动学、路径控制以及集矿机定位等问题有较为全面的研究。 在考虑传感器延时的情况下，S u pH o n g 、J o n g ．S uC h o i 等人针对水下采矿车定位 的问题，进行了扩展＆山1 1 a n 滤波 E K F 算法的研究。研究扩展算法过程中， 履带车运动学模型充分考虑到了内侧、外侧履带打滑以及打滑角。对控制算法的 实验验证时，履带车缩小模型行驶在由膨润土和水混合而成的粘性土壤 软底质 上，通过编码器测量内外侧轮子的速度的转速，罗盘和光纤速度陀螺仪测量航向 角，视觉系统测量x 、y 坐标值。实验结果验证了E K F 算法对传感器测量误差和 延时有很好的补偿作用1 2 2 J 。 1 k ．K y e o n g 、S u pH o n g 等人针对履带式车辆在极其松软的土壤上行驶时的 路径跟踪控制进行了研究f 2 3 ，2 4 ，2 5 1 。研究过程中，考虑到松软土壤上履带车存在滑 移和土壤剪切，车辆的动力学性能非常复杂，因此采用了履带车单刚体模型。在 不考虑滑移的情况下设计了一个P D 控制器，对差速轮驱动的履带车单刚体模型 进行控制。通过对由于忽略滑移而产生的误差进行分析后，以减小误差为目标对 P D 控制器进行修改。通过数值仿真，最终得到了一个较好地P D 控制器。 为了对海底集矿机行驶问题进行深入的研究，韩国船舶和海洋工程研究所研 制了一台软底质行驶履带式实验车，如图1 ．1 0 所示。基于实验车，韩国海洋工 程和船舶研究所在图1 ．1 1 所示土槽中对水下采矿车定位的E K F 算法进行了实验 验证。同时还以履带间距、角度、车体重心和重量等为变量，进行了牵引。打滑 实验【2 6 】。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 ．1 0 韩国软底质行驶履带式实验车图1 ．1 1 韩国模拟海底软底质土槽 德国的H e n n i ] n gG r e b e ，E 1 1 I l oS e b a s t i 趾S c h l l l t e 等在土力学实验室测量膨润土 力学特性参数，以此为边界条件对履带车海底行驶牵引力、阻力以及行驶速度进 行了仿真分析【2 刀。加拿大的M ．趾1 1 1 1 a d i 、V P o l o t s k i 等人对软底质条件下履带车的 控制算法进行了研究【2 8 1 。K e i j iN A G A T A N I ，D a j s u k eE N D o 等人对打滑条件下履 带车的路径跟踪控制算法以及履带车测量精度进行了研究【2 9 】。英国的S a i d A 1 ．M i l i l i 、L a h l a lD ．S e n e v i r a 协e 等人对软底质条件下履带地面建模和履带车可行 性预测研究【3 0 】。可见，国外对软底质条件下履带式集矿机行驶问题的研究比较 全面，特别是韩国不仅对集矿机定位、路径跟踪、牵引．打滑等问题进行了深入 理论研究，而且针对上述研究设计了一台软底质行驶履带式实验车，进行了相关 实验研究。 1 ．3 ．2 国内履带式软底质条件下集矿机行驶问题的研究现状 国内深海采矿研究单位以长沙矿山研究院、长沙矿冶研究院以及中南大学等 单位为代表。其中矿山研究院主要以集矿机的研制为主，矿冶研究院主要以扬矿 系统的研究为主，对于履带式软底质条件下集矿机行驶问题的研究以中南大学为 主。 针对采矿过程中集矿机路径规划和跟踪问题，中南大学王随平、杨书林等人 对深海集矿机轨迹跟踪进行了深入研究。在充分了解我国矿区海底采矿环境和土 力学特性后，对集矿机的受力进行了合理的简化并建立了动力学模型。根据深海 沉积物的低承载性和低剪切性，结合集矿机液压行走系统的高阶非线性以及行驶 阻力随调节强度的不同而变化等特征，对集矿机剪切．位移关系进行线性化处理， 通过在动态阻力项中引入前反馈补偿项消除了伴生阻力，得到了一个带前反馈阻 力补偿的线性反馈控制器。采用M A T L A B 软件对该控制器进行仿真和分析，结 果表明该控制器能较好地实现了集矿机轨迹跟踪【3 1 1 。 针对采矿作业中集矿机在深海底行驶控制问题，王随平，韩晓英等人对集矿 譬 中南大学硕士学位论文第一章绪论 机行走控制系统进行了深入研究。根据我国太平洋C ．C 采矿环境的实际情况以 及土力学特性参数，结合集矿机的液压驱动特性以及履带．地面力学等理论，分 别建立了液压系统模型、履带和地面之间的动力学模型和运动学模型，通过模块 封装分析和计算后，得到了集矿机的数学模型。考虑到集矿机液压行走系统的高 阶非线性以及履带车辆的非完整性，在复杂的控制过程中线性化困难，普通控制 算法难于达到控制的要求，因此提出了自修正专家模糊控制算法的控制策略。以 集矿机数学模型作为控制对象，在M A T L A B 中对自修正专家模糊控制算法进行 仿真和分析，结果表明在对深海集矿机行走控制过程中该算法比普通模糊控制算 法具有更良好的性能【3 2 j 。 针对采矿作业中集矿机的打滑问题，王随平，韩冷飞等人进行了集矿机防滑 控制的研究。根据履带车行驶原理以及集矿机本身的结构特点，结合我国矿区采 矿环境和土力学特性，进行一系列假设和合理的简化后，建立了集矿机的动力学 模型和液压行走系统模型。在分析了履带式集矿机附着条件和打滑原理的基础 上，建立了以集矿机为控制对象的防滑控制系统。该控制系统具有两个特点，一 是采用趋近律方法削弱了滑模变结构控制固有的抖振现象；二是可根据马达转矩 和履带角加速度的大小，通过附着系数和打滑率曲线形状的辨识方法预测最佳打 滑率值。在M A T L A B 软件中的S i m u l i n k 工具箱中对所设计的防滑控制系统进行了 仿真和分析。仿真结果显示，在不同的海底参数条件下，控制系统可以预测到相 应的最佳打滑率，同时还可以将实际打滑率控制在最佳值附近；在行驶过程中主 轴驱动力矩的波动较小，能够保证集矿机行走过程的安全性要求m J 。 其他如中南大学刘少军、戴瑜等人通过对典型的履带一地面相互作用关系进 行了分析和研究后，，对集矿机进行了多刚体建模仿真研究【3 4 】；装甲兵工程学院 的宋海军、高连华等人对履带式车辆转向过程中的打滑测试方法进行了研究1 3 5 】； 程伟军、高连华等人对打滑条件下的履带车辆转向性能进行了分析和研究【3 6 】； 宋海军、李军等人对履带车转向过程进行了仿真分析∥。可见，国内对软底质 条件下履带式集矿机行驶问题的研究主要集中在控制算法的研究和仿真分析，并 且研究成果较少。虽然装甲兵工程学院对高速履带车辆行驶问题进行了较为深入 的理论研究和实验研究，但高速履带车与海底集矿机存在较大的区别。 1 ．4 课题来源及研究目的 本文研究课题源于国家“十一五”深海资源开采技术项目一“深海采矿虚拟 现实研究平台结构及结核开采模拟研究” 项目编号D 删- 1 1 5 - 0 4 一0 2 一0 1 ；负 责单位中南大学、杭州电子科技大学、长沙矿冶研究院、长沙矿山研究院、湖 南大学、国家海洋局第二海洋研究所 。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 深海底沉积物具有低承载性和低剪切性，是一种完全不同于陆地的“稀软“ 特性的极限底质，履带式集矿机在行驶过程中存在沉陷和打滑等问题，同时深海 底环境复杂，因此如何控制履带式集矿机能按照预定的轨迹安全、平稳的行驶， 从而实现高效的采矿，是目前深海集矿机研究的主要内容。针对软底质条件下履 带式集矿机防滑控制、定位、路径跟踪和规划等集矿机行驶问题，国内外都开展 了研究，但绝大部分研究都集中在控制算法的研究与虚拟样机的仿真分析上，国 外的实验研究以韩国为代表，国内在实验研究上几乎为空白。而在实际系统的开 发研究过程中，不仅要进行控制算法的理论研究和计算机仿真分析计算，更需要 进行必要实验研究，通过实验来发现问题，进而解决问题，为实际的工程应用积 累经验。因此，研制和开发软底质行驶履带式实验车实验系统来模拟深海集矿机， 在实验车实验系统的基础上对软底质条件下集矿机的防滑控制、定位、路径规划 和跟踪等集矿机行驶问题开展基础性实验和控制策略研究是深海采矿课题的重 要内容和手段。 1 ．5 本文研究内容及章节安排 本课题研究的主要内容是研制一台软底质行驶履带式实验车，为软底质条件 下集矿机的防滑控制、定位、路径规划和跟踪等行驶问题的研究提供实验平台。 论文的章节安排如下 第二章首先介绍深海集矿机的基本构成和中国集矿机的基本情况，基于深海 复杂的采矿环境和完全不同于陆地的“稀软”特性的极限底质，对深海集矿机行 驶问题研究的必要性和相关方法进行分析。根据实验要求以及实验室基本条件， 提出履带式实验车的功能要求，并对实验车总体方案进行研究。 第三章首先对履带行走系统中驱动轮、负重轮、张紧机构及张紧轮、行走架 等关键零部件的结构参数设计，并对履带结构和履刺参数进行研究，完成动力及 传动系统的设计。在多刚体动力学软件A D A M S ／_ A 1 ’V 中进行实验车软底质行驶 仿真分析，验正实验车结构设计的合理性。 第四章首先通过对测控子系统和监控子系统的功能分析，完成实验车控制系 统的硬件设计与选型。根据控制部分的功能要求，对测控子系统和监控子系统进 行软件设计。针对控制系统运行