面向深海复杂地形的采矿机构自适应海底地形原理研究

适应复杂海底地形的开采机深海矿产资源开发是二十一世纪新型产业，研究热点集中在适应海底复杂地形的开采机构和行走方式方面。本项目以中国大洋协会在太平洋试采区里已经勘探完成的复杂多变地形为典型作业环境，针对海洋矿产开采技术，提出一种主动自适应海底地形的转臂-支腿开采机构，以钴结壳赋存地形全局概貌特征和局部构形特征为出发点，建立海底地形特征数据模型；在此基础上运用多体机构运动仿真和试验研究方法，对机构进行结构分析和运动特征分析，进而建立转臂运动学模型及求其解析解；在获得机构相关参数基础上，建立转臂机构逐步自适应海底各种复杂地形的数学模型及求其解析解。同时进行采矿机构数值仿真、虚拟样机仿真及采矿模型机的采集性能、越障性能以及避障性能试验，来验证转臂-支腿式采矿机构方法的正确性及采矿原理的有效性，为研发新型深海矿产资源的开采原理和设备提供前期理论基础，对探索新的海洋矿产资源开发理论与技术具有指导价值。

深海矿产资源开发是二十一世纪新型产业。本项目以中国大洋协会在太平洋试采区里已经勘探完成的复杂多变地形为典型作业环境，针对海洋矿产开采技术，提出一种主动自适应海底地形的转臂-支腿开采机构，以钴结壳赋存地形全局概貌和局部构形为出发点，建立海底地形特征数据模型；运用多体机构运动仿真和试验研究方法，对机构进行结构分析和运动特征分析，进而建立转臂运动学模型及求其解析解；建立转臂机构逐步自适应海底各种复杂地形的数学模型及求其解析解。同时进行采矿机构数值仿真、虚拟样机仿真及采矿模型机的采集性能、越障性能以及避障性能试验，来验证转臂-支腿式采矿机构方法的正确性及采矿原理的有效性，为研发新型深海矿产资源开采原理提供前期理论基础。 .重要结果：.（1）建立了转臂机构变幅过程中所受压力最小为目标的铰点位置优化模型，从而优化设计出采矿转臂的变幅机构。 .（2）根据采矿转臂模型的结构及质量及转动惯量信息，建立了采矿转臂在调整采矿姿态时其动力学方程，并对该动力学方程中驱动力进行了求解。.（3）通过对比不同情况下采矿转臂的驱动力，分析出海流冲击产生的水动力、转臂的搅动产生的水动力、及浮力对驱动力的影响。 .（4）根据其简化的动力学模型，结合抛物线过渡的线性插值相关理论，规划了采矿转臂关节空间运动。其规划后的关节运动在变幅机构之间力矩变化幅度最小。.（5）采矿转臂变幅机构液压系统齿轮泵采用球阀芯限压阀的开启压力波动比采用锥阀芯限压阀的开启压力波动小。.关键数据：.（1）节臂间转角在−30o -+30o变化，拉力F最大值出现在θ角度为30°处；.（2）变幅机构2得到优化后的目标值从1 降到0.485，即油缸油压在变幅过程中所受最大压力是优化前的0.485 倍，即油缸变幅过程中最大压力为74870N；.（3）变幅机构1得到优化后的目标值从1 降到到0.6057，即油缸压力在变幅过程中所受最大压力是优化前的0.6057 倍，即油缸变幅过程中最大压力 为83724N。.（4）利用大洋协会探明海底地形数据，建立海底地形函数库，根据此数据库可以优化出于此对于的最优采矿姿态库,即节臂间的转角 的数据库。获得了优化后的采矿姿态图，以及节臂的转角弧度为 ，目标函数值为0.2481。.（5）变幅机构油缸驱动齿轮泵齿宽增大6.67%,其流量增长了3.54%（600r/min）和0.96%