一种适用于海底的水力-机械联合破岩装备

1.本发明属于海底矿产资源开采设备技术领域，特别涉及一种适用于海底的水力-机械联合破岩装备。


背景技术：

2.海洋约占地球表面积的71％，存在着大量的，尚未被人类充分认识和利用的各种矿产资源。随着世界工业和经济的高速发展，陆地上的矿产资源日趋短缺，人类对矿产资源的需求急剧增加，所以人们把目光转向海洋。深海矿产资源具有多种稀贵的金属元素，具有很大的商业开发潜力。海洋中几乎有陆地上有的各种资源，而且还有陆地上没有的一些资源，深海底蕴含煤矿、铁矿、海滨砂矿、多金属结核、富钴结壳及多金属硫化物等多种矿产资源。其中多金属结核和富钴结壳富含锰、钴、镍、铜等金属，这些金属的存储量是陆地相应存储量的几十倍到几千倍，而且都是重要的战略性资源，广泛应用于化学工业及高新科技生产中。
3.海洋中的矿产资源通常分布在200米以下的深海，开采这些资源面临很大挑战。深海采矿将海洋里的矿产资源通过相应的技术手段和装备高效安全的运送至海面，经过初加工后转运至陆地。根据开采方法的不同，它主要分为4种开采系统，分别为拖斗式采矿系统、连续铲斗提升采矿系统、穿梭潜水器采矿系统以及管式提升式采矿系统，其中管式提升式采矿系统被许多国家认为是最具前景的商业开采系统。管式提升式采矿系统关键技术是对矿物的破碎和收集。对于海底表面的富钴结壳和硫化矿等矿产资源收集是困难的，其中富钴结壳存在于800～3000米水深，且形状为板状或者砾状。其厚度一般为几毫米到十几毫米，覆盖在海底的基岩上。因此，为了收集富钴结壳和硫化矿等矿产资源，需要设计简单高效且安全的破岩装备，从而提高深海采矿的效率。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单，能进行多方位破岩，破岩效率高，实用寿命长的适用于海底的水力-机械联合破岩装备。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：一种适用于海底的水力-机械联合破岩装备，包括高压水射流装置、液压破碎锤装置、水射流加压系统、液压控制系统及履带行走装置；所述的高压水射流装置和液压破碎锤装置通过升降机构安装在履带行走装置的前端，高压水射流装置与水射流加压系统连接，液压破碎锤装置与液压控制系统连接，水射流加压系统、液压控制系统安装在履带行走装置上；所述的水射流加压系统、所述的液压控制系统及所述的履带行走装置与水面母船通过供电控制缆连接。
6.上述的适用于海底的水力-机械联合破岩装备中，所述的高压水射流装置、液压破碎锤装置安装在破岩箱上，所述的破岩箱包括破岩箱上盖、破岩箱底板，破岩箱上盖固定安装在破岩箱底板上；所述的升降机构包括若干支撑臂，支撑臂的后端与履带行走装置铰接，支撑臂的前端与破岩箱上盖铰接；每个支撑臂分别与液压缸i、液压缸ⅱ的一端铰接，液压
缸i的另一端与履带行走装置铰接，液压缸ⅱ的另一端与破岩箱上盖铰接；水射流加压系统和液压控制系统安装在破岩箱内。
7.上述的适用于海底的水力-机械联合破岩装备中，所述的高压水射流装置包括水射流喷嘴、水射流主体、水射流喷嘴管套及水射流喷嘴管；所述的水射流喷嘴固定安装在破岩箱底板上；所述的水射流喷嘴管插装在水射流主体内；水射流喷嘴套安装在水射流主体前端，对水射流喷嘴管和水射流主体之间的间隙密封；水射流主体后端与水射流喷嘴的出口连接；水射流喷嘴内设有混合腔，混合腔与破岩箱内的分水器连接，分水器通过输水管与磨料仓及水射流加压系统连接；所述的液压破碎锤装置包括破碎钎杆、破碎钎杆套及缸体；所述的缸体固定安装在破岩箱底板上；所述的破碎钎杆一端插装在缸体内与缸体内的活塞连接，破碎钎杆套安装在缸体悬臂端，对破碎钎杆和缸体之间的间隙密封；所述的缸体与液压控制系统连接。
8.上述的适用于海底的水力-机械联合破岩装备中，履带行走装置包括驱动轮、导向轮、支重轮、履带及底架；所述的底架两侧分别设有驱动轮、导向轮及若干支重轮；驱动轮和导向轮分别设在底架的两端，支重轮设在驱动轮和导向轮之间，履带包绕在驱动轮、导向轮及支重轮外侧，液压马达安装在底架上，液压马达连接驱动轮；所述的底架上固定安装车体。
9.上述的适用于海底的水力-机械联合破岩装备中，所述的车体包括车厢及车体底板，车厢固定安装在车体底板上；所述的水射流加压系统、液压控制系统安装在车体底板上，位于车厢内。
10.上述的适用于海底的水力-机械联合破岩装备中，所述的水射流加压系统包括离心泵、过滤器ⅰ、水箱及高压泵；离心泵的进口通过抽水管连接车厢的进水口抽取海水，通过抽水管内设有过滤网，离心泵的出口通过出水管连接过滤器ⅰ的进口，过滤器ⅰ的出口通过进水管连接水箱；高压泵的进口通过高压泵进水管连接水箱，高压泵的出口通过输水管与磨料仓连接，磨料仓与分水器相连，磨料仓与分水器固定在破岩箱底板上，分水器与水射流喷嘴的进水口固定连接；所述的液压控制系统包括液压油泵、油箱及过滤器ⅱ；液压油泵的进口通过出油管连接油箱；液压油泵的出口通过进油管连接液压控制器，液压控制器的回油口通过出油管连接过滤器ⅱ的进口，过滤器ⅱ的出口通过回油管连接油箱；液压控制器的控制端口、出油孔和回油孔分别连接换向阀控制线、输油管及回油管；换向阀控制线连接破岩箱内的换向阀分线器，换向阀分线器对每个缸体内的换向阀进行控制；输油管连接破岩箱内的进油路分配器，回油管连接回油路分配器；进油路分配器与回油路分配器固定在破岩箱底板上，分别与破碎锤进油管和破碎锤出油管连接；缸体的有杆腔通过破碎锤出油管与破岩箱中的回油路分配器连接，无杆腔通过破碎锤进油管与进油路分配器连接。
11.上述的适用于海底的水力-机械联合破岩装备中，所述的破岩箱底板上设有三组液压破碎锤装置和两个高压水射流装置，每组两个液压破碎锤装置，相邻的两组液压破碎锤装置之间设有一高压水射流装置。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构简单，其将高压水射流破岩和液压冲击锤破岩有机结合，破岩效率高；破岩装置安装在车体前端，通过多个液压缸进行角度调节，适应海底复杂的环境，能够进行
多方位破岩；本发明在相邻的两组液压破碎锤装置中间安装一个高压水射流装置进行辅助破岩；其破岩装置的高压水射流装置中的水射流喷嘴管和破碎钎杆不在同一平面，水射流喷嘴管进行预破岩，从而减轻液压破碎锤的工作量，减少破碎钎杆的磨损，提高了使用寿命；本发明的水射流加压系统中水箱中的水直接通过离心泵从车体的进水口抽取海水，无需人工往水箱中注水，可以重复利用海水资源。
附图说明
13.图1为本发明的整体结构示意图。
14.图2为本发明的侧面结构示意图。
15.图3为本发明的水射流加压系统和液压控制系统的结构示意图。
16.图4为本发明的破岩装置的结构示意图。
17.图5为本发明的破岩箱内部的结构示意图。
18.图6为本发明的破岩原理示意图。
19.图中：1—车体；1-1—车厢；1-2—车体底板；2—供电控制缆线；3—铰接座ⅰ；4—软管ⅰ；5—连接梁；6—支撑臂；7—液压缸ⅱ；8—活塞杆ⅱ；9—高压水射流装置；10—液压破碎锤装置；11—破岩箱底板；12—破岩箱上盖；13—软管ⅱ；14—活塞杆i；15—液压缸i；16—驱动轮；17—履带；18—过滤网；19—进水口；20—铰接座ⅱ；21—破碎锤出油管；22—破碎锤进油管；23—螺栓；26—铰接座ⅳ；27—水射流加压系统；28—液压控制系统。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明做进一步说明。
21.如图1-图3所示，本发明包括高压水射流装置9、液压破碎锤装置10、水射流加压系统27、液压控制系统28及履带行走装置。所述的履带行走装置与水面母船通过供电控制缆线2连接。履带行走装置包括底架、液压马达和车体1，底架两侧分别设有驱动轮16、导向轮及支重轮，驱动轮16和导向轮分别设置在底架两端处；支重轮设在驱动轮16和导向轮之间，履带17包绕着驱动轮16、导向轮和支重轮外侧，液压马达安装在底架上，液压马达连接驱动轮16。所述的车体1包括车厢1-1和车体底板1-2；车厢1-1固定安装在车体底板1-2上，车体底板1-2安装在底架上。所述的水射流加压系统27、液压控制系统28安装在车体底板1-2上，位于车厢1-1内。水面母船通过供电控制缆线2控制液压马达，液压马达带动驱动轮16转动，进而驱动履带17、导向轮及支重轮，使履带行走装置在海底进行行走。所述的底架连接车体底板1-2，车体底板1-2可以在底架上进行一定角度转动。
22.所述的车体1通过供电控制缆线2与水面母船柔性连接。所述的水射流加压系统27和所述的液压控制系统28通过螺栓安装在车体底板1-2，水射流加压系统27和液压控制系统28均与供电控制缆线2连接，由水面母船传输电力和信息。
23.如图4-图6所示，所述的高压水射流装置9、液压破碎锤装置10安装在破岩箱上，所述的破岩箱包括破岩箱上盖12、破岩箱底板11，破岩箱上盖12固定安装在破岩箱底板11上。破岩箱上盖12通过升降机构与车厢1-1连接。所述的升降机构包括两个支撑臂6，支撑臂6的后端与车厢1-1铰接，支撑臂6的前端与破岩箱上盖12铰接。每个支撑臂6分别与液压缸i15、、液压缸ⅱ7的一端铰接，液压缸i15的另一端与车厢1-1铰接。液压缸ⅱ7的另一端与破
岩箱上盖铰接。
24.通过控制液压缸ⅱ7的活塞杆ⅱ8长度对破岩箱进行角度调节，使液压破碎锤装置10和高压水射流装置9进行多方位破岩，适应海底复杂环境。通过控制液压缸i 15的活塞杆i14的长度，对支撑臂6的高度进行调节，支撑臂的升降直接影响破岩装置的高度，从而使液压破碎锤装置10和高压水射流装置9进行多方位调节，更有利于在海底复杂环境行走。
25.所述的高压水射流装置9包括水射流喷嘴9-1、水射流主体9-2、水射流喷嘴管套9-3、水射流喷嘴管9-4。所述的水射流喷嘴9-1固定安装在破岩箱底板12上；所述的水射流喷嘴管9-4插装在水射流主体9-2内；水射流喷嘴套9-3安装在水射流主体9-2前端，对水射流喷嘴管9-4和水射流主体9-2之间的间隙密封。水射流主体9-2后端与水射流喷嘴9-1的出口连接；水射流喷嘴9-1内设有混合腔，水射流喷嘴9-1的进水口与破岩箱内的分水器11-4固定连接，分水器11-4与磨料仓11-3连接，磨料仓11-3通过输水管4-1与水射流加压系统27连接。水射流喷嘴9-1的进水口开设在破岩箱底板12上。
26.水射流加压系统27包括离心泵27-1、过滤器ⅰ27-4、水箱27-6及高压泵27-7；离心泵27-1的进口通过抽水管27-2连接车厢1-1的进水口19抽取海水，通过抽水管27-2内设有过滤网18，离心泵27-1的出口通过出水管27-3连接过滤器ⅰ27-4的进口，过滤器ⅰ27-4的出口通过进水管27-5连接水箱27-6；离心泵27-1抽取的海水通过出水管27-3进入过滤器ⅰ27-4，经过过滤后，进水管27-5进入并存储在水箱27-6。高压泵27-7的进口通过高压泵进水管27-8连接水箱27-6，高压泵27-7的出口通过输水管4-1连接破岩箱内的磨料仓11-3，输水管4-1的外侧设有软管i4。磨料仓11-3与分水器11-4连接，分水器11-4与水射流喷嘴9-1的进水口连接。高压泵27-7抽取水箱27-6的水通过输水管4-1输送到破岩箱内的磨料仓11-3，与磨料仓11-3的磨料混合后输送到分水器11-4，分水器11-4把海水输送到水射流喷嘴组件9-1的混合腔内，通过水射流主体9-2由水射流喷嘴管9-4直接射向岩体，以高压水柱对岩体进行切割。
27.所述的液压破碎锤装置10包括破碎钎杆10-1、破碎钎杆套10-2、缸体10-3；所述的破碎钎杆10-1一端插装在缸体10-3内与缸体10-3内的活塞连接，破碎钎杆套10-2安装在缸体10-3的悬臂端，对破碎钎杆10-1和缸体10-3之间的间隙密封。
28.所述的液压控制系统28包括液压油泵28-2、油箱28-8及过滤器ⅱ28-6；液压油泵28-2的进口通过出油管28-1连接油箱28-8；液压油泵28-2的出口通过进油管28-3连接液压控制器28-4，液压控制器28-4的回油口通过出油管28-5连接过滤器ⅱ28-6的进口，过滤器ⅱ28-6的出口通过回油管28-7连接油箱28-8；液压控制器28-4的控制端口、出油孔和回油孔分别连接换向阀控制线13-1、输油管13-2和回油管13-3，换向阀控制线13-1、输油管13-2和回油管13-3外侧设有软管ⅱ13，破岩箱上盖12的另一侧设有通孔，软管ⅱ13连接该通孔。换向阀控制线13-1连接破岩箱内的换向阀分线器11-5，换向阀分线器11-5固定破岩箱底板11，液压控制器28-4通过换向阀分线器11-5对每个缸体10-3内的换向阀进行控制；输油管13-2连接破岩箱内的进油路分配器11-2，回油管13-3连接回油路分配器11-1，进油路分配器11-2与回油路分配器11-1固定在破岩箱底板11上，并分别与破碎锤进油管22和破碎锤出油管21连接。缸体的有杆腔通过破碎锤出油管21与破岩箱中的回油路分配器11-1连接，无杆腔通过破碎锤进油管22与进油路分配器11-2连接。所述的液压控制系统28的油箱28-8中存储大量液压油，液压油泵28-2通过出油管28-1抽取液压油，通过进油管28-3传输给液压
控制器28-4。液压控制器28-4通过控制器出油管28-5把液压油输送到过滤器ⅱ28-6，液压油经过过滤后，通过回油管28-7返回油箱28-8。液压油泵28-2抽取油箱28-8的液压油通过液压控制器28-4经过软管ⅱ13中的输油管13-2输送到破岩箱内的进油路分配器11-2，液压油通过进油路分配器11-2从破碎锤进油管22进入缸体10-3的有杆腔；同时缸体10-3无杆腔的液压油通过破碎锤出油管21进入到回油路分配器11-1，经过回油管13-3进入液压控制器28-4。液压控制器28-4通过换向阀控制线13-1与换向阀分线器11-5连接，通过换向阀分线器11-5对每个缸体10-3内的换向阀进行控制。液压控制器28-4通过换向阀控制线13-1让缸体10-3内换向阀下端吸合，液压油进入缸体10-3有杆腔，推动破碎钎杆10-1上移，缸体10-3无杆腔内液压油通过破碎锤出油管21进入破岩箱的回油路分配器11-1，通过软管ⅱ13中的回油管13-3进行回油。当破碎钎杆10-1上升到行程最高点时，换向阀上端吸合，液压油通过破碎锤进油管22进入缸体10-3无杆腔，在液压力的作用下，破碎钎杆10-1下移，通过控制换向阀上下端轮换吸合，从而实现破碎钎杆10-1对岩体的反复振动冲击。
29.所述的破岩箱底板12上设有三组液压破碎锤装置10和两个高压水射流装置9，每组两个液压破碎锤装置10，相邻的两组液压破碎锤装置10之间设有一高压水射流装置9。如图2所示，所述的水射流喷嘴管9-4与破碎钎杆10-1不在同一平面，水射流喷嘴管9-4提前射出高压水射流对岩体进行破碎，切割出一条裂缝后，破碎钎杆10-1垂直冲击岩体，对岩体进行进一步破碎，此方法破岩效率更高，对破碎钎杆磨损小。