（機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)論文）單泵與儲(chǔ)料罐組合的深海采礦軟管輸送系統(tǒng)研究.pdf

中南火學(xué)博l ：學(xué)位史 摘要 摘要 由于陸地資源日益桔竭，當(dāng)今世界各國(guó)都在加緊對(duì)深海礦產(chǎn)資源開采技術(shù)進(jìn)行研究，為 “海洋經(jīng)濟(jì)時(shí)代”的到來(lái)做技術(shù)儲(chǔ)備，我國(guó)也非常重視深海采礦技術(shù)的研究。錳結(jié)核和鈷結(jié) 殼是重要的海洋礦產(chǎn)資源，賦存于1 5 0 0 - - 6 0 0 0 m 的海底，深海采礦系統(tǒng)必須將從海底采集的 礦石輸送劍海面采礦船上，因此，礦石輸送技術(shù)是深海采礦的關(guān)鍵技術(shù)。在這一領(lǐng)域，普遍 公認(rèn)采用水力輸送的礦石輸送系統(tǒng)具有工業(yè)應(yīng)用前景，其中采用軟管輸送的采礦系統(tǒng)為最佳 方案。本文是針對(duì)軟管輸送系統(tǒng)進(jìn)行研究主要內(nèi)容如下： 根據(jù)深海采礦軟管輸送系統(tǒng)特點(diǎn)，發(fā)明了一種由儲(chǔ)料罐與高壓水泵組合而成的新的礦石 輸送最備，應(yīng)用于深海采礦 借鑒水泵理論、管道輸送原理、兩相流理論和儲(chǔ)料罐輸送特點(diǎn)， 建立該毆備的沒(méi)計(jì)理論，并針對(duì)能將礦石從5 0 0 0 m 海底直接輸送劍海面的輸送系統(tǒng)和1 0 0 0 m 鈷結(jié)殼采礦中試輸送系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)分析。 針對(duì)輸送軟管兩端在采礦船和采礦車的牽引下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受到浮力、重力、海浪、海流、 海水阻力、海水壓力和管內(nèi)流體等復(fù)雜載荷耦合作用的情況，運(yùn)用海浪和海流理論、流體力 學(xué)和m o r s i o n 阻力方程，建立輸送軟管在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜外載耦合作用下的分析理論，對(duì)輸 送系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和外部載荷進(jìn)行了分析。 運(yùn)用虛功原理、牛頓拉斐遜方法，建立輸送管道的有限元法幾何非線性靜態(tài)分析理論； 根據(jù)輸送管道_ = 作過(guò)程大變形特點(diǎn)，推導(dǎo)出彈性材料管單元的切線剛度矩陣和輸送系統(tǒng)整體 剛度矩陣：對(duì)1 0 0 0 m 鈷結(jié)殼采礦中試輸送系統(tǒng)，當(dāng)采礦車和采礦船采用不同運(yùn)動(dòng)模式，管 道在不同外載耦合作用下，進(jìn)行幾何非線性靜態(tài)分析，同時(shí)對(duì)采礦車和采礦船的運(yùn)動(dòng)速度和 運(yùn)行模式、采礦車的工作范圍、輸送管道兩端的受力情況、管道的空間形狀、管道f 段浮體 加栽大小和浮力分布等參數(shù)進(jìn)行了研究。 從橡膠管道結(jié)構(gòu)分析出發(fā)，對(duì)輸送管道的性能進(jìn)行了理論分析。對(duì)5 0 0 0 m 深海采礦輸送 系統(tǒng)，當(dāng)采礦車和采礦船在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，管道在不同外載耦合作用下的情況，進(jìn)行幾何非 線性靜態(tài)分析，同時(shí)對(duì)采礦車和采礦船的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)行模式、采礦車的工作范圍、輸送管 道兩端的受力情況、管道的空間形狀、管道下段浮體加載大小和浮力分布等參數(shù)進(jìn)行了研究。 根據(jù)選朗培爾( d a i e m b e r t ) 虛功原理，建立了輸送系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析理論。通過(guò)模態(tài)分 柝，確定了1 0 0 0 m 鈷結(jié)殼中試輸送系統(tǒng)和5 0 0 0 m 深海采礦輸送系統(tǒng)的振動(dòng)頻率特性。針對(duì) 輸送系統(tǒng)在海浪循環(huán)力作用下和上端隨海浪循環(huán)運(yùn)動(dòng)兩種情況，分別對(duì)1 0 0 0 m 中試輸送系 統(tǒng)和5 0 0 0 m 深海采礦輸送系統(tǒng)上下兩端結(jié)點(diǎn)反力的諧響應(yīng)進(jìn)行了分析。 根據(jù)相似理論，建立由儲(chǔ)料罐與高壓水泵組合的模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，針對(duì)5 0 0 0 m 深海采礦輸 送系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)分析。建立了輸送管道力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)分析的相似理論，選擇了模擬輸送 管道，在實(shí)驗(yàn)裝置上，對(duì)管道兩端的結(jié)點(diǎn)反力和管道形狀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算 的比較分折，證明了本文采用有限元對(duì)輸送系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析是可信的。 本文運(yùn)用先進(jìn)的理論和計(jì)算方法以及先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段，采用理論、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證 的研究方法，研究出一種能將礦石從5 0 0 0 m 海底直接輸送到海面的輸送設(shè)備，應(yīng)用于軟管 輸送系統(tǒng)，由此研究而得到了一種技術(shù)先進(jìn)、理論完善的適用于深海采礦的輸送系統(tǒng)技術(shù)原 型，為1 0 0 0 m 佑結(jié)殼采礦中試系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。 關(guān)鍵詞：海洋采礦；輸送設(shè)備；輸送管道：有限元分析：幾何非線性。 生塑查蘭坐! ：堂竺苧 壘! 翌! ! ! a b s t r a c t b e c a u s eo ft h er e s o u r c es c a r c i t yo nl a n d ，m a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e sa r ec a r r y i n gr e s e a r c ho n d e e p s e am i n i n gt e c h n o l o g yf o rt h e ”o c e a ne c o n o m ya g e ”c h i n aa l s oa t t a c h e sg r e a ti m p o r t a n c et o t h i ss u b j e c t t h em a n g a n e s en o d u l e sa n dc o b n tc r u s ta r ep o l y - m e t a l l i cm i n e r a l st h a tl y i n gw i d e l y o nt h es e a b e da b o u t1 5 0 0 6 0 0 0m e t e r sd e e p t h e yh a v et ob et r a n s p o s e dt ot h es h i po nt h es e a l e v e lt h r o u g ht h ed e e p ，s e am i n i n gs y s t e mo fw h i c ht h em i n e r a lt r a n s p o r t i n gt e c h n o l o g yi sm o s t i m p o r t a n t i ti sw i d e l yr e c o g n i z e dt h a tt h eh y d r a u l i ct r a n s p o r t i n gs y s t e mh a sg r e a tp o t e n t i a lf o r i n d u s t r i a la p p l i a n c ea n dt h es y s t e mt h a ta d o p t sf l e x i b l ep i p et ot r a n s p o r tm i n e r a li st h eb e s t s c h e m e t h i sp a p e ri sar e s e a r c ho nf l e x i b l ep i p em i n e r a lt r a n s p o r t i n gs y s t e m ，a n dt h ef o l l o wi st h e m a i nc o n t e n t b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so ff l e x i b l ep i p em i n e r a lt r a n s p o r t i n gs y s t e m ，as o r to fm i n e r n t r a n s p o r t i n ge q u i p m e n ti si n v e n t e db yc o m b i n i n gv e s s e lw i t hh i g h p r e s s u r ep u m pf o rd e e p - s e a m i n i n g a c c o r d i n gt ob e r n o u l l i se q u a t i o n ，t w op h a s e sh y d r o d y n a m i c sa n dp r i n c i p l eo fp i p e l i n e t r a n s p o r t i n ga sw e l la st h ef e a t u r e so fv e s s e lt r a n s p o r t i n g ，t h ed e s i g n i n gt h e o r yo ft r a n s p o r t i n g e q u i p m e n ti s e s t a b l i s h e d p a r a m e t e r so ff l e x i b l ep i p em i n e r a lt r a n s p o r t i n gs y s t e mf o rc a r r y i n g m i n e r a l sf r o m5 0 0 0 ms e af l o o rt os e al e v e la sw e l la sp a r a m e t e r sf o rl0 0 0 mc r u s tm i d d l et e s t m i n i n gs y s t e mh a v eb e e nc a l c u l a t e da n da n a l y s e d c o n c l u s i o nh a sb e e nr e a c h e da c c o r d i n g l yt h a t t h ec o m b i n e dt r a n s p o r t i n ge q u i p m e n ti sak i n do fi d e a ld e s i g n i n gf o rd e e p s e am i n i n g i nr e a lc o n d i t i o n ，t h et r a n s p o r t i n gp i p ei sm o v e du n d e rt h ed r e f lo fm i n i n gv e h i c l ea n ds h i p ， m e a n w h i l ei ti su n d e rt h ea c t i o no ft h ec o m p l e xc o u p l i n gl o a d st h a ti n c l u d eg r a v i t ya n db u o y a n c y o ft h et r a n s p o r t i n gp i p e ，t h er e s i s t a n c ec a u s e db yo c e a nc u r r e n ta n dp i p em o v i n g ，a n dt h ef o r c eo f t h ei n n e rf l u i de x e r t e do nt h ep i p e b a s e do l lg r a v i t yw a v et h e o r y , t h ee x p e r i e n c ec a l c u l a t i n g f o r m u l ao fo c e a nc u r r e n lh y d r o d y n a m i c sa n dm o r s i o nr e s i s t a n c ee q u a t i o n ，t h et h e o r yt oa n a l y s i s t h em o v i n ga n dc o m p l e xc o u p l i n gl o a d so ft h et r a n s p o r t i n gp i p ei se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h e e s t a b l i s h e dt h e o r y , t h em o v e m e n ta n dt h ec o u p l i n gl o a d so f t h es y s t e mh a v eb e e na n a l y s e d b a s e do nd a l e m b e r tp r i n c i p l ea n dn e w t o n - r a p h s o nm e t h o d ，t h eg e o m e l r i cn o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n tt h e o r yh a sb e e ne s t a b l i s h e dt oa n a l y s i st h et r a n s p o r t i n gp i p e a c c o r d i n gt ot h el a r g e d e f o r m a t i o nf e a t u r e so ft h et r a n s p o r t i n gp i p e ，t h et a n g e n ts t i f f n e s sm a t r i x o ft h ep i p ee l e m e n ta n d t h es t i f f n e s sm a t r i xo ft h et r a n s p o r t i n gp i p eh a v eb e e nd e d u c e d t h eg e o m e t r i cn o n l i n e a rs t a t i c a n a l y s i sf o rt h et r a n s p o r t i n gs y s t e mo f1 0 0 0 mc r u s tm i d d l et e s tm i n i n gs y s t e mh a v eb e e nd o n e u n d e rt h eh y p o t h e s i st h a tt h em i n i n gv e h i c l ea n ds h i pm o v i n gi nd i f f e r e n tm o d e sa n dt h e t r a n s p o r t i n gp i p eu n d e rc o u p l i n ga c t i o no fd i f f e r e n tl o a d s t h er e s e a r c hc o v e r st h ef o l l o w i n g p a r a m e t e r s ：t h em o v i n gs p e e da n dm o d eo ft h em i n i n gv e h i c l ea n ds h i p ，t h em i n i u gr a n g eo ft h e m i n i n gv e h i c l e t h ef o r c e so nt h et w oe n d so ft h et r a n s p o r t i n gp i p e ，t h es h a p eo ft h et r a n s p o r t i n g p i p e ，h o wl a r g et h eb u o y a n c yo ft h eb u o ys h o u l db ea n dh o wt h eb u o y a n c yd i s t r i b u t e sa l o n gt h e t r a n s p o r t i n gp i p ee t c s t a r t i n gw i t ht h ec o n f i g u r a t i o na n a l y s i so ft h et r a n s p o r t i n gp i p e ，t h e o r e t i cr e s e a r c hh a sb e e n d o n eo nt h et r a n s p o r t i n gp i p e t h eg e o m e t r i cn o n l i n e a rs t a t i ca n a l y s i sh a sb e e nd o n ef o rt h e 5 0 0 0 - m e t e r - d e e pm i n e r a lt r a n s p o r t i n gs y s t e mu n d e rt h eh y p o t h e s i st h a tt h em i n i n gv e h i c l ea n d s h i pm o v i n gi nd i f f e r e n tm o d e sa n dt h et r a n s p o r t i n gp i p eu n d e rc o u p l i n ga c t i o no fd i f f e r e n tl o a d s t h er e s e a r c hc o v e r st h ef o l l o w i n gp a r a m e t e r s ：t h em o v i n gs p e e da n dm o d eo ft h em i n i n gv e h i c l e 2 中南大學(xué)博l ：學(xué)位立a b s t r c t a n ds h i p ，t h em i n i n gr a n g eo ft h em i n i n gv e h i c l e ，t h ef o r c e so nt h et w oe n d so ft h et r a n s p o r t i n g p i p e ，t h es h a p eo ft h et r a n s p o r t i n gp i p e ，h o wl a 曙et h eb u o y a n c yo ft h eb u o ys h o u l db ea n dh o w t h eb u o y a n c yd i s t r i b u t e sa l o n gt h et r a n s p o r t i n gp i p ee t c b a s e do l ld a l e m b e r tp r i n c i p l e t h ed y n a m i c sa n a l y s i st h e o r yo fm i n i n gt r a n s p o r t i n gs y s t e m h a sb e e ne s t a b l i s h e d t h r o u g hm o d a la n a l y s i s ，t h ev i b r a t i o nf e a t u r e s ( n a t u r a lf r e q u e n c i e s ) o ft h e t r a n s p o r t i n gs y s t e mo f1 0 0 0 mm i d d l et e s tc r u s tm i n i n gs y s t e ma n dt h e5 0 0 0 - m e t e r - d e e pm i n e r a l t r a n s p o r t i n gs y s t e mh a v eb e e nd e t e r m i n e dt h eh a r m o n i cr e s p o n s ef o r c eo ft h et r a n s p o r t i n gp i p e e n d sh a sb e e na n a l y s e dw h e nt h em i n e r a lt r a n s p o r t i n gs y s t e mo f1 0 0 0 mc r u s tm i d d l et e s tm i n i n g s y s t e ma n dt h e5 0 0 0 - m e t e r - d e e pm i n i n gs y s t e ma r eu n d e ro c e a nw a v ef o r c eo rt h eu pe n do ft h e t r a n s p o r t i n gp i p ef o l l o w st h eo c e a nw a v em o v i n g b a s e do nm o d e lt h e o r y ，t h em o d e le q u i p m e n tf o rt h em i n e r a lt r a n s p o r t i n gs y s t e mh a sb e e n m a d ea n dt h r o u g hw h i c ht h ea n a l y s i so n5 0 0 0 - m e t e r - d e e pm i n i n gt r a n s p o r t i n gs y s t e mh a sb e e n d o n e ，t h em o d e le x p e r i m e n tm e c h a n i c s a n a l y s i st h e o r y o ft h et r a n s p o r t i n gp i p eh a sb e e n e s t a b l i s h e d ，a n dam o d e lp i p eh a sb e e ns e l e c t e df o ra n a l y s i s e x p e r i m e n t a la n a l y s i sh a sb e e nm a d e o nt h ee n df o r c e sa n dt h es h a p eo f t r a n s p o r t i n gp i p e t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ne x p e r i m e n t sa n d c a l c u l a t i n gh a sp r o v e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si nt h em i n e r a lt r a n s p o r t i n g s y s t e m si sc o r r e c ta n db e l i e v a b l e t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e dt h e o r i e sa n dc a l c u l a t i n gm e t h o d sa sw e l la se x p e r i m e n t s t h i s p a p e rm a d e r e s e a r c ho nt h em i n e r a l t r a n s p o r t i n gs y s t e mf o rl i f t i n gm i n e r a l sf r o m 5 0 0 0 m e t e r - d e e ps e af l o o rt os e al e v e lt h r o u g hf l e x i b l et r a n s p o r t i n gp i p e t h er e s e a r c hp r o v i d e sa n a d v a n c e dt e c h n o l o g i c a lp r o t o t y p ef o rd e e p s e am i n i n gm i n e r a lt r a n s p o r t i n gs y s t e ma n dt h ei0 0 0 m c r u s tm i d d l et e s tm i n i n gs y s t e m k e y w o r d s ：d e e p s e am i n i n g ，m i n e r a lt r a n s p o r t i n ge q u i p m e n t ，m i n e r a lt r a n s p o r t i n gp i p e ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，g e o m e t r i cn o n l i n e a r 原創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包 含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得中南大學(xué)或其他單位的 學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我共同工作的同志對(duì)本研究所作的貢獻(xiàn)均已在論 文中作了明確的說(shuō)明。 作者簽名：日期：坦z 年月絲日 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)說(shuō)明 本人了解中南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留學(xué) 位論文，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容， 可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文；學(xué)?？筛鶕?jù)國(guó)家或湖南省有關(guān)部 1 3 規(guī)定送交學(xué)位論文。 作者簽名： 徜基岔 導(dǎo)師簽名 期：地鯉年丘月盔 中南人學(xué)博士學(xué)位論丈 第一章緒論 1 1 課題研究的目的和意義 第一章緒論 隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，陸地上的礦產(chǎn)資源日益枯竭，世界各國(guó)從上世紀(jì)初就將目光 投向海洋。白1 8 7 2 1 8 7 6 年英國(guó)發(fā)現(xiàn)多金屬結(jié)核以來(lái)，經(jīng)勘探查明，大洋是豐富的礦產(chǎn)資 源基地。據(jù)美國(guó)加利福尼亞大學(xué)m e r o 教授估計(jì)，太平洋海底的多金屬結(jié)核和多金屬結(jié)殼有 1 7 億噸【i “j 。多金屬結(jié)核和結(jié)殼中有銅、鈷、鎳、錳、鐵、鎢、鋱、鉬、金、銀等7 0 多種 元素，其中銅、鈷、鎳、錳的平均品位分別為1 0 0 、0 2 2 、1 3 、2 5 ，上述四種金 屬的儲(chǔ)量分別為5 0 億噸、3 0 億噸、9 0 億噸和2 0 0 0 億噸，相當(dāng)于陸地儲(chǔ)量的9 倍、5 3 9 倍、 8 3 倍和5 7 倍f 3 _ 6 】。 錳結(jié)核分布于4 0 0 0 - - 6 0 0 0 m 的海底，而鈷結(jié)殼分布于1 5 0 0 - 4 0 0 0 m 的海山之上，錳結(jié)核 和鉆結(jié)殼開采技術(shù)難度非常大【7 “1 。從上世紀(jì)初開始，世界各大國(guó)對(duì)深海海底錳結(jié)核和鉆結(jié) 殼開采技術(shù)進(jìn)行r 廣泛的研究，并提出了不同的開采方法，其中以采礦船、海底采礦車和 水力輸送系統(tǒng)組成的采礦系統(tǒng)被認(rèn)為最具商業(yè)應(yīng)用前景p “”。 我國(guó)于1 9 9 0 年成立了“中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)”，同年向聯(lián)合國(guó)海底資源管理 籌委會(huì)提出1 5 萬(wàn)平方公里的礦區(qū)申請(qǐng)，于1 9 9 1 年3 月獲得批準(zhǔn)，并于1 9 9 9 年3 月最終罔 定了7 5 萬(wàn)平方公里的“合同區(qū)”。我國(guó)享有對(duì)“合同區(qū)”的資源勘查和開采權(quán)m 1 。 我國(guó)將大洋多金屬結(jié)核和結(jié)殼礦產(chǎn)資源作為國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展項(xiàng)目給予專項(xiàng)投資，于“八五” 期間開始對(duì)深海錳結(jié)核開采技術(shù)進(jìn)行研究，于2 0 0 2 年成功進(jìn)行了深海錳結(jié)核開采系統(tǒng)湖試。 在“十五”計(jì)劃中，將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向深海鉆結(jié)殼的開采，其中1 0 0 0 m 中試鈷結(jié)殼采礦系統(tǒng)為重 要研究課題。 我院長(zhǎng)期從事礦山開采技術(shù)和設(shè)備的研究，在礦山開采技術(shù)方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，因此 取得了多項(xiàng)重大海洋采礦項(xiàng)目，如：國(guó)家海洋協(xié)會(huì)重大項(xiàng)目一1 0 0 0 m 中試鈷結(jié)殼采礦系統(tǒng)采 集模型機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究( d y l0 5 0 3 - 0 2 ) ，“十五”8 6 3 - - 7 0 0 0 米深海載人潛水器中的鈷結(jié)殼 取芯器研究( 8 6 3 5 1 2 9 8 0 6 - 0 1 ) ，自然科學(xué)基金項(xiàng)目一大洋鈷結(jié)殼振動(dòng)切削剝離的理論與研 究( 5 0 3 7 4 0 7 1 ) 等。 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 1 國(guó)內(nèi)外深海采礦方案研究現(xiàn)狀 錳結(jié)核和鈷結(jié)殼礦產(chǎn)資源分布于深海海底，深海采礦遠(yuǎn)離陸地，環(huán)境惡劣，這就要求海 洋采礦設(shè)備不但技術(shù)上可行，而且還應(yīng)具有高度的可靠性和商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。在半多個(gè)世紀(jì)的 研究過(guò)程中，海洋采礦的科學(xué)家對(duì)如下幾種采礦方案進(jìn)行過(guò)研究。 t 、連續(xù)繩斗( c l b ) 采礦系統(tǒng) 連續(xù)繩斗( c l b ) 采礦系統(tǒng)是在一根很睦的鋼絲繩上聯(lián)結(jié)許多挖斗，鋼絲繩系在采礦船 的卷?yè)P(yáng)機(jī)上形成環(huán)狀斗鏈，挖斗f 垂至海底，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)拖動(dòng)鋼絲繩，從海底撈取礦石。日 本對(duì)此種采礦系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)研究，于1 9 7 0 年進(jìn)行了海試。在海試中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對(duì)海底復(fù)雜 地形的適應(yīng)性差，鏟斗在采礦過(guò)程中無(wú)法控制，采礦效率很低，因此放棄了該系統(tǒng)的研究， 中南大學(xué)博上學(xué)位論義 第一章緒論 丁二1 9 8 3 年轉(zhuǎn)入白行采礦車加水力輸送系統(tǒng)的研究。 2 自行穿梭式采礦車 由行穿梭式采礦乍由質(zhì)囂很輕的材料制造而成，其工作原理為：自行穿梭式采礦車裝滿 壓艙物潛入海底采礦，礦t i 采滿后丟棄樂(lè)艙物，浮出水面。法國(guó)予1 9 8 0 年開始白行穿梭式 采礦車的研究由丁該設(shè)備技術(shù)復(fù)雜，投資大，難以滿足= i ：業(yè)開采的要求，t - 1 9 8 3 年放棄 了該設(shè)備的研究，1 9 8 4 年轉(zhuǎn)入白行采礦車加水力輸送系統(tǒng)的研究。 3 采礦車加水力輸送系統(tǒng)的采礦系統(tǒng) 采礦車加水力輸送系統(tǒng)的采礦系統(tǒng)由海底采礦車、采礦船和水力輸送系統(tǒng)組成，目前大 多數(shù)國(guó)家都從事= f 此種采礦系統(tǒng)的研究。根據(jù)輸送系統(tǒng)的不同，該采礦系統(tǒng)又可分為硬管采 礦系統(tǒng)和軟管采礦系統(tǒng)1 1 “”i 。 一，硬管采礦系統(tǒng) 硬管采礦系統(tǒng)的輸送系統(tǒng)由一根接近海深長(zhǎng)度的鋼管、3 0 0 m 左右的軟管、中繼倉(cāng)和多 臺(tái)輸送泵組成。該系統(tǒng)最先由美國(guó)進(jìn)行研究，1 9 7 8 年，國(guó)際財(cái)團(tuán)海洋管理公司o m i ( o c e a n m a n a g e m e n ti n c ) 采用硬管采礦系統(tǒng)，在太平洋5 0 0 0 m 的海底成功采集了1 0 0 0 噸錳結(jié)核， 由于德國(guó)k s b 公司生產(chǎn)的兩臺(tái)多級(jí)礦漿泵磨損破壞而停止采礦f l m ”。硬管輸送系統(tǒng)的缺點(diǎn) 是：采用多臺(tái)礦漿泵對(duì)礦石與海水的混合流體接力輸送，輸送泵容易磨損破壞，使用壽命短； 礦漿泵的轉(zhuǎn)速低而質(zhì)量大，輸送系統(tǒng)復(fù)雜：海水阻力作用下，上端鉸接，下端處于自由狀態(tài) 的5 0 0 0 m 硬管在采礦工作中擺動(dòng)幅度很大i l “，管道對(duì)海底采礦車有很大影響，對(duì)于分布于 1 5 0 0 4 0 0 0 m 海山上的鈷結(jié)殼，硬管容易與海山碰撞。上述缺點(diǎn)導(dǎo)致了該系統(tǒng)目前難以達(dá)到 商業(yè)開采的要求，更不適合于鈷結(jié)殼的開采。我國(guó)長(zhǎng)沙礦山研究院和礦冶研究院在錳結(jié)核開 采方案中采用了硬管輸送系統(tǒng)。 二，軟管采礦系統(tǒng) 軟管輸送系統(tǒng)由一根比海深長(zhǎng)的軟管和礦石輸送設(shè)備組成。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：輸送 設(shè)備安裝于采礦車上，通過(guò)輸送軟管直接將礦石從海底輸送到海面，因此輸送系統(tǒng)簡(jiǎn)單；采 礦車的工作范圍大；采礦車工作時(shí)，采礦船停泊子海面，系統(tǒng)易控制和操作；一艘采礦船可 同時(shí)與多臺(tái)海底采礦車相接，采礦量成倍提高；遇大風(fēng)大浪時(shí)，可以解開輸送軟管，防止海 難發(fā)生。從上述可知，軟管采礦系統(tǒng)相對(duì)硬管采礦系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。德國(guó)s i e g e n 大學(xué) 的p r o s c h w a r z w 從19 7 2 年開始對(duì)軟管采礦系統(tǒng)研究，但至今未研究出效果理想的礦石輸 送設(shè)備i l “l(fā) 。軟管采礦系統(tǒng)成功的關(guān)鍵是能否研究出一種高揚(yáng)程、長(zhǎng)期可靠工作的礦石輸送 系統(tǒng)，這是本文的研究目的。 如果采用高速多級(jí)高壓水泵首先對(duì)海水加壓( 6 5 0 m 揚(yáng)程的水泵已有工業(yè)產(chǎn)品，技術(shù)成 熟) 然后通過(guò)儲(chǔ)料罐將礦石摻入高壓水中進(jìn)行輸送，理論上能將礦石直接從5 0 0 0 m 海底輸 送到海面；由于礦石不經(jīng)過(guò)水泵，能保證輸送設(shè)備長(zhǎng)期可靠工作：高速多級(jí)水泵的揚(yáng)程高且 重量輕。鈷結(jié)殼分布于1 5 0 0 4 0 0 0 m 的海山上，更適合于采用軟管采礦系統(tǒng)。 1 2 2 國(guó)內(nèi)外深海采礦系統(tǒng)的力學(xué)分析現(xiàn)狀 軟管采礦系統(tǒng)由海面的采礦船、海底自治采礦小車和輸送系統(tǒng)三部分組成。自治采礦車 能在海底很大的范圍內(nèi)自行工作；采礦車工作時(shí)，采礦船停泊于海面：輸送管道隨海面采礦 船與海底采礦車一起聯(lián)動(dòng)，輸送系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜。 輸送管道在一 作過(guò)程中受到重力、浮力、海水阻力、海水壓力、海浪、海流羊【| 管內(nèi)流體 運(yùn)動(dòng)的作用力等復(fù)雜載荷的耦合作用，必需保證輸送管道在復(fù)雜外載的作用下可靠地工作。 輸送系統(tǒng)在復(fù)雜載荷的耦合作用下作復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)，采礦系統(tǒng)之間的力學(xué)關(guān)系十分復(fù) 雜。為了設(shè)計(jì)和控制采礦系統(tǒng)，必須對(duì)采礦系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析【1 ”。 2 中南大學(xué)博 學(xué)位論文 第一章緒論 對(duì)于柔性管道的力學(xué)分析，已經(jīng)進(jìn)行了許多研究。早在1 9 3 7 年，d a n i e l z i g 就采用圖算 方法對(duì)一根f 端攜帶探針，上端系于作水平勻速直線運(yùn)動(dòng)b 機(jī)上的橡膠導(dǎo)線進(jìn)行了分析研 究。在對(duì)易彎曲的柔軟導(dǎo)線進(jìn)彳了研究時(shí)忽略了導(dǎo)線的抗彎剛度，而假設(shè)導(dǎo)線抗拉剛度為無(wú) 窮犬即導(dǎo)線是不可拉伸的。d a n i e l z i g 對(duì)f 端懸掛有一根相對(duì)較重的探針的導(dǎo)線，研究出 采用圖解法求解在相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下導(dǎo)線形狀的方法”。 h a d e i 和k 6 h l 對(duì)深海彳i 油鉆探管道的計(jì)算分析做了大量的研究：作。深海鉆探管道是 連接海底鉆探孔和海面采油船的管道，當(dāng)從采油平臺(tái)向海底進(jìn)行鉆探時(shí)，鉆桿在鉆探管道內(nèi) 工作，鉆探管道為鉆桿起導(dǎo)向作用，并通過(guò)鉆探管道向鉆頭輸送沖洗液。當(dāng)鉆探工作完成后， 鉆桿從鉆探管道中移出，鉆探管道作為輸油管將右油從海底輸送到海面的采油平臺(tái)上。 h a p e l 和k 6 h l 將管道的幾何形狀和外部載荷進(jìn)行簡(jiǎn)化后，建立管道運(yùn)動(dòng)承汐h 載分析的數(shù)學(xué) 模型，分析得到管道在外載作用下運(yùn)動(dòng)的四階微分方程，通過(guò)求解微分方程，分析管道變形 和端點(diǎn)受力。 h a p e l 和k 6 h l 對(duì)根躍2 0 0 0 m 的鉆探管道，上下兩端簡(jiǎn)化為鉸鏈連接，在忽略管道抗 彎剛度的情況f ，通過(guò)求解微分方程，得出了管道變形和端點(diǎn)受力的解。h a p e l 和k s h l 根 據(jù)不同方法求解鉆探管道的微分方程，得到方程解的簡(jiǎn)單表達(dá)式。同時(shí)，h a p e l 和k o h l 證 明，在理想狀態(tài)f ，將無(wú)限長(zhǎng)的鉆探管道的抗彎剛度忽略掉，對(duì)計(jì)算管道的受力和變形幾乎 沒(méi)有影響：同時(shí)也證明，對(duì)鉆探輸油管道采用更為復(fù)雜的計(jì)算分析方法也不能得出更精確的 解【1 7 ”1 。 h a p e l 和k s h l 在忽略鉆探管的抗彎強(qiáng)度的情況下，考慮海浪對(duì)船的動(dòng)態(tài)影響，重新對(duì) 2 0 0 0 m 石油鉆探營(yíng)進(jìn)行了分析，得出了石油鉆探管的微分方程，并求得了微分方程的解析解 1 9 1 。 h a p e l 和k s h 也研究了鉆探系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。海浪作用于鉆探管的上端和鉆探船上，使 鉆探系統(tǒng)上端產(chǎn)生水平和垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)海浪頻率與鉆探系統(tǒng)本身橫向固有振動(dòng)頻率一致 時(shí)，鉆探管在海浪的作用下，產(chǎn)生橫向共振，將對(duì)鉆探系統(tǒng)產(chǎn)生很大的破壞作用。在將鉆探 系統(tǒng)簡(jiǎn)化成一個(gè)彈簧系統(tǒng)，考慮鉆探管的軸向剛度，而忽略鉆探管抗彎剛度的情況下，對(duì)系 統(tǒng)進(jìn)行分析，得出一組四階微分方程。在求解微分方程時(shí)，假設(shè)系統(tǒng)處于靜態(tài)，鉆探系統(tǒng)的 上端只有很小的偏穆，在對(duì)作用于鉆探管上的海浪力進(jìn)行線性化后，得到了微分方程的解 1 2 0 1 。 i - l a p e l 對(duì)石油鉆探管道的橫向振動(dòng)進(jìn)行了研究。在考慮鉆探管的軸向剛度，而忽略鉆探 管的抗彎剛度的情況下，分別對(duì)作用于鉆探管上的海浪力采用線性化和非線性方法，對(duì)系統(tǒng) 進(jìn)行了分析，并得出了解析解。對(duì)上述兩種方法求得的微分方程的解進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，非線 性方法求得的微分方程解的振動(dòng)幅度較大，抗彎剛度對(duì)微分方程的解影響很小口”。 k 6 h l 在考慮石油鉆探管內(nèi)流體作用的情況下對(duì)鉆探系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。石油 鉆探管的外層導(dǎo)管為橡膠軟管，在分析建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，同樣忽略了鉆探管的抗彎剛度。 在首先求得鉆探管的固有頻率后，然后將此頻率作為系統(tǒng)的激勵(lì)頻率作用于鉆探管上端，因 此在鉆探管上端產(chǎn)生響應(yīng)( 共振激勵(lì)) 。k s h l 分析后得出結(jié)論：在管內(nèi)流體的摩擦力的作甩 下處于垂直平衡的鉆探管道，不受管道兩端拉力大小的影響，始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)“。 k 6 h n e 對(duì)深海采礦礦石輸送管道為鋼管的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析。k 6 h n e 根據(jù)鋼管系 統(tǒng)受力平衡和系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特睫，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型得出系統(tǒng)的微分方程，對(duì)微分方程進(jìn) 行線性化后，求得微分方程的解，并且針輸送管道分別為2 0 0 0 m 和5 0 0 0 m 的情況進(jìn)行了分 析。在假設(shè)輸送管道不受力矩的作崩，分別對(duì)輸送管道的上下兩端崮定、上端固定而下端處 于自由狀態(tài)的兩種情況進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，前一種情況管道的振動(dòng)特性相對(duì)穩(wěn)定， 而后一種情況的振動(dòng)特性變化無(wú)常：輸送管道上端的振動(dòng)，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能傳輸?shù)焦艿老?端。 中南人學(xué)博j 二學(xué)位論史 第一章緒論 k 6 h n e 也針對(duì)輸送管道內(nèi)存任液體流動(dòng)的情況進(jìn)行了研究，分析管內(nèi)液體流動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的 影u 自。當(dāng)管內(nèi)液體流動(dòng)的速度較- f k 時(shí)，由于液體流動(dòng)對(duì)管壁產(chǎn)生摩擦力，輸送管道在摩擦力 的作j ； f 產(chǎn)生振動(dòng)：當(dāng)在管道下端系上一定重量的物體時(shí)，可以減小輸送管道的振幅。當(dāng)管 道內(nèi)的液體流動(dòng)速度較小時(shí)，管內(nèi)液體的流動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響較小而可以忽略j 。 r o a l l a 采j _ f 有限單元分析方法，對(duì)一根彈性軟管的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。r o a l l a 研究的橡膠軟管上下兩端處于懸掛狀態(tài)，管道兩端鉸接而沒(méi)有力矩的作垌，管內(nèi)存在固定流 速流體，軟管上端受海浪運(yùn)動(dòng)的作用，隨海浪一起運(yùn)動(dòng)。r o a l l a 在考慮或忽略橡膠管的抗彎 剛度兩種情況f ，分別對(duì)管道的受力和變形進(jìn)行了計(jì)算分析，并對(duì)管道的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研 究i ”i 。 a b l o w 和s c h e h t e r 對(duì)上端固定于船上，下端處于自由狀態(tài)伸入海底的電纜，當(dāng)船拖著 電纜作直線運(yùn)動(dòng)和作圓弧運(yùn)動(dòng)的情況運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析研究，并找到了一種解決此類問(wèn)題的有 效算法。+ 當(dāng)船拖著電纜作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，假設(shè)系統(tǒng)處于靜態(tài)狀態(tài)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性， 得到系統(tǒng)的微分方程組，采用有限差分方法求得微分方程的解。用類似的方法，m i l i n a z z o w i l k i e 和l a t c h m a n 也對(duì)上述在水中拖著運(yùn)動(dòng)的電纜進(jìn)行了研究，并找到了一種適合于系統(tǒng) 在線控制的求解方法“。“j 。 o w e n 和q i n 對(duì)一根從海底向海面輸送石油和天然氣的柔性管道進(jìn)行了分析和研究。管 道的上端與停泊于海面的浮動(dòng)平臺(tái)相連接，管道的下端垂直固定于海底。在管道下端大約 i 4 長(zhǎng)度處，懸掛一浮體，以此保證管道的下端垂直于海底。首先，對(duì)處于自由彎曲狀態(tài)的 管道，在忽略管道抗彎剛度的情況下，根據(jù)系統(tǒng)在靜態(tài)條件下的受力平衡，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模 型，得到系統(tǒng)的微分方程組，分析系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下的管道變形和受力情況。另外，在考慮 管道抗彎剛度的情況下，求得系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下的管道變形和受力的近似解。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 靜態(tài)分析后，還采用數(shù)值分析方法，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析和研究。其次，還設(shè)計(jì)了 一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)軟管的變形和受力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟管與真實(shí)軟管的比例 為1 ：8 1 。在對(duì)實(shí)驗(yàn)軟管的變形和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析和研究時(shí)，采用了錄像技術(shù)口”。 g h a d i m i 提出了一種計(jì)算柔性管道變形和受力分析的方法。g h a d i m i 的經(jīng)驗(yàn)是把柔性管 道離散成由許多質(zhì)量彈簧單元組成的系統(tǒng)，然后根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特性，建立系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型。采用有限單元法分析系統(tǒng)的變形和受力時(shí)，首先計(jì)算其近似值，然后經(jīng)過(guò)不斷迭 代，直到求得系統(tǒng)變形和受力的精確值為止。在對(duì)系統(tǒng)中任意質(zhì)量彈簧單元的運(yùn)動(dòng)和受力進(jìn) 行分析時(shí)，考慮了單元的質(zhì)量、浮力、水中運(yùn)動(dòng)的阻力、管單元的彈性力、以及管內(nèi)液體流 動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的對(duì)管道的作用力，管道運(yùn)動(dòng)時(shí)的海水阻力和海浪運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的作用力按m o d s o n 方法計(jì)算。此外，在建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，考慮了彎矩對(duì)管道的影響。根據(jù)b e r n o u l l i e u l e r 管道計(jì)算方法，即管道所受彎矩的大小與管道所在位置的曲率有關(guān)，然后根據(jù)管道沿長(zhǎng)度方 向所受彎矩的大小，將剪切力當(dāng)作外力處理，經(jīng)過(guò)迭代可以求得管道沿長(zhǎng)度方向所受的剪切 力。因?yàn)樯鲜鏊?jì)算的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，所以計(jì)算方法十分有效。g h a d l m i 對(duì)一根長(zhǎng)5 0 0 m 的柔性管道進(jìn)行了分析和研究，并且通過(guò)一個(gè)l ：5 0 的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，證實(shí)了上述算法是可行的 2 8 1 。 m a r k o u l i d i s 對(duì)柔性連接物體采用有限單元法進(jìn)行了研究，例如柔性的繩索，電纜以及 柔性連接管道，并且在計(jì)算時(shí)考慮了這些柔性物體存在材料非線性和幾何非線性等情況。其 t 作難點(diǎn)在于采用有限單元法推導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式以及對(duì)離散非線性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的積 分求解。m a r k o u l i d i s 采用上述方法對(duì)一根長(zhǎng)7 0 0 m ，兩端固定的柔性管道，在海水中受到海 浪和洋流作用的情況下進(jìn)行了研究，此種管道在海洋工程( o f f s h o r et e c h ) 中經(jīng)常被使用因 此有很商的研究?jī)r(jià)值“。 g i e s e 也對(duì)在洋流和海浪作用下兩端固定的柔性管道進(jìn)行了研究。g i e s e 采用有限差分 法，對(duì)柔性管道進(jìn)行離散，離散后的單元管為直線質(zhì)點(diǎn)彈簧單元，單元管的質(zhì)量分布在單元 4 中南大學(xué)博一i 二學(xué)位論義 第一章緒論 管兩端的結(jié)點(diǎn)上，根據(jù)扭轉(zhuǎn)彈簧的特性，可以計(jì)葬管道存在彎矩的情況。 l u b b e r t 采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)深海錳結(jié)核采礦系統(tǒng)輸?shù)V軟管的受力和變形進(jìn)行了分析和研 究。l u b b e r t 為了分析輸送軟管，建立了模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備為一個(gè)長(zhǎng)寬分別為1 1 m ， 高3 m 的完全透明的玻璃容器，容器內(nèi)裝滿水。實(shí)驗(yàn)軟管的f 端固定于玻璃容器的底部，模 擬海面上相對(duì)靜止的采礦船：實(shí)驗(yàn)軟管的上端安裝于玻璃容器的頂部一臺(tái)的小車上，小車可 以模擬海底采礦午的運(yùn)動(dòng)，小車的i 耋動(dòng)速度和方向由計(jì)算機(jī)控制。實(shí)驗(yàn)軟管上f 兩端安裝了 力傳感器，川于測(cè)量實(shí)驗(yàn)軟管兩端的受力變化情況，測(cè)量的數(shù)據(jù)傳給控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。 兩臺(tái)照相機(jī)垂直安置于玻璃容器的兩個(gè)側(cè)面，由計(jì)算機(jī)控制其拍攝的時(shí)間達(dá)到同時(shí)拍攝在 規(guī)定時(shí)刻玻璃容器內(nèi)實(shí)驗(yàn)軟管的幽像。實(shí)驗(yàn)時(shí)，小乍的行走距離，方向，速度 r d j n 速度，實(shí) 驗(yàn)軟管兩端的受力情況，照相機(jī)的拍攝數(shù)據(jù)，全部?jī)?chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 3 0 l 。 l u