一种深海矿物颗粒水力采集实验平台及其实验方法与流程

本发明属于深海采矿，具体为一种深海矿物颗粒水力采集实验平台及其实验方法。

背景技术：

1、随着工业经济发展，全球各国对矿产资源需求日益增长，陆地资源供给逐步乏力，各国开始关注深海矿产资源的开采。深海采矿技术是实现深海矿产资源开发的关键。

2、深海采矿技术的基础研发需要得到实验与验证，而海洋条件与海底环境十分复杂，海上现场试验成本巨大。由于国内深海采矿研发起步晚，现有实验室基础研究测试装置缺乏，特别是在矿物颗粒的水力采集方面，试验条件不完善，部分试验验证工作无法开展。

3、当前，多数水力采集实验平台以单一机构功能和单一参数测试为主，获取数据较为单一，数据精度差。暂无一套完整的深海矿物颗粒水力采集方面的基础理论研究平台；在进行关键技术基础理论研究时，在海上现场试验环节难以获取水力采集动力学和轨迹数据并对数据进行验证。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于模拟深海矿物颗粒的水力采集作业工况，采集多种水下采集作业技术参数和联动参数的深海矿物颗粒水力采集实验平台及其实验方法。

2、本发明提供的这种深海矿物颗粒水力采集实验平台，包括水箱、颗粒平台、水力模拟组件和激光摄像组件；水箱内装满水，其内设置可移动的颗粒平台，颗粒平台上通过三维力传感器固定有待测的矿物颗粒；水力模拟组件包括集矿泵和射流喷嘴，集矿泵模拟水下抽吸作业时的情况，射流喷嘴模拟水下的射流情况；激光摄像组件配合纪录抽吸作业时矿物颗粒的运动状态。

3、上述平台的一种实施方式中，所述水箱的底部与四周，除管道安装侧为合金板材外，其余为钢化玻璃；水箱的底部四角均设置有支腿。

4、上述平台的一种实施方式中，所述水箱上设置有水箱主体架，水箱主体架包括滑轨托架和滑轨；滑轨托架为u形，水箱前后侧各固定一滑轨托架；两滑轨托架从水箱的底端相接，各滑轨托架的u形臂上均设置有吊耳；滑轨为u形架，水平设置于两滑轨托架顶端，与其一体成型；滑轨的两臂上为齿轮轨道。

5、上述平台的一种实施方式中，所述水箱主体架上设置有滑移机构，滑移机构包括滑移泵架和滑移驱动组件；滑移泵架为目字形，其两端向外伸出搭接于所述滑轨上；滑移驱动组件包括盒体、齿轮和电机；盒体固定于滑移泵架一侧的伸出端上，其下端设置有电机驱动的齿轮，齿轮与水平滑轨啮合。

6、上述平台的一种实施方式中，所述水力模拟组件包括集矿泵、集矿罩和射流喷嘴；集矿泵通过连接件固定于所述滑移泵架上，水力集矿泵的入口处设置有集矿罩；集矿罩为透明材料制成；集矿罩上布置多个可调整角度的射流喷嘴。

7、上述平台的一种实施方式中，所述水力模拟组件上还设置有循环组件，循环组件包括输送软管和圆转锥形出水口；输入软管中间装有流量计，所述集矿泵的出口连接输送软管，输送软管从所述滑移泵架中穿出，另一端连接并穿过所述水箱右侧，输送软管另一端的出水口为圆转锥形出水口。

8、上述平台的一种实施方式中，所述水箱中设置有隔水板和水流缓冲蜂窝器。

9、上述平台的一种实施方式中，所述颗粒平台包括台面、升降机构、传感器移动机构、三维力传感器和矿物颗粒；台面的四角分别连接有四个升降机构，升降机构包括竖直设置的升降丝杆，和驱动丝杆旋转的升降电机；传感器移动机构为一水平的电动丝杆机构，其两端固定于台面底端，移动块与丝杆连接，台面对应丝杆的位置开有长圆孔；三维力传感器固定在移动块上；三维力传感器上设置有高刚度高强度丝杆，细杆从台面的长圆孔向上穿出，其顶端悬空设置矿物颗粒。

10、一种使用深海矿物颗粒水力采集实验平台进行实验的方法，包括以下步骤：

11、1、实验开始前，将集矿泵滑动到最佳实验位置，将颗粒平台调整到离指定高度，将测试颗粒安置于细杆上端，将玻璃水箱内注满清水，调整高速摄像机到最佳拍摄位置；

12、2、选择实验需要的对应开口形状的集矿罩，与集矿泵的入口连接；

13、3、启动集矿泵，水流随着泵抽吸至输送软管中，最终通过圆锥形出水口重新回到水箱，流量计可获取水流的流速值；

14、4、启动射流喷嘴喷射水流形成上升流吹起颗粒，探究在有射流情况下对采集效率的影响；

15、5、集矿泵抽吸时通过三维力传感器测量矿物颗粒所受到流场流体作用的三向力值；

16、6、调整传感器与集矿罩的横向相对位置，随着细杆移动带动颗粒横向移动，结合滑移移动组件纵向移动水力集矿泵，模拟颗粒在集矿罩的任何水平位置的受力；

17、7、将颗粒自由放置于颗粒平台台面上，启动水力集矿泵，颗粒随着水流吸入集矿罩中，通过摄像机将矿物颗粒的运动情况进行拍摄，并将颗粒拟合形成三维的运动曲线，获取颗粒在曲线上任何位置的速度。

18、本发明的有益效果为：

19、基于模拟深海矿物颗粒的水力采集作业工况，获取颗粒受力、运动轨迹、水力流场等更多水下采集作业技术参数和联动参数的精确数据，为深海矿物的水下采集技术的研发提供理论参数借鉴与技术支撑；实验平台还可以模拟颗粒群的抽吸作业，可通过摄像机捕捉各颗粒的运动状态，并通过调整不同系统参数测试颗粒群完全被采集完毕的时间和运动情况，可为实际工程应用的系统参数设置提供参考借鉴。

技术特征：

1.一种深海矿物颗粒水力采集实验平台，其特征在于：它包括水箱、颗粒平台、水力模拟组件和激光摄像组件；

2.如权利要求1所述的深海矿物颗粒水力采集实验平台，其特征在于：所述水箱的底部与四周，除管道安装侧为合金板材外，其余为钢化玻璃；水箱的底部四角均设置有支腿。

3.如权利要求1所述的深海矿物颗粒水力采集实验平台，其特征在于：所述水箱上设置有水箱主体架，水箱主体架包括滑轨托架和滑轨；

4.如权利要求3所述的深海矿物颗粒水力采集实验平台，其特征在于：所述水箱主体架上设置有滑移机构，滑移机构包括滑移泵架和滑移驱动组件；

5.如权利要求4所述的深海矿物颗粒水力采集实验平台，其特征在于：所述水力模拟组件包括集矿泵、集矿罩和射流喷嘴；

6.如权利要求5所述的深海矿物颗粒水力采集实验平台，其特征在于：所述水力模拟组件上还设置有循环组件，循环组件包括输送软管和圆转锥形出水口；输入软管中间装有流量计，所述集矿泵的出口连接输送软管，输送软管从所述滑移泵架中穿出，另一端连接并穿过所述水箱右侧，输送软管另一端的出水口为圆转锥形出水口。

7.如权利要求1所述的深海矿物颗粒水力采集实验平台，其特征在于：所述水箱中设置有隔水板和水流缓冲蜂窝器。

8.如权利要求1所述的深海矿物颗粒水力采集实验平台，其特征在于：所述颗粒平台包括台面、升降机构、传感器移动机构、三维力传感器和矿物颗粒；

9.一种使用权利要求1-8所述的深海矿物颗粒水力采集实验平台进行实验的方法，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种深海矿物颗粒水力采集实验平台，它包括水箱、颗粒平台、水力模拟组件和激光摄像组件；水箱内装满水，其内设置可移动的颗粒平台，颗粒平台上通过三维力传感器固定有待测的矿物颗粒；水力模拟组件包括集矿泵和射流喷嘴，集矿泵模拟水下抽吸作业时的情况，射流喷嘴模拟水下的射流情况；激光摄像组件配合纪录抽吸作业时矿物颗粒的运动状态。本平台基于模拟深海矿物颗粒的水力采集作业工况，获取颗粒受力、运动轨迹、水力流场等更多水下采集作业技术参数和联动参数的精确数据，为深海矿物的水下采集技术的研发提供理论参数借鉴与技术支撑。技术研发人员：江敏,陈秉正,李江明,宋其新,臧龙,艾杨,李锋受保护的技术使用者：长沙矿山研究院有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5