一种旋转铲斗式水力集矿装置及其工作方法

本申请涉及深海采矿，特别涉及一种旋转铲斗式水力集矿装置及其工作方法。

背景技术：

1、深海中蕴藏着多金属结核、多金属硫化物、富钴结壳等丰富的矿产资源，拥有极高的资源丰度及经济价值。多金属结核富含锰、镍、铜等金属元素，可以广泛应用于炼造、冶金、航空、航天等相关行业，并且储量巨大分布广泛，具有较高的开发潜力，针对多金属结核的开采技术是近年来各国专家学者的研究热点。

2、在已开展的大量研究工作中，管道提升式集矿系统具有结构简单、作业连续性好、经济性高等优势，是当前的主流采集系统。集矿装置作为管道提升式集矿系统的首要环节，其采集效率直接影响集矿系统整体的采集性能。对于集矿装置，根据采集方式的不同，可以进一步细分为机械式、水力式以及机械-水力复合式集矿装置。现有的集矿装置多为水力式集矿装置，通过附壁射流以及双排射流等射流方式对结核进行冲刷，使其破碎从而便于被集矿装置吸收。但目前的集矿装置普遍存在能耗较高、环境扰动较大等问题，难以兼顾经济性、采集效率以及环境保护三方面因素。

技术实现思路

1、本申请的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种旋转铲斗式水力集矿装置及其工作方法，能够减少能耗以及对环境的扰动，并且提升采集效率。

2、根据本申请第一方面实施例，提供一种旋转铲斗式水力集矿装置，包括：

3、壳体，所述壳体底部敞开；

4、挖掘件，所述挖掘件在所述壳体内转动，所述挖掘件包括相互连接的铲斗和汇流部，所述铲斗的数量为至少两个且围绕所述汇流部呈圆周阵列分布，所述汇流部内部设置有与各个所述铲斗连通的腔室；

5、射流喷嘴，所述射流喷嘴安装于所述铲斗的背部并朝向相邻的另一个所述铲斗；

6、导流件，所述导流件安装于所述挖掘件的一侧并跟随所述挖掘件转动，所述导流件包括相互连接的出射部和入射部，所述出射部的中央开设有出射口以与所述汇流部的腔室连通；所述入射部的数量有至少两个且围绕所述出射部呈圆周阵列分布，所述入射部开设有入射口并在所述入射部内设置有与所述入射口连通的通道，所述通道连通至所述射流喷嘴；所述入射口呈圆弧状并且其圆心位于所述导流件的中轴线上；

7、射流组件，所述射流组件包括入射管和出射管，所述入射管的管口与所述导流件的入射口对应，所述出射管与所述导流件的出射口对接；

8、其中，当所述导流件的入射口转动至所述入射管出口时，所述入射管中的射流流入所述通道并从射流喷嘴喷出，对海床进行冲击破碎以方便所述铲斗铲起；所述铲斗转动并使得破碎的矿物滑入所述汇流部，经由所述出射口和所述出射管汇集至外部的矿物收集装置。

9、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述旋转铲斗式水力集矿装置还包括液压杆，所述射流喷嘴与所述铲斗铰接，所述液压杆的两端分别铰接至所述射流喷嘴和所述铲斗，所述液压杆用于改变所述射流喷嘴的射出角度。

10、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述入射管的高度低于所述挖掘件的旋转轴，位于底部的所述铲斗进行挖掘时，由对应的所述射流喷嘴对海床进行喷射以驱使矿物进入所述铲斗内。

11、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述射流组件还包括射流泵输入管，所述射流泵输入管作为支管与所述出射管连接，射流泵向所述射流泵输入管中充入高速射流；所述射流泵输入管与所述出射管的连接处，所述射流泵输入管的射流方向与所述出射管的流体运动方向呈锐角夹角。

12、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述射流组件还包括对接管，所述对接管与所述出射管对接，所述射流泵输入管与所述对接管连接，所述对接管设置有锥形管段以引导所述射流泵输入管的射流与所述出射管的流体汇流。

13、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述壳体外侧安装有承托结构以与外部设备连接。

14、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述壳体的上部呈圆弧状并与所述挖掘件相适配。

15、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述铲斗的数量有四个。

16、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述铲斗两侧设置有围挡以防止矿物从所述铲斗的两侧滑落。

17、根据本申请第二方面实施例，提供一种基于上述旋转铲斗式水力集矿装置的工作方法，包括：

18、通过外部的驱动设备将所述旋转铲斗式水力集矿装置贴近海床；

19、启动外部射流设备，高速射流流入所述入射管；

20、启动所述旋转铲斗式水力集矿装置，所述挖掘件开始转动；

21、所述导流件的入射口转动至所述入射管出口，高速射流通过所述导流件的通道流向所述射流喷嘴，所述射流喷嘴射出的射流对海床矿物进行破碎；

22、所述挖掘件继续转动，所述铲斗将破碎后的矿物铲起；

23、所述铲斗旋转至高处，矿物由于重力滑落至所述挖掘件的汇流部；

24、矿物经由所述导流件的出射口输出至所述出射管，矿物沿所述出射管进入外部的矿物收集装置；

25、循环进行上述步骤，持续对海床矿物进行收集。

26、本申请实施例的有益效果至少包括：本申请通过射流喷嘴对海床矿物进行破碎，并通过铲斗对破碎后的矿物进行挖掘收集，其中矿物的破碎和收集均在壳体内完成，一方面可以减少对外部环境的影响，另一方面通过壳体保存射流的动能，充分提升射流破碎的效率；射流喷嘴设置有多个，在铲斗进行挖掘时其对应的射流喷嘴才会开启，减少能源的消耗并充分利用射流动能。

技术特征：

1.一种旋转铲斗式水力集矿装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的旋转铲斗式水力集矿装置，其特征在于：所述旋转铲斗式水力集矿装置还包括液压杆，所述射流喷嘴与所述铲斗铰接，所述液压杆的两端分别铰接至所述射流喷嘴和所述铲斗，所述液压杆用于改变所述射流喷嘴的射出角度。

3.根据权利要求1所述的旋转铲斗式水力集矿装置，其特征在于：所述入射管的高度低于所述挖掘件的旋转轴，位于底部的所述铲斗进行挖掘时，由对应的所述射流喷嘴对海床进行喷射以驱使矿物进入所述铲斗内。

4.根据权利要求1所述的旋转铲斗式水力集矿装置，其特征在于：所述射流组件还包括射流泵输入管，所述射流泵输入管作为支管与所述出射管连接，射流泵向所述射流泵输入管中充入高速射流；所述射流泵输入管与所述出射管的连接处，所述射流泵输入管的射流方向与所述出射管的流体运动方向呈锐角夹角。

5.根据权利要求4所述的旋转铲斗式水力集矿装置，其特征在于：所述射流组件还包括对接管，所述对接管与所述出射管对接，所述射流泵输入管与所述对接管连接，所述对接管设置有锥形管段以引导所述射流泵输入管的射流与所述出射管的流体汇流。

6.根据权利要求1所述的旋转铲斗式水力集矿装置，其特征在于：所述壳体外侧安装有承托结构以与外部设备连接。

7.根据权利要求1所述的旋转铲斗式水力集矿装置，其特征在于：所述壳体的上部呈圆弧状并与所述挖掘件相适配。

8.根据权利要求1所述的旋转铲斗式水力集矿装置，其特征在于：所述铲斗的数量有四个。

9.根据权利要求1所述的旋转铲斗式水力集矿装置，其特征在于：所述铲斗两侧设置有围挡以防止矿物从所述铲斗的两侧滑落。

10.一种基于权利要求1至9中任一所述旋转铲斗式水力集矿装置的工作方法，其特征在于，

技术总结本申请公开了一种旋转铲斗式水力集矿装置及其工作方法，本集矿装置包括壳体、挖掘件、射流喷嘴、导流件和射流组件。其中，壳体使得射流破碎后的矿物集中在其内部以被挖掘。挖掘件用于挖掘矿物。射流喷嘴用于发出射流以破碎矿物。导流件用于将射流组件中的射流导引至射流喷嘴，以及将挖掘件所挖掘出的矿物输送至射流组件。本申请通过射流喷嘴对海床矿物进行破碎，并通过铲斗对破碎后的矿物进行挖掘收集，其中矿物的破碎和收集均在壳体内完成，一方面可以减少对外部环境的影响，另一方面通过壳体保存射流的动能，充分提升射流破碎的效率；射流喷嘴设置有多个，在铲斗进行挖掘时其对应的射流喷嘴才会开启，减少能源的消耗并充分利用射流动能。技术研发人员：马勇,刘博赢,翟方杰,王晓湘,胡超受保护的技术使用者：中山大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18