深海集矿机履带系统优化设计研究

【摘要】随着陆地资源的日趋枯竭,世界资源开发的战略眼光开始聚集到海洋上。深海蕴藏着丰富的矿产资源,对人类生产生活有重大应用价值的主要有大洋多金属结核、富钴结壳和海底热液多金属硫化物等,普遍认为目前最具开发前景的是多金属结核,它富含铜、钴、镍、锰、金、银、稀土等。因此,20世纪70年代开始对深海采矿系统进行了大量的研究。集矿车在深海采矿作业中承担了最复杂和最危险的工作,是深海采矿系统中最关键的设备。履带式集矿车比腿式集矿车更具有优势,原因是它满足了深海采矿系统的稳定性所提出的较大浮力和牵引力的要求。履带式集矿车的动力学特性一直是研究热点。深海采矿集矿车不仅与系统各元件之间存在耦合关系,还需要满足承担多任务的各系统元件所提出的设计要求。多学科设计优化方法(MDO)可以满足复杂系统的多目标任务设计的要求。由于概念设计对于最终产品的性能影响最大,而且在概念设计阶段进行修改比在细节设计阶段更容易,因此在集矿车的设计中引入概念设计是很有必要的,集矿车的研制的成败取决于概念设计。为了节约时间和成本,往往在复杂系统的研制中引入概念设计方法,例如公理化设计。往往在若干个概念设计中选择一个较好的设计来降低最终设计的风险,减少系统开发的时间。深海集矿车的设计更注重于整个采矿系统的优化,但是其在深海采矿系统中的重要地位,它的优化设计将对商业化开采产生重要影响。深海采矿系统十分复杂、昂贵,由于物理模型的高费用和高风险,在系统开发的前期往往不进行物理模型的建造。因此,深海采矿仿真系统的开发是早期概念设计的创新,是有效的加速技术成熟的方法,确保系统的稳定性和可靠性。在集矿车作用下的集矿机履带与海底沉积物相互作用力学特性研究十分重要。在模拟海底沉积物上进行集矿车行走性能的研究往往受到各种限制,海底沉积物被认为是弹性的或者刚性的,最好是将其看作塑形介质或者临界土力学状态,本文引入有限元方法或者离散元方法进行研究。为了克服采用模拟海底沉积物进行研究的限制,建立了海底沉积物的临界土力学状态模型,可以对海底沉积物在集矿车作用下的应力和应变进行分析。随着近年来计算机技术和计算方法的发展,出现了海底沉积物的有限元分析(FEM)和离散元分析(DEM)。可以对集矿机履带与海底沉积物相互作用力学特性进行深入研究。在集矿机履带与海底沉积物相互作用力的问题上,车辆行走失败模式比较复杂,履带—沉积物界面的边界条件随设计参数和作业条件的变化而变化,例如沉积物力学特性参数。如果最初不设定好边界条件,仿真就难以进行。因此,边界条件的设计通常依据经验数据和简化假设。深海集矿车的建模需要对履带施加在海底沉积物上的力学特性有深入的了解。由于履带式集矿车的性能主要取决于履带—沉积物界面的法向应力和剪切应力分布,履带集矿车数学建模的基本问题是履带—沉积物界面相互作用力的关系的建立。本文的建模首先假设集矿车做直线运动,之后是转向运动。考虑了施加在集矿车上的主要外力作用,包括牵引力、水动力、集矿头受力、推土阻力、软管受力以及集矿车自身重力等等,同时还考虑了施加在沉积物上的受力包含法向应力和剪切应力。法向应力由集矿车的重量引起的垂直压力产生,可由海底沉积物压力—沉陷关系获得。剪切应力由牵引力和制动力产生,可由剪切应力—剪切位移关系获得。基于Bekker公式可以获得海底沉积物压力—沉陷关系式及相应参数,并根据Muro和O’Brien的工作,在考虑了水动力和软管受力的基础上对参数进行了修正,建立了集矿车静态、动态和转向的数学模型。压实阻力被认为是作用在履带前端接触部分。在进行系统的静态分析时,例如集矿车静止的时候,认为其速度为零,不存在打滑现象,集矿车所受的牵引力和集矿头所受的阻力也均为零。在静态分析时,获得了为了计算确保系统静止的软管受力而建立的集矿车模型所需要的参数。静态分析时,假设集矿车沿直线行走,并得出车身运动方程。在能量消耗分析时,施加在后链轮上的驱动和制动转矩提供的有效的输入能量应等于挤压消耗能量、打滑消耗能量、有效的驱动和制动消耗能量、采集消耗能量以及水动力消耗能量之和。在转向分析时,由于转向时速度很小,忽略了水动力,而摩擦力矩则由履带的打滑、集矿车的横向倾斜角、纵向有效牵引力以及总的有效牵引力得出。为了验证所建立的集矿车数学模型,试验研究是十分必要的。深海采矿系统的质量和体积是很庞大的,因此,基于相似原理和量纲分析建立了实验室履带集矿车物理模型,用来获得行驶时履带车牵引—沉陷关系,获得转向时的转弯半径,并检验试验获取的动力学特性是否与由模型得出的一致。海底沉积物压力—沉陷关系式、实际的转弯半径以及模型方程都由试验得到了验证。仿真时,首先由集矿车的基本参数和海底沉积物的力学特性参数计算出集矿车在静止状态时的接触应力分布(假设履带为刚体)。前引导轮和后驱动轮静态时的总沉陷量由Bekker公式和集矿车的倾斜角计算得出。获得了不同偏心距时的静态、动态和转向方程。MATLABR2011用来进行模型受力的仿真计算,计算结果由MINITAB14来存储和分析。MINITAB14用于确定仿真变量之间的关系,JMP6SARS用于绘制二维图形来描述变量之间的关系。在静止状态下,软管受力和倾斜角之间是线性关系的假设是成立的。履带推力和偏心率随着软管连接夹角的增加而增加。当软管连接夹角小于零时,地面反作用力和倾斜角随软管连接夹角的增加而减小；当软管连接夹角大于零时,地面反作用力和倾斜角随软管连接夹角的增加而增加。履带推力和偏心率的最大值取决于软管连接夹角的最大值。然而地面反作用力和倾斜角的最大值取决于软管连接夹角的最大绝对值。当坡度小于零时,履带推力、地面反作用力和倾斜角随坡度增加而增加；当坡度大于零时,履带推力、地面反作用力和倾斜角随坡度增加而减小。偏心率随坡度的增加而增加。这里,偏心率的最大值取决于坡度最大值。当坡度为零时,履带推力、地面反作用力和倾斜角达到最大值。动态分析时,部分变量是彼此相关的,但是还有部分变量是不相关的。软管连接夹角和坡度仅与压实阻力和牵引力相关。当软管连接夹角小于零时,压实阻力和有效牵引力随软管连接夹角的增加而减小；当软管连接夹角大于零时,压实阻力和有效牵引力随软管连接夹角的增加而增加。当坡度小于零时,压实阻力和有效牵引力随坡度的增加而减小；当坡度大于零时,压实阻力和有效牵引力随坡度的增加而增加。压实阻力和有效牵引力取决于软管连接夹角绝对值的最大值,当坡度为零时达到最大值。速度仅与水动力和有效牵引力有关,随水动力和牵引力的减小而增加。当速度为零时,水动力和有效牵引力达到最大值。打滑率与打滑能量有关,当打滑能量从零开始增加到12%时,打滑率开始下降,并保持在50%左右的恒定水平。打滑率为12%时,打滑力达到最大值。在转向分析时,同样是部分变量是彼此相关的,但是还有部分变量是不相关的。转向速比与总的有效牵引力、纵向有效牵引力、地面反作用力、驱动力、履带推力有关。尽管与转向速比的变化相比,纵向有效牵引力、地面反作用力、履带推力和有效牵引力的变化很小。总的有效牵引力和地面反作用力随转向速比的增加而减小。纵向有效牵引力、驱动力、履带推力和有效牵引力岁转向速比的增加而增加。总的有效牵引力随转向速比的增加而减小,而驱动力岁转向速比的增加而增加。软管连接夹角与所有的受力相关,除水动力、横向有效牵引力和履带推力之外。当软管连接夹角小于零时,总的有效牵引力随软管连接夹角的增加而减小；当软管连接夹角大于零时,总的有效牵引力随软管连接夹角的增加而增加。纵向有效牵引力和有效牵引力随软管连接夹角的增加而增加。地面反作用力、驱动力、压实阻力和重力分量随软管连接夹角的增加而减小,总的有效牵引力在软管连接夹角为零时达到最大值。当软管连接夹角为负的最大值时,纵向有效牵引力、有效牵引力、地面反作用力、驱动力、压实阻力和重力分量达到最大。坡度与所有的受力有关,除了水动力、横向有效牵引力和履带推力之外。当坡度小于零时,总的有效牵引力、地面反作用力、压实阻力和重力分量随坡度的增加而减小；当坡度大于零时,它们随坡度的增加而增加。当坡度小于零时,横向有效牵引力和有效牵引力随坡度的增加而增加；当坡度大于零时,它们随坡度的增加而减小。驱动力随坡度的增加而增加。总的有效牵引力、地面反作用力、压实阻力和重力分量在坡度为零时达到最大,纵向有效牵引力和有效牵引力也在坡度为零时达到最大值。速度仅与水动力和驱动力有关,随水动力和驱动力的减小而增加。速度最小时,水动力和驱动力达到最大。打滑率与总有效牵引力、纵向有效牵引力、地面反作用力、驱动力、履带推力和有效牵引力有关。驱动力随打滑率的增加而减小。纵向有效牵引力、履带推力、有效牵引力从零增加到12%时,打滑率下降到50%,并保持在此恒定水平。当总有效牵引力和地面反作用力从零变化到12%,打滑率增加至约50%,并保持在此恒定水平。当打滑率为12%时,受力达到最大。深海集矿车的设计基于集矿机履带与海底沉积物相互作用力学特性,要充分考虑外界环境的影响和材料特性。集矿车拥有一个刚性的底盘,底盘上装有两条履带没有轨道的任何倾斜的入口和带滑转向。底盘的框架是完全刚性的。履带系统由履带板、驱动轮、行走轮、引导轮、托链轮和履带底架组成。履带系统的设计充分考虑了外部环境的影响,其优化设计参考了Wenzlawski的工作。外部环境对材料和功能部件的影响是多方面的,并未完全被发现,因此,完整的系统设计方法是不存在的。履带接触海底沉积物的面积由集矿车在水下的重量决定。这里假设接触压力在接触面上均匀分布。接触压力和剪切强度之间的关系不大,对于车辆通行状况的分析可以忽略。集矿车的最大牵引力取决于接触面积、剪切强度和沉积物的形变。集矿车的速度不小于1m/s。基于集矿车履带系统的各元件的受力分析,本文进行了系统的总体概念设计。本文采用的优化算法基于传统的工程方法。基于已知的履带系统需要满足的要求,本文对系统进行了优化设计,换句话说,优化设计首先是基于已知的要求,然后是未知的。本文采用了适用于多级决策问题优化设计的动态规划。履带尺寸的优化实现了在最小接触面积的条件下获得最大转弯半径,受到集矿车大小的限制。驱动轮的优化实现了消耗最小能量和最少材料,受到集矿车履带尺寸、驱动轮齿以及驱动轮强度的限制。履齿的优化实现了获得最大牵引力和消耗最少材料,受到沉积物承压能力、驱动轮履刺节距和齿距之间的关系、齿距和齿高之间的关系等的限制。履带板的优化实现了获得最大的弯矩和消耗最少材料,离心力必须小于链断裂强度。行走轮的优化将滚动阻力降到最低,并消耗最少材料,受到履齿尺寸和接触长度,以及允许的行走轮距与履带节距比值的限制。引导轮的优化将消耗的材料降到最少,受到集矿车履带尺寸和引导轮承受负载的限制。托链轮的优化将消耗的材料降到最少,受到行走论尺寸、行走轮最小允许半径以及托链轮承受的负载的限制。履带底架的优化实现了在消耗最少材料的条件下获得最大许用应力,受到集矿车履带地盘尺寸和底架承受的负载的限制。优化设计程序采用MATLABR2011编写。RecurDyn软件可以进行系统整体的线性和非线性的有限元仿真分析,可以对实际模型进行设计研究和产品的性能提高研究,对整个系统的动力学特性进行仿真,例如局部的变形和应力。RecurDyn求解器十分强大,由于其先进的完全递归算法,速度比其他动力学求解器快2-20倍。RecurDyn软件十分稳定可靠,所要求提供的系统参数较少。采用了优化设计的集矿车进行了直线走和转向的仿真,研究了作用在履带上的衬套力,以探明履带承受负载的本质。仿真结果表明,同时驱动左右履带得到相同的受力分布,右边的履带受力值略高于左边履带。当在法向平面驱动时,左右两边履带受力的差值更大,此差值在第一秒后消失。在转向时,仿真结果表明,右边履带(外圈)和左边履带(内圈)的受力分布不同,它们交替变化,外圈履带受力值减小更快。
【作者】SAMAILAUMARU（沙麦一）；
【导师】刘少军；
【作者基本信息】中南大学，车辆工程，2014，博士
【关键词】深海采矿；设计；集矿车履带；优化；转向；

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