海多金屬結核集礦機鋁合金履齒結構設計與分析*

徐俊杰，孔德博，吳鴻云，王榮耀

海多金屬結核集礦機鋁合金履齒結構設計與分析*

徐俊杰1，孔德博2，吳鴻云1，王榮耀1

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.五礦礦業（邯鄲）礦山工程有限公司，河北 邯鄲市 056000)

集礦機是深海多金屬結核采礦系統中的重要裝備和核心技術單元。由于多金屬結核礦區表層稀軟底質具有抗剪性能差、承載能力弱等特性，并且深海作業環境差、腐蝕性極強，集礦機的履齒設計顯得尤為重要。履齒結構采用鋁合金鑄造具有更輕的重量、更高的強度、更好的耐腐蝕性、更利于拆裝維護等優點。針對履齒進行了選材和結構設計，并對其強度進行了有限元分析，其結果表明：應力及變形均符合各工況下的作業 要求。

多金屬結核;集礦機;鑄造鋁合金;履齒

0 引 言

海洋約占地球總表面積的71%，深海中蘊藏著大量的尚未被人類開發利用的礦產資源。隨著陸地資源的逐漸匱乏，深海礦產資源已成為世界各國爭相占有的對象，其中：多金屬結核、富鈷結殼和多金屬硫化物等金屬礦產資源是目前經過前期調查研究后具備商業開采價值的資源。它們中富含金、銀、銅、鎳、錳、鈷等稀有金屬，總儲量相當于陸地相應儲量的數十倍到數千倍。1950年代末，西方各國開始對深海礦產資源進行調查活動，并于1970、1980年代進行了多次多金屬結核采礦系統的海上試驗，基本完成了開采前的技術儲備。

多金屬結核賦存于稀軟的沉積物表層，由于沉積物顆粒極細，摩擦系數接近于零，車輛行駛只能依靠剪切力產生推進力，且其承載力極低，能適應這種底質條件的承載行駛車主要分為兩大類：拖曳式，自行式。拖曳式的行駛機構是采礦船通過提升管牽引雪橇式承載底盤行駛，因此存在不能精準定位，無法按預定軌跡行駛，避繞障礙困難，單位時間內采集結核量變化大等缺點，無法適用于商業開采系統。自行式行駛機構是由采礦船通過鎧裝纜供電和傳輸數據，操作者使用甲板控制單元使機構實現遙控行駛及采集礦料。這種行駛機構有開采路線可控，機動性良好，采集覆蓋面積大，資源回收率高等優點，是目前國內外公認的承載行駛方式。自行式行駛機構主要有以下幾種形式。

（1）螺旋槳推進式。這種機構的結構簡單，但是牽引力小，無法精準定位，慢速行駛較為困難，且對海底擾動特別嚴重，在靠近集礦機采集路徑內的多金屬結核礦物在受其擾動后極有可能被埋入沉積層內或吹走，不能達到商業開采的要求。

（2）阿基米德螺旋推進式。這種行走方式優點是結構簡單，通過性能好。1978年，美國OMCO公司研制了一臺采用阿基米德螺旋推進式的采礦車，并于1979年在太平洋海域結核礦區進行了行駛試驗。試驗結果表明，此結構底部凹槽處易被沉積物敷住，導致行走嚴重打滑，轉向困難，而且該結構承載能力低，對海底擾動較為嚴重，不能達到商業開采的要求。

（3）履帶行走式。履帶車是通用行駛設備，1972年開始用于海底行駛試驗。由于履帶比其他行駛機構的接地面積大得多，產生的牽引力大，底質承載能力越低其優越性越明顯；履帶車的可行駛性（包括越障或繞障）、操作性、對環境影響程度均能很好地滿足稀軟底質的行駛要求。因此，多金屬結核集礦機大多選用履帶行走式的行駛方式。

“九五”期間，我國完成了大洋多金屬結核中試采礦系統的總體設計，采用由“水面船?水力管道提升?自行式集礦機”組成的多金屬結核采礦系統。2001年，由長沙礦山研究院牽頭，中南大學、長沙礦冶研究院等多家單位及高校聯合參與研制的第二代履帶自行式集礦機在云南撫仙湖進行了湖試，試驗水深130 m，成功回收模擬結核900 kg。

1 集礦機履齒選材與結構設計

由于多金屬結核礦區表層稀軟底質具有承載能力弱，抗剪性能差等特性，陸地履帶車輛的低齒結構在該底質表面行走時因驅動力不足易產生沉陷，進而產生原地打滑現象。“九五”期間，我國對不同齒距、齒高和齒形的履帶進行了大量的理論研究及試驗，確定了三角形高齒的履齒形式，其齒高130 mm，齒間距200 mm，單個齒長1700 mm，履齒的主體采用兩片不銹鋼薄板折彎后焊接而成，通過螺栓與不銹鋼履帶板接連。湖試集礦機采用該履齒形式，具有牽引力大、結構承載能力強和越障容易等優點，牽引特性達到了理想要求，能順利在多金屬結核礦區的稀軟底質上行走。

1.1 履齒選材

經過湖試，發現了此類高齒存在著黏附較多底質土的情況，履齒黏附底質土之后會導致剪切面積減少，從而導致集礦機打滑現象。針對此情況，湘潭大學土木工程與力學學院開展了不同金屬材料下的黏附力大小實驗，實驗選用太平洋C-C礦區的深海底質土，對鋁合金、不銹鋼、鈦合金、工業純鈦等海洋裝備常用耐腐蝕材料進行黏附特性試驗，試驗表明，在表面粗糙度相同的情況下，不同金屬界面與深海底質土之間的表面黏附力大小順序為鋁合金＜不銹鋼＜鈦合金＜工業純鈦，這表明鋁合金金屬在與深海底質土接觸時自清潔效果最好。

根據上述研究，選用鋁合金6061 T6作為履齒材料，鋁合金的低密度可有效控制集礦機的整體重量，同時鋁合金6061 T6具有較高的結構強度（其屈服強度為240 MPa）和較好的耐腐蝕性能，是鑄造履齒的理想材料之一。

1.2 履齒結構設計

湖試現象表明，采用不銹鋼薄板焊接而成的履齒在集礦機爬坡、轉向等受力較大的工況下時易產生彎曲變形。針對此類情況，采用鋁合金鑄造的方式加工履齒，如圖1所示。鑄造履齒將履齒和履齒板融為一體，上端通過螺栓與鏈條相連，增加了履齒的壁厚，增強了履齒的整體強度，減少了履齒的裝配程序，方便后期的拆卸維護。同時，隨著精鑄工藝的日益成熟，鋁合金鑄件的加工精度和表面粗糙度已完全能夠滿足集礦機履齒的使用要求。

鋁合金鑄造履齒裝配完成后的單邊履帶示意圖如圖2所示，履齒通過鏈條與集礦機輪系相配合，履帶總長7.3 m，接地部分長度6 m，單個履齒長度1.6 m，保證了足夠的接地面積，滿足接地比壓要求。單邊履帶總齒數73只，接地齒數30只，履齒高度130 mm，齒間距200 mm，提供了足夠的剪切面積和牽引力，保證集礦機在稀軟底質條件下平穩 行駛。

圖2 單邊履帶

2 鋁合金鑄造履齒強度分析

對設計的鋁合金鑄造履齒進行應力和變形分析。在Solidworks軟件的Simulation模塊中建立受力分析模型，將履齒上方與鏈條的連接孔處視為固定約束，建立的網格模型如圖3所示。

圖3 履齒強度有限元分析網格模型

已知集礦機在空氣中質量為25 t，在水中質量為10 t，鋁合金6061 T6材料的屈服強度為240 MPa?，F分析集礦機在3種不同工況下履齒的應力和變形分布情況。

2.1 硬底質條件下垂直沖擊

考慮該條件下極限工況為集礦機運輸或起吊突然著地時的沖擊力為重力的5倍，假設下落時只有一半履齒著地，著地履齒數量為30，則單個履齒受力為41667 N，受力方向垂直于履齒下底面向上。

該工況下應力分析結果如圖4所示，最大等效應力為85.48 MPa，發生在履齒與外鏈板的連接處；變形分析結果如圖5所示，最大變形為0.25 mm，出現在履齒右下端點。

圖4 垂直沖擊下應力分析結果

圖5 垂直沖擊下變形分析結果

2.2 硬底質條件下行走

考慮該條件下極限工況為集礦機行走時遇到起伏地形從高處下落時的沖擊，沖擊力為重力的2倍，假設一半履齒著地，著地履齒數量為30，則單個履齒受力16666 N，受力方向垂直于履齒下底面向上。另外行走時履齒還受到與地面之間的摩擦力，取摩擦系數為0.5，則單個履齒所受的摩擦力為4166 N，受力方向平行于履齒下底面。

該工況下應力分析結果如圖6所示，最大等效應力為44.76 MPa，發生在履齒與外鏈板的連接處；變形分析結果如圖7所示，最大變形為0.14 mm，出現在履齒右上端點。

圖6 硬底質條件下行走應力分析結果

2.3 水環境稀軟底質條件下行走

考慮該條件下極限工況為集礦機爬坡轉向且履齒只有下半部分陷入沉積物中，根據前期計算得到集礦機在海底稀軟底質條件下爬坡轉向的極限工況下最大阻力為72496 N，其中履齒底面所受摩擦力為10000 N，履齒側面受力為62496 N。取受力沖擊為2倍，且只有一半履齒受力，則單個齒底面受摩擦力為667 N，齒底面受法向力為6667 N，齒側面受剪切力為4166 N。

該工況下應力分析結果如圖8所示，最大等效應力為26.58 MPa，發生在履齒與外鏈板的連接處；變形分析結果如圖9所示，最大變形為0.08 mm，出現在履齒右下端點。

圖7 硬底質條件下行走變形分析結果

圖8 稀軟底質條件下行走應力分析結果

圖9 稀軟底質條件下行走應變分析結果

根據上述有限元分析結果可得，集礦機在以上3種不同工況的極限受力情況下履齒產生的最大等效應力為85.48 MPa，小于鋁合金6061 T6材料的屈服強度240 MPa，滿足強度要求。最大變形為0.25 mm，變形量不會導致履齒損傷及結構干涉。

3 結 論

（1）根據常用履齒材料的黏附特性對比研究，選用鋁合金6061 T6作為鑄造履齒的用料，能有效控制集礦機整體重量，具有良好的防腐性能。采用一體式鑄造履齒作為履齒結構，增加了履齒壁厚，保證了履齒強度，防止受力變形的情況產生。

（2）采用有限元方法對鋁合金履齒結構在不同工況下的應力與變形情況進行了分析，結果表明：鋁合金履齒最大等效應力發生在履齒與外鏈板的連接處，其大小在許可范圍內；最大變形發生在履齒右上或右下端點，變形量不會對履齒結構產生影響。

（3）本文研究的鋁合金鑄造履齒可作為深海多金屬結核礦區稀軟底質條件下履帶行走式車輛履齒結構的參考方案，在整體重量的控制、結構強度、結構防腐蝕性能及作業期間拆卸維護方便性方面有所加強。

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(2019-07-21)

徐俊杰(1991—)，男，湖南岳陽人，助理工程師，主要從事深海探礦、采礦技術及裝備研究，Email:137487335 @qq.com。

“十三五”國家重點研發計劃項目(2016YFC0304102).