深海礦床沖擊式破碎器的結構設計及仿真分析

魯德泉，劉慶亮，毛洪偉

（1.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100；2.山東省海洋環境地質工程重點實驗室，山東 青島 266100；3.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；4.國家深海基地管理中心，山東 青島 266237）

全世界海洋的總面積約為3.61 億平方公里，約占地球表面積的71%。同陸地一樣，深海海底中蘊藏著極其豐富的礦產資源，包括石油、天然氣、多金屬結核、富鈷結殼、熱液硫化物、海洋生物、天然氣水合物和黏土礦物等，這些資源具有重大的經濟價值和戰略意義。在陸地資源日趨枯竭的今天，人類越來越重視深海礦產資源的開發和利用。通常深海礦產資源的埋藏深淺不一，且形態與硬度等方面也有很大的差異。

目前中國已成為全球唯一與國際海底管理局簽訂多金屬結核、富鈷結殼和海底熱液硫化物3 種海底礦產資源勘探合同，以及擁有4 塊專屬勘探權和優先開采權礦區的國家。我國擁有的國際海底區域礦區包括中國大洋礦產資源研究開發協會于2001年獲得的東太平洋75 000 km2多金屬結核勘探礦區、西南印度洋10 000 km2多金屬硫化物勘探礦區和于2013 年獲得的西太平洋3 000 km2富鈷結殼勘探礦區，中國五礦于2015 年獲得的東太平洋73 000 km2多金屬結核勘探礦區[1]。

深海礦床包括硫化物礦床、鈷結殼礦床和鐵錳結核礦床。深海礦床的探查開采是深海進入、深海探查、深海開發的重要組成部分。深海礦床的巖芯取樣調查是深海礦床開采前的重要工作。目前，鐵錳結核礦床主要依靠科考船拖網、拖箱海底拖曳取樣，也可由潛水器下潛后，使用鏟斗、機械手等取樣得到結核巖芯樣品；硫化物礦床和鈷結殼礦床主要依靠船載鉆機巖芯取樣及潛水器搭載小型鉆機鉆取巖芯取樣，或者由潛水器機械手直接抓取撿拾取樣。由潛水器機械手直接抓取撿拾取樣只能獲得礦床表面的獨立樣品，無法獲得礦床內部的樣品。國際上，美國、日本、俄羅斯、法國、英國等國家利用載人潛水器（Human Occupied Vehicles，HOV）和有纜無人潛水器（Remote Operated Vehicle，ROV）已實現了海洋鈷結殼的取芯[2-4]。國內基于“海馬”號ROV、“蛟龍”號HOV 也相繼開展了潛水器搭載作業工具進行深海礦床取芯的研究工作，不過目前的鉆機巖芯取樣對巖芯鉆機的操作要求較高，對深海礦床地形要求也較高，取樣成功率不高，因為取芯鉆頭水下更換技術的制約，單潛次中只能進行一次或者有限次數取芯作業[5-9]。本文開展了ROV搭載的深海礦床沖擊式破碎器的研究工作，研制了一種由電力驅動、曲柄連桿機構作為沖擊傳動裝置的深海礦床沖擊式破碎器。

1 總體結構設計

1.1 設計要求及指標

本文的深海礦床沖擊式破碎器主要用于鈷結殼礦床和多金屬硫化物礦床的沖擊破碎作業，通過高頻沖擊使海底礦床破碎，其高頻沖擊能力需達到使鈷結殼、多金屬硫化物礦床破裂的強度。

海洋鈷結殼主要分布在水深800～3 000 m 的海山、海臺頂部和斜面上，為皮殼狀鐵錳氧化物和氫氧化物。各國都對鈷結殼的物理機械特性進行了研究分析，分析結果表明，鈷結殼的抗壓強度為8～30 MPa，抗拉強度為0.1～2.3 MPa；基巖的抗壓強度為2～40 MPa，抗拉強度為0.3～20 MPa[9]。

多金屬硫化物多分布在崎嶇不平的2 000～3 000 m的海底區域，富含有鐵、銅、鋅及金、銀、銅等大量貴金屬，大多以塊狀、煙囪狀等狀態存在于海底。劉偉等[10]和劉少軍等[11-12]對深海底獲取到的硫化物樣品進行了力學特性分析，分析結果表明，硫化物的破裂強度小于37 MPa。

由上述分析可以得出，深海礦床沖擊式破碎器需達到以下功能指標：（1）最大工作水深：4 000 m；（2）沖擊能力：40 MPa；（3）整機重量：不大于40 kg。

1.2 總體結構組成

深海礦床沖擊式破碎器搭載潛水器下潛到深海礦床，由潛水器的機械手夾持破碎器頂部的T 型把手，并將破碎器置于待取樣礦床進行取樣，破碎器由電機驅動，通過曲柄滑塊結構驅動沖擊頭結構，沖擊頭高頻率沖擊深海礦床表層，獲得深海礦床表層破裂樣品。深海礦床沖擊式破碎器主要由沖擊緩沖結構、電機驅動結構、齒輪傳動結構、曲柄滑塊結構、彈簧復位結構、沖擊頭結構等組成，如圖1所示。沖擊緩沖結構可減小破碎器沖擊工作時巖石對機械手的反向沖擊力；電機驅動結構實現電機在深海底的耐壓水密需求，并為破碎器提供驅動力；齒輪傳動結構用于將電機的運動輸出換向傳遞到曲柄滑塊結構的運動上；曲柄滑塊結構將電機及齒輪的轉動運動轉化為滑塊的直線運動；彈簧復位結構用于沖擊頭結構快速復位；沖擊頭結構實現破碎器對深海礦床表層的高頻沖擊。

圖1 破碎器總體結構圖

破碎器的電機采用120 V 直流電壓驅動，以適應“海龍Ⅲ”號ROV 的外接電源接口；T 型把手的尺寸與“海龍Ⅲ”號ROV 的七功能機械手手爪尺寸適配，以便機械手可以牢固夾持住破碎器。破碎器的外形尺寸與“海龍Ⅲ”號ROV 的采樣籃尺寸適配，方便破碎器在采樣籃內存放并可由七功能機械手將破碎器從采樣籃中取出。

1.3 關鍵技術

1.3.1 水密設計

深海礦床沖擊式破碎器用于在深海底沖擊取樣，其作業環境具有高水壓力的特點，在此環境下既要保證破碎器的水密性，又要保證其高頻率的沖擊動作是相當困難的，因此，本文的破碎器結構采用了可適用于深海海底中的結構設計，齒輪傳動結構、曲柄滑塊結構、彈簧復位結構、沖擊頭結構均可直接在深海海底中動作，不需進行水密設計，只需將電機進行水密處理。將電機安裝在水密艙中，水密艙內部填充硅油，水密艙的端部設置有補償油膜。當外界的海水壓力變化時，補償油膜發生彈性變形，使水密艙內部空間隨海水壓力變化而變化，因此可使水密艙內部硅油壓力與外部海水壓力相平衡，在此情況下，當電機高速輸出時，電機軸的密封設計可以滿足電機及水密艙的水密要求，如圖2 所示。

圖2 電機的水密結構圖

1.3.2 沖擊及復位結構

沖擊頭結構主要由沖擊頭和撞塊組成。彈簧復位結構主要由沖擊頭復位彈簧、撞塊復位彈簧組成。曲柄滑塊結構中的滑塊在電機、齒輪傳動機構、曲柄滑塊結構的驅動下，進行直線往復運動，當滑塊向沖擊頭方向運動時，滑塊撞擊撞塊，將自身速度傳遞到撞塊，使撞塊獲得向沖擊頭方向的運動速度，撞塊撞擊沖擊頭，使沖擊頭向前產生沖擊動作；撞塊向沖擊頭運動時，撞塊復位彈簧同時被撞塊壓縮產生壓縮變形；沖擊頭向前運動時，沖擊頭復位彈簧同時被沖擊頭壓縮產生壓縮變形；當一個沖擊動作結束時，滑塊向反方向運動，沖擊頭復位彈簧的反彈力使沖擊頭復位，撞塊復位彈簧的反彈力使撞塊復位，如圖3 所示。

圖3 沖擊及復位結構圖

高頻率沖擊破碎巖石是用高頻微小位移的沖擊運動，使巖石表面破裂，因此沖擊頭復位彈簧采用小尺寸、高剛度系數的碟簧，既可以實現微小位移的沖擊運動，也可以實現沖擊頭的快速復位；撞塊復位彈簧采用低剛度系數的壓縮彈簧，以減少撞塊的能量損耗，并能增加滑塊的運動空間以使滑塊獲得更大的速度。

2 工作性能參數計算

破碎器的工作性能參數計算主要目的在于選擇驅動電機的功率及轉速、曲柄偏心尺寸、撞塊質量、沖擊頭的質量、撞塊復位彈簧的剛度及長度參數，并進行匹配計算，以確保沖擊頭在沖擊巖芯時，具有充足的沖擊能量。本節中的計算為破碎器性能的簡單估算，詳細工作性能確認通過下節中的動力學仿真實現。破碎器參數如表1 所示。

表1 破碎器參數

破碎器的能量由驅動電機來提供，驅動電機的功率轉化為滑塊的直線運動動能；在滑塊與撞塊撞擊后，滑塊的運動動能轉化為撞塊的運動動能；撞塊的運動動能轉化為沖擊頭的運動動能以及撞塊復位彈簧的彈性勢能。在此節的計算中，暫不考慮撞擊的能量損失和摩擦的能量損失。由于沖擊頭的沖擊距離、沖擊時間較短，無法準確計算沖擊頭復位彈簧的壓縮距離，因此暫不考慮沖擊頭復位彈簧的彈性勢能損失。

曲柄滑塊機構在一個沖擊循環中可提供的能量如下。

式中，W曲為曲柄滑塊機構在一個沖擊循環中可提供的能量。

撞塊最大速度如下。

式中，v 為撞塊最大速度。

撞塊最大動能如下。

式中，E 為撞塊最大動能。

撞塊復位彈簧的最大彈性勢能如下。

式中，W1為撞塊復位彈簧的最大彈性勢能。

撞塊及沖擊頭的沖擊能力如下。

式中，W 為沖擊頭的沖擊能力。

由計算結果可見，W曲＞E，W曲＞W，電機功率可以滿足目前的沖擊能力，撞塊及沖擊頭的沖擊能力也滿足巖芯的沖擊需求。

3 動力學仿真

為使破碎器實現最大的沖擊效率，需滿足以下3 個條件：（1）滑塊以最大速度撞擊到撞塊，使撞塊獲得最大的撞擊速度；（2）沖擊頭往復運動的頻率、撞塊往復運動的頻率與滑塊往復運動的頻率相同，以便最大化利用電機的輸出功率；（3）在滿足以上兩個條件的情況下，沖擊頭復位彈簧與撞塊復位彈簧的最大反彈力應盡量小，從而使撞塊和沖擊頭正向運動時，兩個彈簧的彈性勢能達到最小，沖擊能量達到最大。

為實現以上3 個條件，本文對撞塊的質量、尺寸、沖擊頭的質量、撞塊復位彈簧、沖擊頭復位彈簧的初始力、剛度系數、撞塊的正反向運動行程等參數進行了優化設計，并運用ANSYS Workbench對破碎器進行了動力學仿真模擬，以驗證優化設計結果。

本文選用ANSYS Workbench 中的剛體動力學模塊，對滑塊、撞塊、沖擊頭之間的沖擊能量傳遞，撞塊復位彈簧和沖擊頭復位彈簧的彈性力作用過程進行了模擬仿真，仿真模型如圖4 所示。

圖4 仿真模型圖

ANSYS Workbench 的剛體動力學模塊是ANSYS產品的一個附加模塊，它集成于ANSYS Workbench環境下，在ANSYS 所具有的柔性體動力學（瞬態動力學）分析功能的基礎上，基于全新的模型處理方法和求解算法（顯式積分技術），專用于模擬由運動副和彈簧連接起來的剛性組件的動力學響應。

在ANSYS Workbench 的剛體動力學模塊中，撞塊復位彈簧與沖擊頭復位彈簧均采用模擬彈簧來實現，在彈簧設置頁面對彈簧的剛度、初始彈力進行設置。

撞塊與滑塊之間、撞塊與沖擊頭之間均采用Frictionless（無摩擦）接觸，對Frictionless 接觸中的Pinball Region（接觸球區域）參數進行設置，選擇Radius（半徑）模式，將Pinball Radius（接觸球半徑）的值設置為1e-5 m。

設置分析時間為0.09 s，此時間為曲柄完成3個轉動周期的時間，分析設置按照步長時間進行控制，初始步長時間為1e-5 s，最小步長時間為1e-6 s，最大步長時間為5e-5 s。

在分析結果中，分別對滑塊位置、撞塊位置、沖擊頭位置、沖擊頭速度、沖擊頭加速度的變化及規律進行分析，以觀察沖擊器各機構的運動特點及沖擊效果。

由圖5 至圖9 可以看出，滑塊位置、撞塊位置、沖擊頭位置、沖擊頭速度、沖擊頭加速度的變化是相互吻合的。當曲柄連續轉動3 周時，滑塊在曲柄的驅動下按照既定速度完成3 周的往復運動，其位置及運動速度按照正弦曲線變化；撞塊在滑塊的沖擊及撞塊復位彈簧的變彈性復位力作用下，完成了3 個周期的往復運動；而沖擊頭在一個曲柄轉動周期內完成了6 次周期性沖擊動作，在這6 個周期內，完成了7 次沖擊，第一次沖擊的速度最快，可達3.710 8 m/s，以后的6 次沖擊按照同參數的周期進行運動，每個沖擊動作周期參數基本相同，說明沖擊頭的沖擊動作穩定可靠。

圖5 滑塊位置圖

圖6 撞塊位置圖

圖7 沖擊頭位置圖

圖9 沖擊頭速度圖

圖8 沖擊頭加速度圖

沖擊頭的最大沖擊速度為3.710 8 m/s，沖擊頻率為14 000 r/min，沖擊頭的質量為0.81 kg。一個曲柄運動周期內，沖擊頭第一次的沖擊能量計算如下。

式中，W模擬1為沖擊頭第一次沖擊能量；m沖擊為沖擊頭的質量；v模擬1為沖擊頭第一次沖擊速度。

一個曲柄運動周期內，沖擊頭的第2 次至第7次的沖擊速度為1.552 7 m/s，其單次沖擊能量計算如下。

式中，W模擬2為沖擊頭第2 次至第7 次的單次沖擊能量；v模擬2為沖擊頭第2 次至第7 次的單次沖擊速度。

一個曲柄運動周期內的總沖擊能量計算如下。

式中，W模擬為沖擊頭在一個曲柄運動周期內的總沖擊能量。

從計算結果來看，仿真模擬得到的沖擊能量與第2 節中理論計算得到的數據相近，且在11.435 3 J的沖擊能力，每分鐘2 000 次的沖擊頻率下，可以完成對海底硫化物礦床及鈷結殼礦床的巖芯沖擊取樣。

4 結 論

本文在分析深海礦床取芯特點的基礎上，基于“海龍Ⅲ”號ROV 的搭載特點，設計了深海礦床沖擊式取樣器的主要結構，依據鈷結殼、多金屬硫化物等深海礦場的破裂強度，對破碎器的功能指標進行了推導計算，并基于ANSYS Workbench 對破碎器進行了動力學仿真模擬，并在仿真模擬過程中，對破碎器的撞塊質量、尺寸、沖擊頭的質量、撞塊復位彈簧、沖擊頭復位彈簧的初始力、剛度系數、撞塊的正反向運動行程等參數進行了優化設計。研究結果表明：（1）深海礦床沖擊式破碎器工作水深為水下4 000 m，巖石沖擊破斷力為40 MPa；（2）深海礦床沖擊式破碎器由水密電機進行驅動，曲柄滑塊機構作為傳動機構，撞塊、沖擊頭、撞塊復位彈簧、沖擊頭復位彈簧完成沖擊及復位動作；（3）通過理論計算及動力學仿真模擬分析相結合的方式，得到了沖擊式破碎器的沖擊能量及沖擊規律，在11.435 3 J 的沖擊能力，每分鐘2 000 次的沖擊頻率下，可以完成對海底硫化物礦床及鈷結殼礦床的巖芯沖擊取樣；（4）本文設計的沖擊式破碎器可以實現“海龍Ⅲ”號ROV 在復雜的富鈷結殼和多金屬硫化物區域深海礦產巖芯取樣的目標，為深海礦產資源勘探和地質調查提供必要支撐。