（機械設(shè)計及理論專業(yè)論文）單泵與儲料罐組合的深海采礦軟管輸送系統(tǒng)研究.pdf

中南火學(xué)博l ：學(xué)位史 摘要 摘要 由于陸地資源日益桔竭，當(dāng)今世界各國都在加緊對深海礦產(chǎn)資源開采技術(shù)進行研究，為 “海洋經(jīng)濟時代”的到來做技術(shù)儲備，我國也非常重視深海采礦技術(shù)的研究。錳結(jié)核和鈷結(jié) 殼是重要的海洋礦產(chǎn)資源，賦存于1 5 0 0 - - 6 0 0 0 m 的海底，深海采礦系統(tǒng)必須將從海底采集的 礦石輸送劍海面采礦船上，因此，礦石輸送技術(shù)是深海采礦的關(guān)鍵技術(shù)。在這一領(lǐng)域，普遍 公認采用水力輸送的礦石輸送系統(tǒng)具有工業(yè)應(yīng)用前景，其中采用軟管輸送的采礦系統(tǒng)為最佳 方案。本文是針對軟管輸送系統(tǒng)進行研究主要內(nèi)容如下： 根據(jù)深海采礦軟管輸送系統(tǒng)特點，發(fā)明了一種由儲料罐與高壓水泵組合而成的新的礦石 輸送最備，應(yīng)用于深海采礦 借鑒水泵理論、管道輸送原理、兩相流理論和儲料罐輸送特點， 建立該毆備的沒計理論，并針對能將礦石從5 0 0 0 m 海底直接輸送劍海面的輸送系統(tǒng)和1 0 0 0 m 鈷結(jié)殼采礦中試輸送系統(tǒng)進行參數(shù)分析。 針對輸送軟管兩端在采礦船和采礦車的牽引下運動，同時受到浮力、重力、海浪、海流、 海水阻力、海水壓力和管內(nèi)流體等復(fù)雜載荷耦合作用的情況，運用海浪和海流理論、流體力 學(xué)和m o r s i o n 阻力方程，建立輸送軟管在復(fù)雜運動和復(fù)雜外載耦合作用下的分析理論，對輸 送系統(tǒng)的運動和外部載荷進行了分析。 運用虛功原理、牛頓拉斐遜方法，建立輸送管道的有限元法幾何非線性靜態(tài)分析理論； 根據(jù)輸送管道_ = 作過程大變形特點，推導(dǎo)出彈性材料管單元的切線剛度矩陣和輸送系統(tǒng)整體 剛度矩陣：對1 0 0 0 m 鈷結(jié)殼采礦中試輸送系統(tǒng)，當(dāng)采礦車和采礦船采用不同運動模式，管 道在不同外載耦合作用下，進行幾何非線性靜態(tài)分析，同時對采礦車和采礦船的運動速度和 運行模式、采礦車的工作范圍、輸送管道兩端的受力情況、管道的空間形狀、管道f 段浮體 加栽大小和浮力分布等參數(shù)進行了研究。 從橡膠管道結(jié)構(gòu)分析出發(fā)，對輸送管道的性能進行了理論分析。對5 0 0 0 m 深海采礦輸送 系統(tǒng)，當(dāng)采礦車和采礦船在不同運動狀態(tài)，管道在不同外載耦合作用下的情況，進行幾何非 線性靜態(tài)分析，同時對采礦車和采礦船的運動速度和運行模式、采礦車的工作范圍、輸送管 道兩端的受力情況、管道的空間形狀、管道下段浮體加載大小和浮力分布等參數(shù)進行了研究。 根據(jù)選朗培爾( d a i e m b e r t ) 虛功原理，建立了輸送系統(tǒng)動力學(xué)分析理論。通過模態(tài)分 柝，確定了1 0 0 0 m 鈷結(jié)殼中試輸送系統(tǒng)和5 0 0 0 m 深海采礦輸送系統(tǒng)的振動頻率特性。針對 輸送系統(tǒng)在海浪循環(huán)力作用下和上端隨海浪循環(huán)運動兩種情況，分別對1 0 0 0 m 中試輸送系 統(tǒng)和5 0 0 0 m 深海采礦輸送系統(tǒng)上下兩端結(jié)點反力的諧響應(yīng)進行了分析。 根據(jù)相似理論，建立由儲料罐與高壓水泵組合的模擬實驗設(shè)備，針對5 0 0 0 m 深海采礦輸 送系統(tǒng)進行模擬實驗分析。建立了輸送管道力學(xué)模擬實驗分析的相似理論，選擇了模擬輸送 管道，在實驗裝置上，對管道兩端的結(jié)點反力和管道形狀進行了實驗分析，通過實驗和計算 的比較分折，證明了本文采用有限元對輸送系統(tǒng)進行計算分析是可信的。 本文運用先進的理論和計算方法以及先進的實驗手段，采用理論、計算、實驗相互驗證 的研究方法，研究出一種能將礦石從5 0 0 0 m 海底直接輸送到海面的輸送設(shè)備，應(yīng)用于軟管 輸送系統(tǒng)，由此研究而得到了一種技術(shù)先進、理論完善的適用于深海采礦的輸送系統(tǒng)技術(shù)原 型，為1 0 0 0 m 佑結(jié)殼采礦中試系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。 關(guān)鍵詞：海洋采礦；輸送設(shè)備；輸送管道：有限元分析：幾何非線性。 生塑查蘭坐! ：堂竺苧 壘! 翌! ! ! a b s t r a c t b e c a u s eo ft h er e s o u r c es c a r c i t yo nl a n d ，m a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e sa r ec a r r y i n gr e s e a r c ho n d e e p s e am i n i n gt e c h n o l o g yf o rt h e ”o c e a ne c o n o m ya g e ”c h i n aa l s oa t t a c h e sg r e a ti m p o r t a n c et o t h i ss u b j e c t t h em a n g a n e s en o d u l e sa n dc o b n tc r u s ta r ep o l y - m e t a l l i cm i n e r a l st h a tl y i n gw i d e l y o nt h es e a b e da b o u t1 5 0 0 6 0 0 0m e t e r sd e e p t h e yh a v et ob et r a n s p o s e dt ot h es h i po nt h es e a l e v e lt h r o u g ht h ed e e p ，s e am i n i n gs y s t e mo fw h i c ht h em i n e r a lt r a n s p o r t i n gt e c h n o l o g yi sm o s t i m p o r t a n t i ti sw i d e l yr e c o g n i z e dt h a tt h eh y d r a u l i ct r a n s p o r t i n gs y s t e mh a sg r e a tp o t e n t i a lf o r i n d u s t r i a la p p l i a n c ea n dt h es y s t e mt h a ta d o p t sf l e x i b l ep i p et ot r a n s p o r tm i n e r a li st h eb e s t s c h e m e t h i sp a p e ri sar e s e a r c ho nf l e x i b l ep i p em i n e r a lt r a n s p o r t i n gs y s t e m ，a n dt h ef o l l o wi st h e m a i nc o n t e n t b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so ff l e x i b l ep i p em i n e r a lt r a n s p o r t i n gs y s t e m ，as o r to fm i n e r n t r a n s p o r t i n ge q u i p m e n ti si n v e n t e db yc o m b i n i n gv e s s e lw i t hh i g h p r e s s u r ep u m pf o rd e e p - s e a m i n i n g a c c o r d i n gt ob e r n o u l l i se q u a t i o n ，t w op h a s e sh y d r o d y n a m i c sa n dp r i n c i p l eo fp i p e l i n e t r a n s p o r t i n ga sw e l la st h ef e a t u r e so fv e s s e lt r a n s p o r t i n g ，t h ed e s i g n i n gt h e o r yo ft r a n s p o r t i n g e q u i p m e n ti s e s t a b l i s h e d p a r a m e t e r so ff l e x i b l ep i p em i n e r a lt r a n s p o r t i n gs y s t e mf o rc a r r y i n g m i n e r a l sf r o m5 0 0 0 ms e af l o o rt os e al e v e la sw e l la sp a r a m e t e r sf o rl0 0 0 mc r u s tm i d d l et e s t m i n i n gs y s t e mh a v eb e e nc a l c u l a t e da n da n a l y s e d c o n c l u s i o nh a sb e e nr e a c h e da c c o r d i n g l yt h a t t h ec o m b i n e dt r a n s p o r t i n ge q u i p m e n ti sak i n do fi d e a ld e s i g n i n gf o rd e e p s e am i n i n g i nr e a lc o n d i t i o n ，t h et r a n s p o r t i n gp i p ei sm o v e du n d e rt h ed r e f lo fm i n i n gv e h i c l ea n ds h i p ， m e a n w h i l ei ti su n d e rt h ea c t i o no ft h ec o m p l e xc o u p l i n gl o a d st h a ti n c l u d eg r a v i t ya n db u o y a n c y o ft h et r a n s p o r t i n gp i p e ，t h er e s i s t a n c ec a u s e db yo c e a nc u r r e n ta n dp i p em o v i n g ，a n dt h ef o r c eo f t h ei n n e rf l u i de x e r t e do nt h ep i p e b a s e do l lg r a v i t yw a v et h e o r y , t h ee x p e r i e n c ec a l c u l a t i n g f o r m u l ao fo c e a nc u r r e n lh y d r o d y n a m i c sa n dm o r s i o nr e s i s t a n c ee q u a t i o n ，t h et h e o r yt oa n a l y s i s t h em o v i n ga n dc o m p l e xc o u p l i n gl o a d so ft h et r a n s p o r t i n gp i p ei se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h e e s t a b l i s h e dt h e o r y , t h em o v e m e n ta n dt h ec o u p l i n gl o a d so f t h es y s t e mh a v eb e e na n a l y s e d b a s e do nd a l e m b e r tp r i n c i p l ea n dn e w t o n - r a p h s o nm e t h o d ，t h eg e o m e l r i cn o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n tt h e o r yh a sb e e ne s t a b l i s h e dt oa n a l y s i st h et r a n s p o r t i n gp i p e a c c o r d i n gt ot h el a r g e d e f o r m a t i o nf e a t u r e so ft h et r a n s p o r t i n gp i p e ，t h et a n g e n ts t i f f n e s sm a t r i x o ft h ep i p ee l e m e n ta n d t h es t i f f n e s sm a t r i xo ft h et r a n s p o r t i n gp i p eh a v eb e e nd e d u c e d t h eg e o m e t r i cn o n l i n e a rs t a t i c a n a l y s i sf o rt h et r a n s p o r t i n gs y s t e mo f1 0 0 0 mc r u s tm i d d l et e s tm i n i n gs y s t e mh a v eb e e nd o n e u n d e rt h eh y p o t h e s i st h a tt h em i n i n gv e h i c l ea n ds h i pm o v i n gi nd i f f e r e n tm o d e sa n dt h e t r a n s p o r t i n gp i p eu n d e rc o u p l i n ga c t i o no fd i f f e r e n tl o a d s t h er e s e a r c hc o v e r st h ef o l l o w i n g p a r a m e t e r s ：t h em o v i n gs p e e da n dm o d eo ft h em i n i n gv e h i c l ea n ds h i p ，t h em i n i u gr a n g eo ft h e m i n i n gv e h i c l e t h ef o r c e so nt h et w oe n d so ft h et r a n s p o r t i n gp i p e ，t h es h a p eo ft h et r a n s p o r t i n g p i p e ，h o wl a r g et h eb u o y a n c yo ft h eb u o ys h o u l db ea n dh o wt h eb u o y a n c yd i s t r i b u t e sa l o n gt h e t r a n s p o r t i n gp i p ee t c s t a r t i n gw i t ht h ec o n f i g u r a t i o na n a l y s i so ft h et r a n s p o r t i n gp i p e ，t h e o r e t i cr e s e a r c hh a sb e e n d o n eo nt h et r a n s p o r t i n gp i p e t h eg e o m e t r i cn o n l i n e a rs t a t i ca n a l y s i sh a sb e e nd o n ef o rt h e 5 0 0 0 - m e t e r - d e e pm i n e r a lt r a n s p o r t i n gs y s t e mu n d e rt h eh y p o t h e s i st h a tt h em i n i n gv e h i c l ea n d s h i pm o v i n gi nd i f f e r e n tm o d e sa n dt h et r a n s p o r t i n gp i p eu n d e rc o u p l i n ga c t i o no fd i f f e r e n tl o a d s t h er e s e a r c hc o v e r st h ef o l l o w i n gp a r a m e t e r s ：t h em o v i n gs p e e da n dm o d eo ft h em i n i n gv e h i c l e 2 中南大學(xué)博l ：學(xué)位立a b s t r c t a n ds h i p ，t h em i n i n gr a n g eo ft h em i n i n gv e h i c l e ，t h ef o r c e so nt h et w oe n d so ft h et r a n s p o r t i n g p i p e ，t h es h a p eo ft h et r a n s p o r t i n gp i p e ，h o wl a 曙et h eb u o y a n c yo ft h eb u o ys h o u l db ea n dh o w t h eb u o y a n c yd i s t r i b u t e sa l o n gt h et r a n s p o r t i n gp i p ee t c b a s e do l ld a l e m b e r tp r i n c i p l e t h ed y n a m i c sa n a l y s i st h e o r yo fm i n i n gt r a n s p o r t i n gs y s t e m h a sb e e ne s t a b l i s h e d t h r o u g hm o d a la n a l y s i s ，t h ev i b r a t i o nf e a t u r e s ( n a t u r a lf r e q u e n c i e s ) o ft h e t r a n s p o r t i n gs y s t e mo f1 0 0 0 mm i d d l et e s tc r u s tm i n i n gs y s t e ma n dt h e5 0 0 0 - m e t e r - d e e pm i n e r a l t r a n s p o r t i n gs y s t e mh a v eb e e nd e t e r m i n e dt h eh a r m o n i cr e s p o n s ef o r c eo ft h et r a n s p o r t i n gp i p e e n d sh a sb e e na n a l y s e dw h e nt h em i n e r a lt r a n s p o r t i n gs y s t e mo f1 0 0 0 mc r u s tm i d d l et e s tm i n i n g s y s t e ma n dt h e5 0 0 0 - m e t e r - d e e pm i n i n gs y s t e ma r eu n d e ro c e a nw a v ef o r c eo rt h eu pe n do ft h e t r a n s p o r t i n gp i p ef o l l o w st h eo c e a nw a v em o v i n g b a s e do nm o d e lt h e o r y ，t h em o d e le q u i p m e n tf o rt h em i n e r a lt r a n s p o r t i n gs y s t e mh a sb e e n m a d ea n dt h r o u g hw h i c ht h ea n a l y s i so n5 0 0 0 - m e t e r - d e e pm i n i n gt r a n s p o r t i n gs y s t e mh a sb e e n d o n e ，t h em o d e le x p e r i m e n tm e c h a n i c s a n a l y s i st h e o r y o ft h et r a n s p o r t i n gp i p eh a sb e e n e s t a b l i s h e d ，a n dam o d e lp i p eh a sb e e ns e l e c t e df o ra n a l y s i s e x p e r i m e n t a la n a l y s i sh a sb e e nm a d e o nt h ee n df o r c e sa n dt h es h a p eo f t r a n s p o r t i n gp i p e t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ne x p e r i m e n t sa n d c a l c u l a t i n gh a sp r o v e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si nt h em i n e r a lt r a n s p o r t i n g s y s t e m si sc o r r e c ta n db e l i e v a b l e t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e dt h e o r i e sa n dc a l c u l a t i n gm e t h o d sa sw e l la se x p e r i m e n t s t h i s p a p e rm a d e r e s e a r c ho nt h em i n e r a l t r a n s p o r t i n gs y s t e mf o rl i f t i n gm i n e r a l sf r o m 5 0 0 0 m e t e r - d e e ps e af l o o rt os e al e v e lt h r o u g hf l e x i b l et r a n s p o r t i n gp i p e t h er e s e a r c hp r o v i d e sa n a d v a n c e dt e c h n o l o g i c a lp r o t o t y p ef o rd e e p s e am i n i n gm i n e r a lt r a n s p o r t i n gs y s t e ma n dt h ei0 0 0 m c r u s tm i d d l et e s tm i n i n gs y s t e m k e y w o r d s ：d e e p s e am i n i n g ，m i n e r a lt r a n s p o r t i n ge q u i p m e n t ，m i n e r a lt r a n s p o r t i n gp i p e ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，g e o m e t r i cn o n l i n e a r 原創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包 含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中南大學(xué)或其他單位的 學(xué)位或證書而使用過的材料。與我共同工作的同志對本研究所作的貢獻均已在論 文中作了明確的說明。 作者簽名：日期：坦z 年月絲日 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)說明 本人了解中南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留學(xué) 位論文，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容， 可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文；學(xué)?？筛鶕?jù)國家或湖南省有關(guān)部 1 3 規(guī)定送交學(xué)位論文。 作者簽名： 徜基岔 導(dǎo)師簽名 期：地鯉年丘月盔 中南人學(xué)博士學(xué)位論丈 第一章緒論 1 1 課題研究的目的和意義 第一章緒論 隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，陸地上的礦產(chǎn)資源日益枯竭，世界各國從上世紀(jì)初就將目光 投向海洋。白1 8 7 2 1 8 7 6 年英國發(fā)現(xiàn)多金屬結(jié)核以來，經(jīng)勘探查明，大洋是豐富的礦產(chǎn)資 源基地。據(jù)美國加利福尼亞大學(xué)m e r o 教授估計，太平洋海底的多金屬結(jié)核和多金屬結(jié)殼有 1 7 億噸【i “j 。多金屬結(jié)核和結(jié)殼中有銅、鈷、鎳、錳、鐵、鎢、鋱、鉬、金、銀等7 0 多種 元素，其中銅、鈷、鎳、錳的平均品位分別為1 0 0 、0 2 2 、1 3 、2 5 ，上述四種金 屬的儲量分別為5 0 億噸、3 0 億噸、9 0 億噸和2 0 0 0 億噸，相當(dāng)于陸地儲量的9 倍、5 3 9 倍、 8 3 倍和5 7 倍f 3 _ 6 】。 錳結(jié)核分布于4 0 0 0 - - 6 0 0 0 m 的海底，而鈷結(jié)殼分布于1 5 0 0 - 4 0 0 0 m 的海山之上，錳結(jié)核 和鉆結(jié)殼開采技術(shù)難度非常大【7 “1 。從上世紀(jì)初開始，世界各大國對深海海底錳結(jié)核和鉆結(jié) 殼開采技術(shù)進行r 廣泛的研究，并提出了不同的開采方法，其中以采礦船、海底采礦車和 水力輸送系統(tǒng)組成的采礦系統(tǒng)被認為最具商業(yè)應(yīng)用前景p “”。 我國于1 9 9 0 年成立了“中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會”，同年向聯(lián)合國海底資源管理 籌委會提出1 5 萬平方公里的礦區(qū)申請，于1 9 9 1 年3 月獲得批準(zhǔn)，并于1 9 9 9 年3 月最終罔 定了7 5 萬平方公里的“合同區(qū)”。我國享有對“合同區(qū)”的資源勘查和開采權(quán)m 1 。 我國將大洋多金屬結(jié)核和結(jié)殼礦產(chǎn)資源作為國家長遠發(fā)展項目給予專項投資，于“八五” 期間開始對深海錳結(jié)核開采技術(shù)進行研究，于2 0 0 2 年成功進行了深海錳結(jié)核開采系統(tǒng)湖試。 在“十五”計劃中，將重點轉(zhuǎn)向深海鉆結(jié)殼的開采，其中1 0 0 0 m 中試鈷結(jié)殼采礦系統(tǒng)為重 要研究課題。 我院長期從事礦山開采技術(shù)和設(shè)備的研究，在礦山開采技術(shù)方面具有豐富的經(jīng)驗，因此 取得了多項重大海洋采礦項目，如：國家海洋協(xié)會重大項目一1 0 0 0 m 中試鈷結(jié)殼采礦系統(tǒng)采 集模型機關(guān)鍵技術(shù)研究( d y l0 5 0 3 - 0 2 ) ，“十五”8 6 3 - - 7 0 0 0 米深海載人潛水器中的鈷結(jié)殼 取芯器研究( 8 6 3 5 1 2 9 8 0 6 - 0 1 ) ，自然科學(xué)基金項目一大洋鈷結(jié)殼振動切削剝離的理論與研 究( 5 0 3 7 4 0 7 1 ) 等。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 1 國內(nèi)外深海采礦方案研究現(xiàn)狀 錳結(jié)核和鈷結(jié)殼礦產(chǎn)資源分布于深海海底，深海采礦遠離陸地，環(huán)境惡劣，這就要求海 洋采礦設(shè)備不但技術(shù)上可行，而且還應(yīng)具有高度的可靠性和商業(yè)應(yīng)用價值。在半多個世紀(jì)的 研究過程中，海洋采礦的科學(xué)家對如下幾種采礦方案進行過研究。 t 、連續(xù)繩斗( c l b ) 采礦系統(tǒng) 連續(xù)繩斗( c l b ) 采礦系統(tǒng)是在一根很睦的鋼絲繩上聯(lián)結(jié)許多挖斗，鋼絲繩系在采礦船 的卷揚機上形成環(huán)狀斗鏈，挖斗f 垂至海底，通過卷揚機拖動鋼絲繩，從海底撈取礦石。日 本對此種采礦系統(tǒng)進行過研究，于1 9 7 0 年進行了海試。在海試中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對海底復(fù)雜 地形的適應(yīng)性差，鏟斗在采礦過程中無法控制，采礦效率很低，因此放棄了該系統(tǒng)的研究， 中南大學(xué)博上學(xué)位論義 第一章緒論 丁二1 9 8 3 年轉(zhuǎn)入白行采礦車加水力輸送系統(tǒng)的研究。 2 自行穿梭式采礦車 由行穿梭式采礦乍由質(zhì)囂很輕的材料制造而成，其工作原理為：自行穿梭式采礦車裝滿 壓艙物潛入海底采礦，礦t i 采滿后丟棄樂艙物，浮出水面。法國予1 9 8 0 年開始白行穿梭式 采礦車的研究由丁該設(shè)備技術(shù)復(fù)雜，投資大，難以滿足= i ：業(yè)開采的要求，t - 1 9 8 3 年放棄 了該設(shè)備的研究，1 9 8 4 年轉(zhuǎn)入白行采礦車加水力輸送系統(tǒng)的研究。 3 采礦車加水力輸送系統(tǒng)的采礦系統(tǒng) 采礦車加水力輸送系統(tǒng)的采礦系統(tǒng)由海底采礦車、采礦船和水力輸送系統(tǒng)組成，目前大 多數(shù)國家都從事= f 此種采礦系統(tǒng)的研究。根據(jù)輸送系統(tǒng)的不同，該采礦系統(tǒng)又可分為硬管采 礦系統(tǒng)和軟管采礦系統(tǒng)1 1 “”i 。 一，硬管采礦系統(tǒng) 硬管采礦系統(tǒng)的輸送系統(tǒng)由一根接近海深長度的鋼管、3 0 0 m 左右的軟管、中繼倉和多 臺輸送泵組成。該系統(tǒng)最先由美國進行研究，1 9 7 8 年，國際財團海洋管理公司o m i ( o c e a n m a n a g e m e n ti n c ) 采用硬管采礦系統(tǒng)，在太平洋5 0 0 0 m 的海底成功采集了1 0 0 0 噸錳結(jié)核， 由于德國k s b 公司生產(chǎn)的兩臺多級礦漿泵磨損破壞而停止采礦f l m ”。硬管輸送系統(tǒng)的缺點 是：采用多臺礦漿泵對礦石與海水的混合流體接力輸送，輸送泵容易磨損破壞，使用壽命短； 礦漿泵的轉(zhuǎn)速低而質(zhì)量大，輸送系統(tǒng)復(fù)雜：海水阻力作用下，上端鉸接，下端處于自由狀態(tài) 的5 0 0 0 m 硬管在采礦工作中擺動幅度很大i l “，管道對海底采礦車有很大影響，對于分布于 1 5 0 0 4 0 0 0 m 海山上的鈷結(jié)殼，硬管容易與海山碰撞。上述缺點導(dǎo)致了該系統(tǒng)目前難以達到 商業(yè)開采的要求，更不適合于鈷結(jié)殼的開采。我國長沙礦山研究院和礦冶研究院在錳結(jié)核開 采方案中采用了硬管輸送系統(tǒng)。 二，軟管采礦系統(tǒng) 軟管輸送系統(tǒng)由一根比海深長的軟管和礦石輸送設(shè)備組成。該系統(tǒng)的主要特點是：輸送 設(shè)備安裝于采礦車上，通過輸送軟管直接將礦石從海底輸送到海面，因此輸送系統(tǒng)簡單；采 礦車的工作范圍大；采礦車工作時，采礦船停泊子海面，系統(tǒng)易控制和操作；一艘采礦船可 同時與多臺海底采礦車相接，采礦量成倍提高；遇大風(fēng)大浪時，可以解開輸送軟管，防止海 難發(fā)生。從上述可知，軟管采礦系統(tǒng)相對硬管采礦系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。德國s i e g e n 大學(xué) 的p r o s c h w a r z w 從19 7 2 年開始對軟管采礦系統(tǒng)研究，但至今未研究出效果理想的礦石輸 送設(shè)備i l “l(fā) 。軟管采礦系統(tǒng)成功的關(guān)鍵是能否研究出一種高揚程、長期可靠工作的礦石輸送 系統(tǒng)，這是本文的研究目的。 如果采用高速多級高壓水泵首先對海水加壓( 6 5 0 m 揚程的水泵已有工業(yè)產(chǎn)品，技術(shù)成 熟) 然后通過儲料罐將礦石摻入高壓水中進行輸送，理論上能將礦石直接從5 0 0 0 m 海底輸 送到海面；由于礦石不經(jīng)過水泵，能保證輸送設(shè)備長期可靠工作：高速多級水泵的揚程高且 重量輕。鈷結(jié)殼分布于1 5 0 0 4 0 0 0 m 的海山上，更適合于采用軟管采礦系統(tǒng)。 1 2 2 國內(nèi)外深海采礦系統(tǒng)的力學(xué)分析現(xiàn)狀 軟管采礦系統(tǒng)由海面的采礦船、海底自治采礦小車和輸送系統(tǒng)三部分組成。自治采礦車 能在海底很大的范圍內(nèi)自行工作；采礦車工作時，采礦船停泊于海面：輸送管道隨海面采礦 船與海底采礦車一起聯(lián)動，輸送系統(tǒng)的運動十分復(fù)雜。 輸送管道在一 作過程中受到重力、浮力、海水阻力、海水壓力、海浪、海流羊【| 管內(nèi)流體 運動的作用力等復(fù)雜載荷的耦合作用，必需保證輸送管道在復(fù)雜外載的作用下可靠地工作。 輸送系統(tǒng)在復(fù)雜載荷的耦合作用下作復(fù)雜的空間運動，采礦系統(tǒng)之間的力學(xué)關(guān)系十分復(fù) 雜。為了設(shè)計和控制采礦系統(tǒng)，必須對采礦系統(tǒng)進行力學(xué)分析【1 ”。 2 中南大學(xué)博 學(xué)位論文 第一章緒論 對于柔性管道的力學(xué)分析，已經(jīng)進行了許多研究。早在1 9 3 7 年，d a n i e l z i g 就采用圖算 方法對一根f 端攜帶探針，上端系于作水平勻速直線運動b 機上的橡膠導(dǎo)線進行了分析研 究。在對易彎曲的柔軟導(dǎo)線進彳了研究時忽略了導(dǎo)線的抗彎剛度，而假設(shè)導(dǎo)線抗拉剛度為無 窮犬即導(dǎo)線是不可拉伸的。d a n i e l z i g 對f 端懸掛有一根相對較重的探針的導(dǎo)線，研究出 采用圖解法求解在相對靜止?fàn)顟B(tài)下導(dǎo)線形狀的方法”。 h a d e i 和k 6 h l 對深海彳i 油鉆探管道的計算分析做了大量的研究：作。深海鉆探管道是 連接海底鉆探孔和海面采油船的管道，當(dāng)從采油平臺向海底進行鉆探時，鉆桿在鉆探管道內(nèi) 工作，鉆探管道為鉆桿起導(dǎo)向作用，并通過鉆探管道向鉆頭輸送沖洗液。當(dāng)鉆探工作完成后， 鉆桿從鉆探管道中移出，鉆探管道作為輸油管將右油從海底輸送到海面的采油平臺上。 h a p e l 和k 6 h l 將管道的幾何形狀和外部載荷進行簡化后，建立管道運動承汐h 載分析的數(shù)學(xué) 模型，分析得到管道在外載作用下運動的四階微分方程，通過求解微分方程，分析管道變形 和端點受力。 h a p e l 和k 6 h l 對根躍2 0 0 0 m 的鉆探管道，上下兩端簡化為鉸鏈連接，在忽略管道抗 彎剛度的情況f ，通過求解微分方程，得出了管道變形和端點受力的解。h a p e l 和k s h l 根 據(jù)不同方法求解鉆探管道的微分方程，得到方程解的簡單表達式。同時，h a p e l 和k o h l 證 明，在理想狀態(tài)f ，將無限長的鉆探管道的抗彎剛度忽略掉，對計算管道的受力和變形幾乎 沒有影響：同時也證明，對鉆探輸油管道采用更為復(fù)雜的計算分析方法也不能得出更精確的 解【1 7 ”1 。 h a p e l 和k s h l 在忽略鉆探管的抗彎強度的情況下，考慮海浪對船的動態(tài)影響，重新對 2 0 0 0 m 石油鉆探營進行了分析，得出了石油鉆探管的微分方程，并求得了微分方程的解析解 1 9 1 。 h a p e l 和k s h 也研究了鉆探系統(tǒng)動態(tài)特性。海浪作用于鉆探管的上端和鉆探船上，使 鉆探系統(tǒng)上端產(chǎn)生水平和垂直往復(fù)運動，當(dāng)海浪頻率與鉆探系統(tǒng)本身橫向固有振動頻率一致 時，鉆探管在海浪的作用下，產(chǎn)生橫向共振，將對鉆探系統(tǒng)產(chǎn)生很大的破壞作用。在將鉆探 系統(tǒng)簡化成一個彈簧系統(tǒng)，考慮鉆探管的軸向剛度，而忽略鉆探管抗彎剛度的情況下，對系 統(tǒng)進行分析，得出一組四階微分方程。在求解微分方程時，假設(shè)系統(tǒng)處于靜態(tài)，鉆探系統(tǒng)的 上端只有很小的偏穆，在對作用于鉆探管上的海浪力進行線性化后，得到了微分方程的解 1 2 0 1 。 i - l a p e l 對石油鉆探管道的橫向振動進行了研究。在考慮鉆探管的軸向剛度，而忽略鉆探 管的抗彎剛度的情況下，分別對作用于鉆探管上的海浪力采用線性化和非線性方法，對系統(tǒng) 進行了分析，并得出了解析解。對上述兩種方法求得的微分方程的解進行比較后發(fā)現(xiàn)，非線 性方法求得的微分方程解的振動幅度較大，抗彎剛度對微分方程的解影響很小口”。 k 6 h l 在考慮石油鉆探管內(nèi)流體作用的情況下對鉆探系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了研究。石油 鉆探管的外層導(dǎo)管為橡膠軟管，在分析建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時，同樣忽略了鉆探管的抗彎剛度。 在首先求得鉆探管的固有頻率后，然后將此頻率作為系統(tǒng)的激勵頻率作用于鉆探管上端，因 此在鉆探管上端產(chǎn)生響應(yīng)( 共振激勵) 。k s h l 分析后得出結(jié)論：在管內(nèi)流體的摩擦力的作甩 下處于垂直平衡的鉆探管道，不受管道兩端拉力大小的影響，始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)“。 k 6 h n e 對深海采礦礦石輸送管道為鋼管的動力學(xué)特性進行了分析。k 6 h n e 根據(jù)鋼管系 統(tǒng)受力平衡和系統(tǒng)的運動特睫，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型得出系統(tǒng)的微分方程，對微分方程進 行線性化后，求得微分方程的解，并且針輸送管道分別為2 0 0 0 m 和5 0 0 0 m 的情況進行了分 析。在假設(shè)輸送管道不受力矩的作崩，分別對輸送管道的上下兩端崮定、上端固定而下端處 于自由狀態(tài)的兩種情況進行了研究。研究結(jié)果表明，前一種情況管道的振動特性相對穩(wěn)定， 而后一種情況的振動特性變化無常：輸送管道上端的振動，需要很長時間才能傳輸?shù)焦艿老?端。 中南人學(xué)博j 二學(xué)位論史 第一章緒論 k 6 h n e 也針對輸送管道內(nèi)存任液體流動的情況進行了研究，分析管內(nèi)液體流動對系統(tǒng)的 影u 自。當(dāng)管內(nèi)液體流動的速度較- f k 時，由于液體流動對管壁產(chǎn)生摩擦力，輸送管道在摩擦力 的作j ； f 產(chǎn)生振動：當(dāng)在管道下端系上一定重量的物體時，可以減小輸送管道的振幅。當(dāng)管 道內(nèi)的液體流動速度較小時，管內(nèi)液體的流動對系統(tǒng)的影響較小而可以忽略j 。 r o a l l a 采j _ f 有限單元分析方法，對一根彈性軟管的靜態(tài)和動態(tài)特性進行了研究。r o a l l a 研究的橡膠軟管上下兩端處于懸掛狀態(tài)，管道兩端鉸接而沒有力矩的作垌，管內(nèi)存在固定流 速流體，軟管上端受海浪運動的作用，隨海浪一起運動。r o a l l a 在考慮或忽略橡膠管的抗彎 剛度兩種情況f ，分別對管道的受力和變形進行了計算分析，并對管道的動態(tài)特性進行了研 究i ”i 。 a b l o w 和s c h e h t e r 對上端固定于船上，下端處于自由狀態(tài)伸入海底的電纜，當(dāng)船拖著 電纜作直線運動和作圓弧運動的情況運動進行了分析研究，并找到了一種解決此類問題的有 效算法。+ 當(dāng)船拖著電纜作直線運動時，假設(shè)系統(tǒng)處于靜態(tài)狀態(tài)根據(jù)系統(tǒng)的運動和動力特性， 得到系統(tǒng)的微分方程組，采用有限差分方法求得微分方程的解。用類似的方法，m i l i n a z z o w i l k i e 和l a t c h m a n 也對上述在水中拖著運動的電纜進行了研究，并找到了一種適合于系統(tǒng) 在線控制的求解方法“?！癹 。 o w e n 和q i n 對一根從海底向海面輸送石油和天然氣的柔性管道進行了分析和研究。管 道的上端與停泊于海面的浮動平臺相連接，管道的下端垂直固定于海底。在管道下端大約 i 4 長度處，懸掛一浮體，以此保證管道的下端垂直于海底。首先，對處于自由彎曲狀態(tài)的 管道，在忽略管道抗彎剛度的情況下，根據(jù)系統(tǒng)在靜態(tài)條件下的受力平衡，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模 型，得到系統(tǒng)的微分方程組，分析系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下的管道變形和受力情況。另外，在考慮 管道抗彎剛度的情況下，求得系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下的管道變形和受力的近似解。在對系統(tǒng)進行 靜態(tài)分析后，還采用數(shù)值分析方法，對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行了分析和研究。其次，還設(shè)計了 一個實驗系統(tǒng)，對實驗軟管的變形和受力進行了現(xiàn)場測試，實驗?zāi)M軟管與真實軟管的比例 為1 ：8 1 。在對實驗軟管的變形和運動進行了分析和研究時，采用了錄像技術(shù)口”。 g h a d i m i 提出了一種計算柔性管道變形和受力分析的方法。g h a d i m i 的經(jīng)驗是把柔性管 道離散成由許多質(zhì)量彈簧單元組成的系統(tǒng)，然后根據(jù)系統(tǒng)的運動和動力學(xué)特性，建立系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型。采用有限單元法分析系統(tǒng)的變形和受力時，首先計算其近似值，然后經(jīng)過不斷迭 代，直到求得系統(tǒng)變形和受力的精確值為止。在對系統(tǒng)中任意質(zhì)量彈簧單元的運動和受力進 行分析時，考慮了單元的質(zhì)量、浮力、水中運動的阻力、管單元的彈性力、以及管內(nèi)液體流 動時產(chǎn)生的對管道的作用力，管道運動時的海水阻力和海浪運動所產(chǎn)生的作用力按m o d s o n 方法計算。此外，在建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時，考慮了彎矩對管道的影響。根據(jù)b e r n o u l l i e u l e r 管道計算方法，即管道所受彎矩的大小與管道所在位置的曲率有關(guān)，然后根據(jù)管道沿長度方 向所受彎矩的大小，將剪切力當(dāng)作外力處理，經(jīng)過迭代可以求得管道沿長度方向所受的剪切 力。因為上述所計算的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，所以計算方法十分有效。g h a d l m i 對一根長5 0 0 m 的柔性管道進行了分析和研究，并且通過一個l ：5 0 的實驗?zāi)Ｐ?，證實了上述算法是可行的 2 8 1 。 m a r k o u l i d i s 對柔性連接物體采用有限單元法進行了研究，例如柔性的繩索，電纜以及 柔性連接管道，并且在計算時考慮了這些柔性物體存在材料非線性和幾何非線性等情況。其 t 作難點在于采用有限單元法推導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達式以及對離散非線性系統(tǒng)運動方程的積 分求解。m a r k o u l i d i s 采用上述方法對一根長7 0 0 m ，兩端固定的柔性管道，在海水中受到海 浪和洋流作用的情況下進行了研究，此種管道在海洋工程( o f f s h o r et e c h ) 中經(jīng)常被使用因 此有很商的研究價值“。 g i e s e 也對在洋流和海浪作用下兩端固定的柔性管道進行了研究。g i e s e 采用有限差分 法，對柔性管道進行離散，離散后的單元管為直線質(zhì)點彈簧單元，單元管的質(zhì)量分布在單元 4 中南大學(xué)博一i 二學(xué)位論義 第一章緒論 管兩端的結(jié)點上，根據(jù)扭轉(zhuǎn)彈簧的特性，可以計葬管道存在彎矩的情況。 l u b b e r t 采用實驗方法對深海錳結(jié)核采礦系統(tǒng)輸?shù)V軟管的受力和變形進行了分析和研 究。l u b b e r t 為了分析輸送軟管，建立了模擬實驗設(shè)備模擬實驗設(shè)備為一個長寬分別為1 1 m ， 高3 m 的完全透明的玻璃容器，容器內(nèi)裝滿水。實驗軟管的f 端固定于玻璃容器的底部，模 擬海面上相對靜止的采礦船：實驗軟管的上端安裝于玻璃容器的頂部一臺的小車上，小車可 以模擬海底采礦午的運動，小車的i 耋動速度和方向由計算機控制。實驗軟管上f 兩端安裝了 力傳感器，川于測量實驗軟管兩端的受力變化情況，測量的數(shù)據(jù)傳給控制實驗系統(tǒng)的計算機。 兩臺照相機垂直安置于玻璃容器的兩個側(cè)面，由計算機控制其拍攝的時間達到同時拍攝在 規(guī)定時刻玻璃容器內(nèi)實驗軟管的幽像。實驗時，小乍的行走距離，方向，速度 r d j n 速度，實 驗軟管兩端的受力情況，照相機的拍攝數(shù)據(jù)，全部儲存在計算機內(nèi)，由計算機進行數(shù)據(jù)處理 3 0 l 。 l u