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深海钴结壳采集头截齿破碎性能及截齿布置优化研究

张振华  
【摘要】:随着我国经济社会的迅速发展,对资源的需求日益巨大,而陆地矿产资源逐渐消耗,人类对海洋的探索日益深入,大洋钻结壳资源由于其经济价值成为令人瞩目的战略性资源。深海钴结壳开采技术与装备已成为目前研究的一个重点。钴结壳开采的首要环节是从海底基岩上将钴结壳资源破碎剥离。 采集头截齿作为破碎的关键部件,其作用主要是实现钻结壳的破碎剥离。合理的截齿布置是保证整体系统高效稳定工作的前提,也是延长截齿使用寿命的关键。在查阅国内外相关文献的基础上,本文对采集头截齿作用下钴结壳破碎特性,截齿结构参数及布置形式和最优采集头结构设计进行了相关研究。论文主要研究工作如下: 1)经过对截齿形状、切削方式和切削参数适当简化,建立了单个截齿切削含倾斜节理和水平节理钴结壳、双截齿顺次切削和同时切削水平节理钻结壳的二维数值模型,仿真分析得到不同节理参数、截齿间距和切削顺序下裂纹演化过程,并根据裂纹扩展和形成破碎块的规则,归类得到六种不同的破碎模式;然后从破碎效率,裂纹扩展能力,破碎块度等方面,进一步研究了截齿作用下钴结壳的破碎特性。 2)在采集头截齿切削有限元模型环境中,建立了截齿切削钴结壳的模型,对不同截齿结构参数和不同布置形式的切削过程进行了动态模拟,通过比较不同参数下的采集头扭矩载荷波动和截齿切削能耗等性能评价指标,得到了各种参数对采集头截齿切削破碎性能的影响规律,并结合实验验证,为截齿结构设计和采集头上截齿布置提供了理论指导。 3)利用遗传优化设计理论,以采集头截齿能耗和载荷波动为优化目标,在满足特定约束条件的前提下,对采集头截齿布置相关的结构参数进行了优化,得到了综合性能理想的设计参数,为钴结壳采集头设计提供了依据。


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