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单泵与储料罐组合的深海采矿软管输送系统研究

徐海良  
【摘要】:由于陆地资源日益枯竭,当今世界各国都在加紧对深海矿产资源开采技术进行研究,为“海洋经济时代”的到来做技术储备,我国也非常重视深海采矿技术的研究。锰结核和钴结壳是重要的海洋矿产资源,赋存于1500~6000m的海底,深海采矿系统必须将从海底采集的矿石输送到海面采矿船上,因此,矿石输送技术是深海采矿的关键技术。在这一领域,普遍公认采用水力输送的矿石输送系统具有工业应用前景,其中采用软管输送的采矿系统为最佳方案。本文是针对软管输送系统进行研究,主要内容如下: 根据深海采矿软管输送系统特点,发明了一种由储料罐与高压水泵组合而成的新的矿石输送设备,应用于深海采矿;借鉴水泵理论、管道输送原理、两相流理论和储料罐输送特点,建立该设备的设计理论,并针对能将矿石从5000m海底直接输送到海面的输送系统和1000m钴结壳采矿中试输送系统进行参数分析。 针对输送软管两端在采矿船和采矿车的牵引下运动,同时受到浮力、重力、海浪、海流、海水阻力、海水压力和管内流体等复杂载荷耦合作用的情况,运用海浪和海流理论、流体力学和Morsion阻力方程,建立输送软管在复杂运动和复杂外载耦合作用下的分析理论,对输送系统的运动和外部载荷进行了分析。 运用虚功原理、牛顿-拉斐逊方法,建立输送管道的有限元法几何非线性静态分析理论;根据输送管道上作过程大变形特点,推导出弹性材料管单元的切线刚度矩阵和输送系统整体刚度矩阵;对1000m钴结壳采矿中试输送系统,当采矿车和采矿船采用不同运动模式,管道在不同外载耦合作用下,进行几何非线性静态分析,同时对采矿车和采矿船的运动速度和运行模式、采矿车的工作范围、输送管道两端的受力情况、管道的空间形状、管道下段浮体加栽火小和浮力分布等参数进行了研究。 从橡胶管道结构分析出发,对输送管道的性能进行了理论分析。对5000m深海采矿输送系统,当采矿车和采矿船在不同运动状态,管道在不同外载耦合作用下的情况,进行几何非线性静态分析,同时对采矿车和采矿船的运动速度和运行模式、采矿车的工作范围、输送管道两端的受力情况、管道的空间形状、管道下段浮体加载大小和浮力分布等参数进行了研究。 根据达朗培尔(D'Alembert)虚功原理,建立了输送系统动力学分析理论。通过模态分析,确定了1000m钴结壳中试输送系统和5000m深海采矿输送系统的振动频率特性。针对输送系统在海浪循环力作用下和上端随海浪循环运动两种情况,分别对1000m中试输送系统和5000m深海采矿输送系统上下两端结点反力的谐响应进行了分析。 根据相似理论,建立由储料罐与高压水泵组合的模拟实验设备,针对5000m深海采矿输送系统进行模拟实验分析。建立了输送管道力学模拟实验分析的相似理论,选择了模拟输送管道,在实验装置上,对管道两端的结点反力和管道形状进行了实验分析,通过实验和计算的比较分析,证明了本文采用有限元对输送系统进行计算分析是可信的。 本文运用先进的理论和计算方法以及先进的实验手段,采用理论、计算、实验相互验证的研究方法,研究出一种能将矿石从5000m海底直接输送到海面的输送设备,应用于软管输送系统,由此研究而得到了一种技术先进、理论完善的适用于深海采矿的输送系统技术原型,为1000m钴结壳采矿中试系统提供了技术支持。


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