深海钴结壳螺旋切削采集过程仿真和螺旋采集头工作参数优化研究

论文摘要

深海钴结壳是大洋底部最具吸引力的矿产资源之一，产出在水深800-3000m的平坦海山、岛屿斜坡上，其平均厚度仅为4-6cm，富含钴、铂、镍、锰、铜、铁、磷、钛、锌、铅、铈等战略物质。由于其巨大的战略意义和经济价值，深海钴结壳开采技术与装备的研究已成为国内外研究的一个热点。钴结壳开采研究的第一个难题和关键问题，就是如何从高低不平的海底基岩上将薄薄的一层钴结壳破碎剥离下来，而且要保证足够大的采集率、较小的废石混入率和比能耗，同时破碎钴结壳及其基岩块度的分布要求比较合理，能顺利通过扬矿系统提升到水面支持船上，又能尽量减少对环境的污染。而采集率、废石混入率、破碎能耗和块度分布规律不但与螺旋切削式采集头的结构参数有关，更重要的是与采矿过程中不同海底微地形上采集头的不同工作参数有关。本文在国务院大洋专项的支持下，作为“钴结壳采集模型机关键技术及装备研究”项目的一个子课题，对螺旋切削式采集头截割、破碎钴结壳时的力学特性（包括极限参数）、破碎块度分布规律、不同海底微地形上采集头的工作参数匹配等难题进行了深入研究，旨在为开发具有自主知识产权的钴结壳开采技术与装备提供理论指导和实验依据。论文研究了截齿和采集头的运动规律和截割力学特性，提出了采集头稳定截割、不出现拖削现象的条件，并给出了具体的采集头旋转速度和前进速度之间的约束范围；根据不同地形和采集头不同轴心高度确定截齿的切削区域，得到了切削区域内同时处于切削状态的截齿数模型。为了降低开发成本，减小开发风险和缩短开发周期，本文将计算机仿真技术应用于钻结壳螺旋切削式采集过程的研究中。根据所建立的模型，研制了计算机仿真程序，模拟采集头截割破碎过程，得到采集头的力学参数变化趋势图和极限值，为采集头的设计提供了理论依据。论文通过分析钴结壳螺旋切削式采集过程中切屑的形成机理，建立了不同工况下钴结壳瞬时未变形切屑厚度的计算模型，推导出了切屑的厚度与海底微地形特征、采集头的轴心高度、采集头的前进速度和旋转截割速度有关；根据钴结壳及其基岩的分形特征，将分形理论引入到钴结壳破碎块度分布规律的研究中，提出用分形分布模型来描述钴结壳及其基岩的破碎块度分布规律，该方面的研究尚未见报道。论文针对单独采用遗传算法和模拟退火算法进行寻优时存在的问题与缺陷，提出了一种改进的模拟退火混合遗传算法，并将之应用于采集头工作参数的优化研究中，取得了满意的结果。但由于采用模拟退火遗传算法进行优化迭代比较耗时，满足不了采矿车实时开采控制的需要，为此，本文对复杂的海底微地形按高程差分为11级，建立对应各分级地形特征的工作参数优化结果回归计算模型，在采集头实际工作时，把费时的迭代优化过程改为直接按照地形特征（高程差、粗糙度、均值和方差）用直线方程确定工作参数，从而使原先因数据处理时间过长而不能应用的算法变为切实可行。论文的研究成果，对于未来钴结壳实际开采具有较大的理论与现实意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 富钴结壳开采技术研究现状
• 1.2.1 国外钴结壳开采现状与发展趋势
• 1.2.2 国内钴结壳研究情况
• 1.3 我国的钴结壳开采方案
• 1.3.1 钴结壳开采环境和开采特点
• 1.3.2 我国的钴结壳开采方案
• 1.4 论文研究目的、意义和主要内容
• 1.4.1 论文研究目的和意义
• 1.4.2 论文研究主要内容
• 1.5 小结
• 第二章 钴结壳螺旋切削式采集过程基础理论及仿真建模研究
• 2.1 引言
• 2.2 计算机仿真技术在相关方面的应用
• 2.2.1 计算机仿真技术在深海采矿方面的应用
• 2.2.2 计算机仿真技术在螺旋滚筒设计方面的应用
• 2.3 螺旋滚筒运动规律分析
• 2.3.1 采集头轴心点的初始坐标
• 2.3.2 采集头轴心线运动方程
• 2.4 截齿运动规律分析
• 2.5 采集头切削区域及切削截齿数的分析
• 2.5.1 截齿进入和退出切削区域的判别准则
• 2.5.2 截齿切削深度分析
• 2.5.3 切削区域同时切削齿数分析
• 2.6 瞬时未变形切屑厚度研究
• 2.6.1 采集头切削过程中切屑形成机理
• 2.6.2 采集头匀速进给和滚动时的切屑厚度计算
• 2.6.3 采集头非匀速进给和滚动时的切屑厚度计算
• 2.6.4 采集头进给速度和旋转速度的约束关系
• 2.7 截齿截割过程及受力分析
• 2.7.1 截齿截割破碎过程分析
• 2.7.2 截齿切削破碎阻力
• 2.7.3 截齿切削运动时海水对截齿的作用力
• 2.7.4 截齿受力模型
• 2.8 采集头载荷特性研究
• 2.8.1 采集头受力分析
• 2.8.2 采集头力矩计算
• 2.8.3 载荷的波动性
• 2.9 钴结壳螺旋切削式采集头破碎能耗建模
• 2.9.1 破碎功率和总能耗研究
• 2.9.2 破碎钴结壳及其基岩的体积采集量计算
• 2.9.3 破碎钴结壳及其基岩的重量采集量计算
• 2.9.4 螺旋切削式采集比能耗建模
• 2.10 小结
• 第三章 钴结壳螺旋切削式采集过程仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 采集头破碎过程仿真软件设计
• 3.2.1 实际微地形测量、重构及随机地形产生
• 3.2.2 随机地形的分级
• 3.2.3 螺旋切削式采集头截割破碎过程数学模型
• 3.2.4 程序实现
• 3.3 计算机仿真系统的校验
• 3.3.1 试验设计
• 3.3.2 力学参数的验证
• 3.3.3 采集量算法验证与精度分析
• 3.4 仿真结果与分析
• 3.4.1 单块地形时采集头受力特性及能耗关系仿真研究
• 3.4.2 随机地形时采集头受力特性及能耗关系仿真研究
• 3.5 小结
• 第四章 钴结壳及其基岩破碎块度分布规律研究
• 4.1 引言
• 4.2 岩石破碎块度的经典分布模型
• 4.2.1 高丁-舒曼（G-S）分布
• 4.2.2 罗辛-拉姆勒尔（Rosin-Rammler，R-R）分布
• 4.2.3 威布尔分布
• 4.3 钴结壳及其基岩破碎块度分形分布模型
• 4.3.1 分形及其在岩土破碎块度分布规律研究中的应用
• 4.3.2 钴结壳及基岩破碎块度的分形特征
• 4.3.3 钴结壳及其基岩破碎的有限尺度分形模型
• 4.4 钴结壳破碎块度分形维数的测定
• 4.5 钴结壳及其基岩破碎块度分形分布模型
• 4.5.1 破碎块度实验研究
• 4.5.2 钴结壳及其基岩破碎块度分形分布模型
• 4.6 小结
• 第五章 螺旋切削式采集头工作参数优化研究
• 5.1 模拟退火遗传算法
• 5.1.1 遗传算法和模拟退火算法的基本思想
• 5.1.2 模拟退火遗传算法
• 5.1.3 模拟退火遗传算法性能测试
• 5.2 采集头工作参数优化模型
• 5.2.1 工作参数优化目标函数
• 5.2.2 约束条件确定
• 5.2.3 优化程序的研制
• 5.3 优化结果与分析
• 5.3.1 采集头工作参数优化结果
• 5.3.2 工作参数优化结果分级回归分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录1 采集头破碎实验研究
• A1 相似模型试验目的与内容
• A1.1 试验目的
• A1.2 试验内容
• A2 相似试验系统研制
• A2.1 相似理论与模型试验基础
• A2.2 相似物理量与相似关系的确定
• A2.3 相似材料（模拟料）相似条件
• A2.4 采集头相似条件
• A2.5 实验台总体设计
• A2.6 测试系统设计
• A3 实验准备与实验过程
• A3.1 模拟料制备
• A3.2 测试系统标定
• A3.3 实验过程
• 附录2 不同地形高程差下工作参数优化结果
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要的研究成果
• 1 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 2 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目