深海采矿车履带淹没水射流除粘系统研究

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深海采矿车在海底作业过程中,鉴于底质的粘附特性,采用尖高履齿的行走履带部件上不可避免的粘附一定数量的底质,降低了履齿的有效剪切高度,影响采矿车的行驶性能。依托“十三五”国家重点研发计划的“海底集矿及导航定位系统研发”课题,完成了淹没水射流去除粘附底质技术方案的理论与试验研究,以期为深海采矿车除粘系统的设计提供依据。本文主要内容包括以下方面:(1)粘附底质会降低深海采矿车履齿的有效高度,深海采矿车产生的牵引力理论计算表明牵引力随履齿有效高度减小而减小。(2)采用淹没水射流冲刷出的坑深与直径来评价其除粘效果。无量纲冲坑深度随冲坑直径增加而增加,且它们之间呈指数函数关系。无量纲半径在[1,2]之间时,冲坑深度与冲坑半径都有较好的发展,是淹没水射流除粘效果较好的阶段。(3)使用LS-DYAN的ALE算法对淹没水射流冲坑形态进行模拟,计算结果表明:模拟底质的冲坑侧壁更加陡峭,冲坑深度随着靶距的增加而减小,冲坑直径随靶距先增加后减小;淹没水射流携带能量随着射流喷嘴直径、速度的增加而增加。均可增大冲坑体积。根据模拟结果,淹没水射流除粘试验喷嘴直径为6mm,射流速度取30m/s。(4)淹没水射流冲坑形态试验与除粘效果试验表明:靶距对冲坑深度的影响与数值计算结果较吻合,试验回填效应导致试验数据小于模拟数据;靶距对冲坑直径的影响较明显,冲坑直径的转折点应在初始段附近;喷嘴个数、入射角会影响淹没水射流除粘效果。深海采矿车淹没水射流除粘试验采用6个喷嘴、30°入射角。(5)完成了采矿车试验模型行走试验,试验结果表明采矿车模型履带上粘附了大量模拟底质,对其称重后发现:采矿车试验模型重量平均增加了7.9%,而实际产生的牵引力比设计理论值减少了27.76%。使用淹没水射流除粘系统,可以去除87%的粘附底质,重量平均增加了1.5%,实际产生的牵引力损失了6.02%。采矿车试验模型牵引力提高了14.61%。(6)完成了深海采矿车淹没水射流除粘系统工作参数设计:喷嘴直径6mm,喷嘴数量26个。总流量为1320.8L/min,压力为0.45MPa,功率为9.88k W。喷嘴距齿顶距离为20mm,入射角30°。
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