深海集礦機(jī)履帶系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、隨著陸地資源的日趨枯竭，世界資源開發(fā)的戰(zhàn)略眼光開始聚集到海洋上。深海蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，對人類生產(chǎn)生活有重大應(yīng)用價值的主要有大洋多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和海底熱液多金屬硫化物等，普遍認(rèn)為目前最具開發(fā)前景的是多金屬結(jié)核，它富含銅、鈷、鎳、錳、金、銀、稀土等。因此，20世紀(jì)70年代開始對深海采礦系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究。集礦車在深海采礦作業(yè)中承擔(dān)了最復(fù)雜和最危險的工作，是深海采礦系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備。履帶式集礦車比腿式集礦車更具有優(yōu)勢，原因是它滿足

2、了深海采礦系統(tǒng)的穩(wěn)定性所提出的較大浮力和牽引力的要求。履帶式集礦車的動力學(xué)特性一直是研究熱點。深海采礦集礦車不僅與系統(tǒng)各元件之間存在耦合關(guān)系，還需要滿足承擔(dān)多任務(wù)的各系統(tǒng)元件所提出的設(shè)計要求。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法(MDO)可以滿足復(fù)雜系統(tǒng)的多目標(biāo)任務(wù)設(shè)計的要求。由于概念設(shè)計對于最終產(chǎn)品的性能影響最大，而且在概念設(shè)計階段進(jìn)行修改比在細(xì)節(jié)設(shè)計階段更容易，因此在集礦車的設(shè)計中引入概念設(shè)計是很有必要的，集礦車的研制的成敗取決于概念設(shè)計。為了節(jié)約時

3、間和成本，往往在復(fù)雜系統(tǒng)的研制中引入概念設(shè)計方法，例如公理化設(shè)計。往往在若干個概念設(shè)計中選擇一個較好的設(shè)計來降低最終設(shè)計的風(fēng)險，減少系統(tǒng)開發(fā)的時間。深海集礦車的設(shè)計更注重于整個采礦系統(tǒng)的優(yōu)化，但是其在深海采礦系統(tǒng)中的重要地位，它的優(yōu)化設(shè)計將對商業(yè)化開采產(chǎn)生重要影響。深海采礦系統(tǒng)十分復(fù)雜、昂貴，由于物理模型的高費用和高風(fēng)險，在系統(tǒng)開發(fā)的前期往往不進(jìn)行物理模型的建造。因此，深海采礦仿真系統(tǒng)的開發(fā)是早期概念設(shè)計的創(chuàng)新，是有效的加速技術(shù)成熟的方

4、法，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
　　在集礦車作用下的集礦機(jī)履帶與海底沉積物相互作用力學(xué)特性研究十分重要。在模擬海底沉積物上進(jìn)行集礦車行走性能的研究往往受到各種限制，海底沉積物被認(rèn)為是彈性的或者剛性的，最好是將其看作塑形介質(zhì)或者臨界土力學(xué)狀態(tài)，本文引入有限元方法或者離散元方法進(jìn)行研究。為了克服采用模擬海底沉積物進(jìn)行研究的限制，建立了海底沉積物的臨界土力學(xué)狀態(tài)模型，可以對海底沉積物在集礦車作用下的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析。隨著近年來計算機(jī)技

5、術(shù)和計算方法的發(fā)展，出現(xiàn)了海底沉積物的有限元分析(FEM)和離散元分析(DEM)?？梢詫V機(jī)履帶與海底沉積物相互作用力學(xué)特性進(jìn)行深入研究。在集礦機(jī)履帶與海底沉積物相互作用力的問題上，車輛行走失敗模式比較復(fù)雜，履帶—沉積物界面的邊界條件隨設(shè)計參數(shù)和作業(yè)條件的變化而變化，例如沉積物力學(xué)特性參數(shù)。如果最初不設(shè)定好邊界條件，仿真就難以進(jìn)行。因此，邊界條件的設(shè)計通常依據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)和簡化假設(shè)。
　　深海集礦車的建模需要對履帶施加在海底沉積物上

6、的力學(xué)特性有深入的了解。由于履帶式集礦車的性能主要取決于履帶—沉積物界面的法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力分布，履帶集礦車數(shù)學(xué)建模的基本問題是履帶—沉積物界面相互作用力的關(guān)系的建立。本文的建模首先假設(shè)集礦車做直線運(yùn)動，之后是轉(zhuǎn)向運(yùn)動。考慮了施加在集礦車上的主要外力作用，包括牽引力、水動力、集礦頭受力、推土阻力、軟管受力以及集礦車自身重力等等，同時還考慮了施加在沉積物上的受力包含法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力。法向應(yīng)力由集礦車的重量引起的垂直壓力產(chǎn)生，可由海底沉積

7、物壓力—沉陷關(guān)系獲得。剪切應(yīng)力由牽引力和制動力產(chǎn)生，可由剪切應(yīng)力—剪切位移關(guān)系獲得?；贐ekker公式可以獲得海底沉積物壓力—沉陷關(guān)系式及相應(yīng)參數(shù)，并根據(jù)Muro和O'Brien的工作，在考慮了水動力和軟管受力的基礎(chǔ)上對參數(shù)進(jìn)行了修正，建立了集礦車靜態(tài)、動態(tài)和轉(zhuǎn)向的數(shù)學(xué)模型。壓實阻力被認(rèn)為是作用在履帶前端接觸部分。在進(jìn)行系統(tǒng)的靜態(tài)分析時，例如集礦車靜止的時候，認(rèn)為其速度為零，不存在打滑現(xiàn)象，集礦車所受的牽引力和集礦頭所受的阻力也均為零

8、。在靜態(tài)分析時，獲得了為了計算確保系統(tǒng)靜止的軟管受力而建立的集礦車模型所需要的參數(shù)。靜態(tài)分析時，假設(shè)集礦車沿直線行走，并得出車身運(yùn)動方程。在能量消耗分析時，施加在后鏈輪上的驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)矩提供的有效的輸入能量應(yīng)等于擠壓消耗能量、打滑消耗能量、有效的驅(qū)動和制動消耗能量、采集消耗能量以及水動力消耗能量之和。在轉(zhuǎn)向分析時，由于轉(zhuǎn)向時速度很小，忽略了水動力，而摩擦力矩則由履帶的打滑、集礦車的橫向傾斜角、縱向有效牽引力以及總的有效牽引力得出。為了驗

9、證所建立的集礦車數(shù)學(xué)模型，試驗研究是十分必要的。深海采礦系統(tǒng)的質(zhì)量和體積是很龐大的，因此，基于相似原理和量綱分析建立了實驗室履帶集礦車物理模型，用來獲得行駛時履帶車牽引—沉陷關(guān)系，獲得轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)彎半徑，并檢驗試驗獲取的動力學(xué)特性是否與由模型得出的一致。海底沉積物壓力—沉陷關(guān)系式、實際的轉(zhuǎn)彎半徑以及模型方程都由試驗得到了驗證。
　　仿真時，首先由集礦車的基本參數(shù)和海底沉積物的力學(xué)特性參數(shù)計算出集礦車在靜止?fàn)顟B(tài)時的接觸應(yīng)力分布（假設(shè)履

10、帶為剛體）。前引導(dǎo)輪和后驅(qū)動輪靜態(tài)時的總沉陷量由Bekker公式和集礦車的傾斜角計算得出。獲得了不同偏心距時的靜態(tài)、動態(tài)和轉(zhuǎn)向方程。MATLAB R2011用來進(jìn)行模型受力的仿真計算，計算結(jié)果由MINITAB14來存儲和分析。MINITAB14用于確定仿真變量之間的關(guān)系，JMP6 SARS用于繪制二維圖形來描述變量之間的關(guān)系。在靜止?fàn)顟B(tài)下，軟管受力和傾斜角之間是線性關(guān)系的假設(shè)是成立的。履帶推力和偏心率隨著軟管連接夾角的增加而增加。當(dāng)軟管

11、連接夾角小于零時，地面反作用力和傾斜角隨軟管連接夾角的增加而減小;當(dāng)軟管連接夾角大于零時，地面反作用力和傾斜角隨軟管連接夾角的增加而增加。履帶推力和偏心率的最大值取決于軟管連接夾角的最大值。然而地面反作用力和傾斜角的最大值取決于軟管連接夾角的最大絕對值。當(dāng)坡度小于零時，履帶推力、地面反作用力和傾斜角隨坡度增加而增加;當(dāng)坡度大于零時，履帶推力、地面反作用力和傾斜角隨坡度增加而減小。偏心率隨坡度的增加而增加。這里，偏心率的最大值取決于坡度最

12、大值。當(dāng)坡度為零時，履帶推力、地面反作用力和傾斜角達(dá)到最大值。動態(tài)分析時，部分變量是彼此相關(guān)的，但是還有部分變量是不相關(guān)的。軟管連接夾角和坡度僅與壓實阻力和牽引力相關(guān)。當(dāng)軟管連接夾角小于零時，壓實阻力和有效牽引力隨軟管連接夾角的增加而減小;當(dāng)軟管連接夾角大于零時，壓實阻力和有效牽引力隨軟管連接夾角的增加而增加。當(dāng)坡度小于零時，壓實阻力和有效牽引力隨坡度的增加而減小;當(dāng)坡度大于零時，壓實阻力和有效牽引力隨坡度的增加而增加。壓實阻力和有效牽

13、引力取決于軟管連接夾角絕對值的最大值，當(dāng)坡度為零時達(dá)到最大值。速度僅與水動力和有效牽引力有關(guān)，隨水動力和牽引力的減小而增加。當(dāng)速度為零時，水動力和有效牽引力達(dá)到最大值。打滑率與打滑能量有關(guān)，當(dāng)打滑能量從零開始增加到12％時，打滑率開始下降，并保持在50％左右的恒定水平。打滑率為12％時，打滑力達(dá)到最大值。在轉(zhuǎn)向分析時，同樣是部分變量是彼此相關(guān)的，但是還有部分變量是不相關(guān)的。轉(zhuǎn)向速比與總的有效牽引力、縱向有效牽引力、地面反作用力、驅(qū)動力、

14、履帶推力有關(guān)。盡管與轉(zhuǎn)向速比的變化相比，縱向有效牽引力、地面反作用力、履帶推力和有效牽引力的變化很小。總的有效牽引力和地面反作用力隨轉(zhuǎn)向速比的增加而減小。縱向有效牽引力、驅(qū)動力、履帶推力和有效牽引力歲轉(zhuǎn)向速比的增加而增加。總的有效牽引力隨轉(zhuǎn)向速比的增加而減小，而驅(qū)動力歲轉(zhuǎn)向速比的增加而增加。軟管連接夾角與所有的受力相關(guān)，除水動力、橫向有效牽引力和履帶推力之外。當(dāng)軟管連接夾角小于零時，總的有效牽引力隨軟管連接夾角的增加而減小;當(dāng)軟管連接夾

15、角大于零時，總的有效牽引力隨軟管連接夾角的增加而增加。縱向有效牽引力和有效牽引力隨軟管連接夾角的增加而增加。地面反作用力、驅(qū)動力、壓實阻力和重力分量隨軟管連接夾角的增加而減小，總的有效牽引力在軟管連接夾角為零時達(dá)到最大值。當(dāng)軟管連接夾角為負(fù)的最大值時，縱向有效牽引力、有效牽引力、地面反作用力、驅(qū)動力、壓實阻力和重力分量達(dá)到最大。坡度與所有的受力有關(guān)，除了水動力、橫向有效牽引力和履帶推力之外。當(dāng)坡度小于零時，總的有效牽引力、地面反作用力、

16、壓實阻力和重力分量隨坡度的增加而減小;當(dāng)坡度大于零時，它們隨坡度的增加而增加。當(dāng)坡度小于零時，橫向有效牽引力和有效牽引力隨坡度的增加而增加;當(dāng)坡度大于零時，它們隨坡度的增加而減小。驅(qū)動力隨坡度的增加而增加?？偟挠行恳?、地面反作用力、壓實阻力和重力分量在坡度為零時達(dá)到最大，縱向有效牽引力和有效牽引力也在坡度為零時達(dá)到最大值。速度僅與水動力和驅(qū)動力有關(guān)，隨水動力和驅(qū)動力的減小而增加。速度最小時，水動力和驅(qū)動力達(dá)到最大。打滑率與總有效牽引

17、力、縱向有效牽引力、地面反作用力、驅(qū)動力、履帶推力和有效牽引力有關(guān)。驅(qū)動力隨打滑率的增加而減小?？v向有效牽引力、履帶推力、有效牽引力從零增加到12％時，打滑率下降到50％，并保持在此恒定水平。當(dāng)總有效牽引力和地面反作用力從零變化到12％，打滑率增加至約50％，并保持在此恒定水平。當(dāng)打滑率為12％時，受力達(dá)到最大。
　　深海集礦車的設(shè)計基于集礦機(jī)履帶與海底沉積物相互作用力學(xué)特性，要充分考慮外界環(huán)境的影響和材料特性。集礦車擁有一個剛性

18、的底盤，底盤上裝有兩條履帶沒有軌道的任何傾斜的入口和帶滑轉(zhuǎn)向。底盤的框架是完全剛性的。履帶系統(tǒng)由履帶板、驅(qū)動輪、行走輪、引導(dǎo)輪、托鏈輪和履帶底架組成。履帶系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了外部環(huán)境的影響，其優(yōu)化設(shè)計參考了Wenzlawski的工作。外部環(huán)境對材料和功能部件的影響是多方面的，并未完全被發(fā)現(xiàn)，因此，完整的系統(tǒng)設(shè)計方法是不存在的。履帶接觸海底沉積物的面積由集礦車在水下的重量決定。這里假設(shè)接觸壓力在接觸面上均勻分布。接觸壓力和剪切強(qiáng)度之間的關(guān)

19、系不大，對于車輛通行狀況的分析可以忽略。集礦車的最大牽引力取決于接觸面積、剪切強(qiáng)度和沉積物的形變。集礦車的速度不小于1m/s。基于集礦車履帶系統(tǒng)的各元件的受力分析，本文進(jìn)行了系統(tǒng)的總體概念設(shè)計。
　　本文采用的優(yōu)化算法基于傳統(tǒng)的工程方法?；谝阎穆膸到y(tǒng)需要滿足的要求，本文對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，換句話說，優(yōu)化設(shè)計首先是基于已知的要求，然后是未知的。本文采用了適用于多級決策問題優(yōu)化設(shè)計的動態(tài)規(guī)劃。履帶尺寸的優(yōu)化實現(xiàn)了在最小接觸面積

20、的條件下獲得最大轉(zhuǎn)彎半徑，受到集礦車大小的限制。驅(qū)動輪的優(yōu)化實現(xiàn)了消耗最小能量和最少材料，受到集礦車履帶尺寸、驅(qū)動輪齒以及驅(qū)動輪強(qiáng)度的限制。履齒的優(yōu)化實現(xiàn)了獲得最大牽引力和消耗最少材料，受到沉積物承壓能力、驅(qū)動輪履刺節(jié)距和齒距之間的關(guān)系、齒距和齒高之間的關(guān)系等的限制。履帶板的優(yōu)化實現(xiàn)了獲得最大的彎矩和消耗最少材料，離心力必須小于鏈斷裂強(qiáng)度。行走輪的優(yōu)化將滾動阻力降到最低，并消耗最少材料，受到履齒尺寸和接觸長度，以及允許的行走輪距與履帶節(jié)

21、距比值的限制。引導(dǎo)輪的優(yōu)化將消耗的材料降到最少，受到集礦車履帶尺寸和引導(dǎo)輪承受負(fù)載的限制。托鏈輪的優(yōu)化將消耗的材料降到最少，受到行走論尺寸、行走輪最小允許半徑以及托鏈輪承受的負(fù)載的限制。履帶底架的優(yōu)化實現(xiàn)了在消耗最少材料的條件下獲得最大許用應(yīng)力，受到集礦車履帶地盤尺寸和底架承受的負(fù)載的限制。優(yōu)化設(shè)計程序采用MATLABR2011編寫。
　　RecurDyn軟件可以進(jìn)行系統(tǒng)整體的線性和非線性的有限元仿真分析，可以對實際模型進(jìn)行設(shè)計研

22、究和產(chǎn)品的性能提高研究，對整個系統(tǒng)的動力學(xué)特性進(jìn)行仿真，例如局部的變形和應(yīng)力。RecurDyn求解器十分強(qiáng)大，由于其先進(jìn)的完全遞歸算法，速度比其他動力學(xué)求解器快2-20倍。RecurDyn軟件十分穩(wěn)定可靠，所要求提供的系統(tǒng)參數(shù)較少。采用了優(yōu)化設(shè)計的集礦車進(jìn)行了直線走和轉(zhuǎn)向的仿真，研究了作用在履帶上的襯套力，以探明履帶承受負(fù)載的本質(zhì)。仿真結(jié)果表明，同時驅(qū)動左右履帶得到相同的受力分布，右邊的履帶受力值略高于左邊履帶。當(dāng)在法向平面驅(qū)動時，左右