CN111810743A - 深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置及作业方法 - Google Patents

深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置及作业方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置及作业方法，对接装置主要由对接母头、锁止释放机构、对接公头组成，前后连接货舱矿浆管道与储矿中继站矿浆管道。喇叭口对接母头、锁止释放机构、中继站矿浆管一般安装在穿梭运矿潜水器货舱前端；对接公头、中继站矿浆管道安装在储矿中继站的矿浆输送机械臂前端。穿梭运矿潜水器坐底在储矿中继站对应位置时，储矿中继站的矿浆输送机械臂将对接公头***喇叭口对接母头，通过锁止释放机构实现对接公头与对接母头的限位、固定与密封，完成矿浆管道的对接，矿浆即可由储矿中继站输送至穿梭运矿潜水器的货舱。极大地提高了输送效率，具有拆卸操作方便，密封固定结构可靠性强的优点。

Description

深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置及作业方法
技术领域
本发明涉及深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置技术领域，尤其是一种深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置及作业方法。
背景技术
传统的深海采矿是通过采矿机器人采集矿物，由提升泵通过管道直接输送至水面母船，但这种方式面临的技术挑战较多，特别是来自于提升管道***的限制，如：采用多台矿浆泵对矿石与海水的混合流体接力输送，输送泵容易磨损破坏，使用寿命短，维修时会导致整个***停工，且不便于维修；矿浆提升泵的功率大，输送***复杂；整个输送***的管路在海水流作用下，母船运动作用下，会产生复杂载荷问题，使上端铰接的管路在采矿工作中摆动幅度很大，对海底中继站有很大影响；在母船遭遇恶劣海况情况，母船不能及时与管路***脱开，将对母船与海底采矿***带来极大的作业不安全性。
因此，采用提升穿梭运矿潜水器提升矿物是一种可行的采矿方向。专利CN100523434C“分散式深海局部试采矿***”，专利CN 106761762 A“一种间断式深海矿产资源开采***及开采方法”，专利CN 107120118 A“一种深海矿产资源开发***”采用提升潜水器穿梭于采矿潜水器和母船之间输送采集的矿物。这些专利的装置在实现矿浆由采矿单元输送至运矿单元时，无一例外的都需要一套水下矿浆输送管道对接装置。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一项深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置及作业方法，解决矿浆管道水下对接、固定限位、主动脱离、对接密封等难题。具体说是安装在海底储矿中继站与穿梭运矿潜水器上的深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置组件，通过该装置完成输矿管道的对接、固定、限位与密封，矿浆即可由储矿中继站输送至穿梭运矿潜水器的货舱。从而极大地提高对接件之间密封固定结构稳定性、输送效率以及拆卸操作的便利性。
本发明所采用的技术方案如下：
一种深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置，包括对接母头，对接母头外部连接有锁止释放机构，对接母头的后端插接有蘑菇头状对接公头，并通过所述锁止释放机构实现对接公头与对接母头的限位与固定，对接公头后端设有用于与中继站矿浆管道连接的连接段，对接母头前端设有用于与货舱矿浆管道连接的连接段；所述对接母头为中空回转体，包括依次设置的连接法兰、管道密封段、锁止机构安装段以及成喇叭口状的喇叭口导向段，锁止机构安装段外部连接有锁止机构安装底座及中继站连接底座，锁止机构安装底座上开有贯穿的矩形槽孔；
锁止释放机构设有至少两个，对称布置在锁止机构安装段，每个锁止释放机构结构为：包括锁止机构底座，其通过紧固件与锁止机构安装底座连接，锁止机构底座的顶端与一油缸缸体底端铰接，油缸缸体内的活塞杆端部连接一腰形槽滑块，其上开有滑槽，其内滑动连接一锁舌滑动轴销；锁止机构底座的底端通过锁舌转动轴销与锁舌一端铰接，锁舌另一端与所述锁舌滑动轴销连接；锁舌中部和锁止机构底座中部通过一复位弹簧连接，锁舌头部具有伸入所述矩形槽孔与其配合的尖端结构；对接公头为中空回转体，包括密封圈安装圆管段，密封圈安装圆管段的中部设有限位用直径增大的、呈锥形结构的蘑菇头圆管段，尾部设有法兰圆管段，对接公头***接母头内部过程中，蘑菇头圆管段撞击伸入矩形槽孔内所述锁舌的尖端结构，使其缩回，当对接公头***对接母头到底后，密封圈安装圆管段与管道密封段对接，同时锁舌在复位弹簧作用下复位。
其进一步技术方案为：
锁止机构底座成直角三角形，所述油缸缸体、锁舌分别位于三角形斜边所在的两个顶点位置处，所述复位弹簧两端分别连接导向杆、导向管的一端，导向杆、导向管的另一端分别通过导向杆轴销、导向管轴销与三角形斜边及锁舌的中部连接；所述锁舌的中部呈长杆状结构，其一端与所述锁舌滑动轴销铰接，另一端与一三角形板的中部连接，所述尖端结构位于三角形板的顶点位置。
蘑菇头圆管段的大径端位于靠近法兰圆管段的一端，且蘑菇头圆管段大径端的凸台限位面与锁舌的平面之间实现轴向限位。
密封圈安装圆管段外圆面上设置有两道密封圈槽，其内安装两道密封圈，当对接公头***对接母头到底后，密封圈与管道密封段接触实现密封，防止矿浆从对接机构溢出。
一种对接装置的作业方法，应用于基于穿梭运矿潜水器提升矿物的深海采矿***中，该***由水面母船、采矿潜水器、储矿中继站、穿梭运矿潜水器组成，储矿中继站上设有矿浆输送机械臂，其首端管道与对接公头连接，通过矿浆输送机械臂实现对接公头的轴向伸缩，
对接母头及锁止释放机构安装在穿梭运矿潜水器货舱前端，当穿梭运矿潜水器坐底在储矿中继站对应位置时，矿浆输送机械臂将对接公头一端***对接母头，并通过锁止释放机构实现对接公头与对接母头的限位与固定，完成矿浆管道的对接与密封，对接母头与锁止释放机构装配完成后，整体通过中继站连接底座固定在储矿中继站货舱前部，矿浆输送机械臂与对接公头脱开，对接公头通过法兰圆管段与中继站矿浆管道连接，连接法兰与货舱矿浆管道连接；矿浆即可由储矿中继站输送至穿梭运矿潜水器的货舱；
对接装置具有三个对接状态，其作业过程如下：
对接公头***对接母头状态：
矿浆输送机械臂驱动对接公头的轴向伸出，在喇叭口导向段的导向下进入锁止机构安装段段，此时对接公头的蘑菇头圆管段的圆锥斜面撞击锁舌，锁舌绕锁舌转动轴销转动，相应的活塞杆保持完全伸出状态，锁舌带动锁舌滑动轴销在腰形槽滑块的滑槽里滑移，并带动导向杆与导向管相对滑移压缩复位弹簧，提供锁舌复位力；
待对接公头***对接母头到底后，在复位弹簧回弹力作用下，锁舌复位，实现蘑菇头对接公头与对接母头的限位与固定，实现对接；
对接公头与对接母头对接完成的状态：
密封圈与对接母头的管道密封段接触实现密封，防止矿浆从对接机构溢出，蘑菇头圆管段的凸台限位面与锁舌的平面之间实现轴向限位；
矿浆输送完成后：
对接公头与中继站矿浆管道连接脱离，锁止释放机构的活塞杆缩回，带动锁舌绕锁舌转动轴销向外转动，对接公头由矿浆输送机械臂拔出对接母头收回，完成脱离。
本发明的有益效果如下：
本发明专利提出一套可完成矿浆管道的对接与密封的装置，解决矿浆管道水下对接、固定限位、主动脱离、对接密封等难题，实现深海采矿过程中矿浆由不同载体之间的管道传输，极大地提高了输送效率，具有拆卸操作方便，密封固定结构可靠性强的优点。本发明还具有如下优点：
本发明锁舌能在蘑菇头对接公头撞击下，自动转动缩回，待蘑菇头对接公头插到底后，在复位弹簧作用下锁舌自动弹回，卡住蘑菇头对接公头防止其退出喇叭口对接母头，实现轴向限位与固定。
本发明蘑菇头圆管段的圆锥面主要起吊撞击锁舌导向作用，保证锁舌转动缩回，其后的限位凸台平面主要是与锁舌平面接触实现轴向卡位。其后的限位凸台平面主要是与锁舌平面接触实现轴向限位，操作简单，拆卸方便。
本发明密封圈安装圆管段安装两道密封圈，当蘑菇头对接公头***喇叭口对接母头到底后，密封圈与喇叭口对接母头的管道密封段接触实现密封，防止矿浆从对接机构溢出。矿浆输送完成后，通过锁止机构油缸拉回锁舌，蘑菇头对接公头即可退出喇叭口对接母头。
对接母头与中继站矿浆管道、货舱矿浆管道连接，顺利实现矿浆由中继站输送至穿梭运矿潜水器的货舱，效率高，适用性强。
附图说明
图1为本发明对接装置的结构示意图。
图2为本发明对接装置的典型应用场景示意图。
图3为图2中A部放大图。
图4为本发明对接母头的结构示意图。
图5为本发明锁止释放机构的结构示意图。
图6为本发明对接公头的结构示意图。
图7为本发明对接公头***对接母头的过程示意图。
图8为本发明对接装置对接完成状态示意图。
图9为本发明对接公头脱开对接母头的过程示意图。
其中：1、对接母头；2、锁止释放机构；3、对接公头；4、货舱矿浆管道；5、中继站矿浆管道；101、水面母船；102、采矿潜水器；103、储矿中继站；104、穿梭运矿潜水器；103a、矿浆输送机械臂；1a、管道密封段；1b、锁止机构安装段；1c、喇叭口导向段；1g、连接法兰；1f、锁止机构安装底座；1e、中继站连接底座；2a、锁止机构底座；2b、锁舌；2c、油缸缸体；2d、油缸活塞杆；2e、腰形槽滑块；2f、滑槽；2g、锁舌滑动轴销；2h、锁舌转动轴销；2i、导向杆；2j、导向管；2k、复位弹簧；2m、导向管轴销；2n、导向杆轴销；3a、密封圈安装圆管段；3b、蘑菇头圆管段；3c、凸台限位面；3d、法兰圆管段；3e、密封圈。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例的深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置，包括对接母头1，对接母头1外部连接有锁止释放机构2，对接母头1的后端插接有蘑菇头状对接公头3，并通过锁止释放机构2实现对接公头3与对接母头1的限位与固定，对接公头3后端设有用于与中继站矿浆管道5连接的连接段，对接母头1前端设有用于与货舱矿浆管道4连接的连接段；
如图4-图6所示，对接母头1为中空回转体，包括依次设置的连接法兰1g、管道密封段1a、锁止机构安装段1b以及成喇叭口状的喇叭口导向段1c，锁止机构安装段1b外部连接有锁止机构安装底座1f及中继站连接底座1e，锁止机构安装底座1f上开有贯穿的矩形槽孔1d；
锁止释放机构2设有至少两个，对称布置在锁止机构安装段1b，每个锁止释放机构2结构为：包括锁止机构底座2a，其通过紧固件与锁止机构安装底座1f连接，锁止机构底座2a的顶端与一油缸缸体2c底端铰接，油缸缸体2c内的活塞杆2d端部连接一腰形槽滑块2e，其上开有滑槽2f，其内滑动连接一锁舌滑动轴销2g；锁止机构底座2a的底端通过锁舌转动轴销2h与锁舌2b一端铰接，锁舌2b另一端与锁舌滑动轴销2g连接；锁舌2b中部和锁止机构底座2a中部通过一复位弹簧2k连接，锁舌2b头部具有伸入矩形槽孔1d与其配合的尖端结构；对接公头3为中空回转体，包括密封圈安装圆管段3a，密封圈安装圆管段3a的中部设有限位用直径增大的、呈锥形结构的蘑菇头圆管段3b，尾部设有法兰圆管段3d，对接公头3***接母头1内部过程中，蘑菇头圆管段3b撞击伸入矩形槽孔1d内锁舌2b的尖端结构，使其缩回，当对接公头3***对接母头1到底后，密封圈安装圆管段3a与管道密封段1a对接，同时锁舌2b在复位弹簧2k作用下复位。
锁止机构底座2a成直角三角形，油缸缸体2c、锁舌2b分别位于三角形斜边所在的两个顶点位置处，复位弹簧2k两端分别连接导向杆2i、导向管2j的一端，导向杆2i、导向管2j的另一端分别通过导向杆轴销2n、导向管轴销2m与三角形斜边及锁舌2b的中部连接；锁舌2b的中部呈长杆状结构，其一端与锁舌滑动轴销2g铰接，另一端与一三角形板的中部连接，尖端结构位于三角形板的顶点位置。
蘑菇头圆管段3b的大径端位于靠近法兰圆管段3d的一端，且蘑菇头圆管段3b大径端的凸台限位面3c与锁舌2b的平面之间实现轴向限位。
密封圈安装圆管段3a外圆面上设置有两道密封圈槽，其内安装两道密封圈3e，当对接公头3***对接母头1到底后，密封圈3e与管道密封段1a接触实现密封，防止矿浆从对接机构溢出。
如图2和图3所示，对接装置应用于基于穿梭运矿潜水器提升矿物的深海采矿***中，该***由水面母船101、采矿潜水器102、储矿中继站103、穿梭运矿潜水器104组成，储矿中继站103上设有矿浆输送机械臂103a，其首端管道与对接公头3连接，通过矿浆输送机械臂103a实现对接公头3的轴向伸缩；
对接母头1及锁止释放机构2安装在穿梭运矿潜水器104货舱前端，当穿梭运矿潜水器104坐底在储矿中继站103对应位置时，矿浆输送机械臂103a将对接公头3一端***对接母头1，并通过锁止释放机构2实现对接公头3与对接母头1的限位与固定，完成矿浆管道的对接与密封，对接母头1与锁止释放机构2装配完成后，整体通过中继站连接底座1e固定在储矿中继站103货舱前部，矿浆输送机械臂103a与对接公头3脱开，对接公头3通过法兰圆管段3d与中继站矿浆管道5连接，连接法兰1g与货舱矿浆管道4连接；矿浆即可由储矿中继站103输送至穿梭运矿潜水器104的货舱；
对接装置具有三个对接状态，其作业过程如下：
如图7所示，对接公头3***对接母头1状态：
矿浆输送机械臂103a驱动对接公头3的轴向伸出，在喇叭口导向段1c的导向下进入锁止机构安装段1b段，此时对接公头3的蘑菇头圆管段3b的圆锥斜面撞击锁舌2b，锁舌2b绕锁舌转动轴销2h转动，相应的活塞杆2d保持完全伸出状态，锁舌2b带动锁舌滑动轴销2g在腰形槽滑块2e的滑槽2f里滑移，并带动导向杆2i与导向管2j相对滑移压缩复位弹簧2k，提供锁舌2b复位力；
待对接公头3***对接母头1到底后，在复位弹簧2k回弹力作用下，锁舌2b复位，实现蘑菇头对接公头3与对接母头1的限位与固定，实现对接；
如图8所示，对接公头3与对接母头1对接完成的状态：
密封圈3e与对接母头1的管道密封段1a接触实现密封，防止矿浆从对接机构溢出，蘑菇头圆管段3b的凸台限位面3c与锁舌2b的平面之间实现轴向限位；
如图9所示，矿浆输送完成后：
对接公头3与中继站矿浆管道5连接脱离，锁止释放机构2的活塞杆2d缩回，带动锁舌2b绕锁舌转动轴销2h向外转动，对接公头3由矿浆输送机械臂103a拔出对接母头1收回，完成脱离。
本发明蘑菇头圆管段3b的圆锥面主要起到撞击锁舌导向作用，保证锁舌2b转动缩回，其后的限位凸台平面3c主要是与锁舌平面接触实现轴向限位。法兰圆管段3d的法兰与中继站矿浆管道5连接安装。
本发明提供的深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置及作业方法，当穿梭运矿器坐底在储矿中继站对应位置时，储矿中继站的矿浆输送机械臂将蘑菇头对接公头***喇叭口对接母头，并通过锁止释放机构实现蘑菇头对接公头与喇叭口对接母头的限位、固定与密封，可完成矿浆管道的对接与密封的装置，解决矿浆管道水下对接、固定限位、主动脱离、对接密封等难题，实现深海采矿过程中矿浆由不同载体之间的管道传输。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (5)

1.一种深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置，其特征在于：包括对接母头(1)，对接母头(1)外部连接有锁止释放机构(2)，对接母头(1)的后端插接有蘑菇头状对接公头(3)，并通过所述锁止释放机构(2)实现对接公头(3)与对接母头(1)的限位与固定，对接公头(3)后端设有用于与中继站矿浆管道(5)连接的连接段，对接母头(1)前端设有用于与货舱矿浆管道(4)连接的连接段；
所述对接母头(1)为中空回转体，包括依次设置的连接法兰(1g)、管道密封段(1a)、锁止机构安装段(1b)以及成喇叭口状的喇叭口导向段(1c)，锁止机构安装段(1b)外部连接有锁止机构安装底座(1f)及中继站连接底座(1e)，锁止机构安装底座(1f)上开有贯穿的矩形槽孔(1d)；
锁止释放机构(2)设有至少两个，对称布置在锁止机构安装段(1b)，每个锁止释放机构(2)结构为：包括锁止机构底座(2a)，其通过紧固件与锁止机构安装底座(1f)连接，锁止机构底座(2a)的顶端与一油缸缸体(2c)底端铰接，油缸缸体(2c)内的活塞杆(2d)端部连接一腰形槽滑块(2e)，其上开有滑槽(2f)，其内滑动连接一锁舌滑动轴销(2g)；锁止机构底座(2a)的底端通过锁舌转动轴销(2h)与锁舌(2b)一端铰接，锁舌(2b)另一端与所述锁舌滑动轴销(2g)连接；锁舌(2b)中部和锁止机构底座(2a)中部通过一复位弹簧(2k)连接，锁舌(2b)头部具有伸入所述矩形槽孔(1d)与其配合的尖端结构；
对接公头(3)为中空回转体，包括密封圈安装圆管段(3a)，密封圈安装圆管段(3a)的中部设有限位用直径增大的、呈锥形结构的蘑菇头圆管段(3b)，尾部设有法兰圆管段(3d)，对接公头(3)***接母头(1)内部过程中，蘑菇头圆管段(3b)撞击伸入矩形槽孔(1d)内所述锁舌(2b)的尖端结构，使其缩回，当对接公头(3)***对接母头(1)到底后，密封圈安装圆管段(3a)与管道密封段(1a)对接，同时锁舌(2b)在复位弹簧(2k)作用下复位。
2.如权利要求1所述的深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置，其特征在于：锁止机构底座(2a)成直角三角形，所述油缸缸体(2c)、锁舌(2b)分别位于三角形斜边所在的两个顶点位置处，所述复位弹簧(2k)两端分别连接导向杆(2i)、导向管(2j)的一端，导向杆(2i)、导向管(2j)的另一端分别通过导向杆轴销(2n)、导向管轴销(2m)与三角形斜边及锁舌(2b)的中部连接；所述锁舌(2b)的中部呈长杆状结构，其一端与所述锁舌滑动轴销(2g)铰接，另一端与一三角形板的中部连接，所述尖端结构位于三角形板的顶点位置。
3.如权利要求1所述的深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置，其特征在于：蘑菇头圆管段(3b)的大径端位于靠近法兰圆管段(3d)的一端，且蘑菇头圆管段(3b)大径端的凸台限位面(3c)与锁舌(2b)的平面之间实现轴向限位。
4.如权利要求1所述的深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置，其特征在于：密封圈安装圆管段(3a)外圆面上设置有两道密封圈槽，其内安装两道密封圈(3e)，当对接公头(3)***对接母头(1)到底后，密封圈(3e)与管道密封段(1a)接触实现密封，防止矿浆从对接机构溢出。
5.利用如权利要求1-4之一所述的深海采矿用水下矿浆输送管道对接装置的作业方法，对接装置应用于基于穿梭运矿潜水器提升矿物的深海采矿***中，该***由水面母船(101)、采矿潜水器(102)、储矿中继站(103)、穿梭运矿潜水器(104)组成，储矿中继站(103)上设有矿浆输送机械臂(103a)，其首端管道与对接公头(3)连接，通过矿浆输送机械臂(103a)实现对接公头(3)的轴向伸缩，其特征在于：
对接母头(1)及锁止释放机构(2)安装在穿梭运矿潜水器(104)货舱前端，当穿梭运矿潜水器(104)坐底在储矿中继站(103)对应位置时，矿浆输送机械臂(103a)将对接公头(3)一端***对接母头(1)，并通过锁止释放机构(2)实现对接公头(3)与对接母头(1)的限位与固定，完成矿浆管道的对接与密封，对接母头(1)与锁止释放机构(2)装配完成后，整体通过中继站连接底座(1e)固定在储矿中继站(103)货舱前部，矿浆输送机械臂(103a)与对接公头(3)脱开，对接公头(3)通过法兰圆管段(3d)与中继站矿浆管道(5)连接，连接法兰(1g)与货舱矿浆管道(4)连接；矿浆即可由储矿中继站(103)输送至穿梭运矿潜水器(104)的货舱；
对接装置具有三个对接状态，其作业过程如下：
对接公头(3)***对接母头(1)状态：
矿浆输送机械臂(103a)驱动对接公头(3)的轴向伸出，在喇叭口导向段(1c)的导向下进入锁止机构安装段(1b)段，此时对接公头(3)的蘑菇头圆管段(3b)的圆锥斜面撞击锁舌(2b)，锁舌(2b)绕锁舌转动轴销(2h)转动，相应的活塞杆(2d)保持完全伸出状态，锁舌(2b)带动锁舌滑动轴销(2g)在腰形槽滑块(2e)的滑槽(2f)里滑移，并带动导向杆(2i)与导向管(2j)相对滑移压缩复位弹簧(2k)，提供锁舌(2b)复位力；
待对接公头(3)***对接母头(1)到底后，在复位弹簧(2k)回弹力作用下，锁舌(2b)复位，实现蘑菇头对接公头(3)与对接母头(1)的限位与固定，实现对接；
对接公头(3)与对接母头(1)对接完成的状态：
密封圈(3e)与对接母头(1)的管道密封段(1a)接触实现密封，防止矿浆从对接机构溢出，蘑菇头圆管段(3b)的凸台限位面(3c)与锁舌(2b)的平面之间实现轴向限位；
矿浆输送完成后：
对接公头(3)与中继站矿浆管道(5)连接脱离，锁止释放机构(2)的活塞杆(2d)缩回，带动锁舌(2b)绕锁舌转动轴销(2h)向外转动，对接公头(3)由矿浆输送机械臂(103a)拔出对接母头(1)收回，完成脱离。
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