本發(fā)明涉及一種利用脈沖功率技術(shù)開采海底富鈷結(jié)殼的裝備，屬于深海采礦技術(shù)與裝備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著人類對礦產(chǎn)資源需求的增加以及陸地礦產(chǎn)資源的減少，海底礦產(chǎn)資源已經(jīng)被認(rèn)為未來礦產(chǎn)資源的主要來源，如海底富鈷結(jié)殼等。然而，海底富鈷結(jié)殼所處地理環(huán)境極其惡劣，如海底礦床深度深、光線暗、圍壓高以及洋流沖擊作用強等，給海底富鈷結(jié)殼的開采及運輸帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

從現(xiàn)有的資料來看，開采海底富鈷結(jié)殼較成熟的方法主要是機械力破碎，例如螺旋滾筒式切削、盤刀式扎削以及水射流切削等。機械力破碎方法利用破碎頭對富鈷結(jié)殼的沖擊和剪切作用產(chǎn)生應(yīng)力破壞，該方法有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)點。然而，機械力破碎方法也存在很多缺點，首先該方法開采效率非常底，通常不到20％；另外該方法開采的海底富鈷結(jié)殼由于混入較多的基巖，其貧化率較高；最后由于海底礦床表面復(fù)雜的環(huán)境和地形，進一步增加了相應(yīng)的機械裝備開采海底富鈷結(jié)殼的難度。

上世紀(jì)末，利用高壓脈沖在巖石內(nèi)部放電破碎巖石的技術(shù)由于其效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點，受到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。2013年國內(nèi)學(xué)者提出利用該技術(shù)開采海底富鈷結(jié)殼的方法以及相應(yīng)的裝備，該方法不僅能夠提高海底富鈷結(jié)殼的開采效率，也能降低其貧化率。但由于該裝備配置的破碎頭為同軸電極，因此破碎范圍僅僅為單個同軸電極中正、負(fù)電極之間的部分區(qū)域；另外整個破碎裝置沿用了傳統(tǒng)的機械力破碎裝置結(jié)構(gòu)，如履帶式行走等，因此同樣有其在海底礦床表面附著差和行走困難等缺點。為此，有必要從結(jié)構(gòu)設(shè)計上對上述采礦裝備進行改進，得到一種既能增加海底富鈷結(jié)殼的開采效率，又能克服海底礦床表面的復(fù)雜地形對采礦裝備的不利。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足和缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)合理、操作方便、開采海底富鈷結(jié)殼效率高，并且可在海底礦山附近自由移動的利用脈沖功率技術(shù)開采海底富鈷結(jié)殼的裝備。

為解決上述問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種利用脈沖功率技術(shù)開采海底富鈷結(jié)殼的裝備，包括懸浮艙(1)、脈沖功率電源、破碎頭(6)、機械手以及集礦管道(3)，其特征在于：所述破碎頭(6)與所述懸浮艙(1)通過所述機械手連接，所述破碎頭(6)一側(cè)設(shè)有脈沖電極，另一側(cè)安裝有集礦管道(3)，所述脈沖功率電源放置在所述懸浮艙(1)中；

本發(fā)明中，所述機械手包括旋轉(zhuǎn)臂(2)、搖臂(4)，所述搖臂(4)的一端與所述旋轉(zhuǎn)臂(2)的一端鉸接，另一端與破碎頭(6)鉸接；所述旋轉(zhuǎn)臂(2)的另一端與所述懸浮艙(1)鉸接，所述旋轉(zhuǎn)臂(2)可在與所述懸浮艙(1)鉸接點所處的水平面內(nèi)360°自由旋轉(zhuǎn)；所述搖臂(4)可在鉸接點所處的水平面的垂直方向作180°上下擺動；

在所述搖臂(4)與破碎頭(6)之間設(shè)有搖桿(5)，搖桿(5)與搖臂(4)及破碎頭(6)之間的連接為鉸接結(jié)構(gòu)；

本發(fā)明中，所述破碎頭(6)上設(shè)有正電極(9)和負(fù)電極(10)，所述正電極(9)、負(fù)電極(10)均勻分布、交叉排列；

所述正電極(9)、負(fù)電極(10)交叉排列、均勻分布在設(shè)于破碎頭(6)端面的正方形網(wǎng)格的交叉點；在正方形網(wǎng)格的每一個正方形中設(shè)有一個貫穿破碎頭(6)上下端面的通孔(11)；

本發(fā)明中，所述破碎頭(6)包括電極固定底座(8)、電極導(dǎo)向支座(14)、電極固定蓋板(7)；所述電極固定底座(8)、電極導(dǎo)向支座(14)、電極固定蓋板(7)從下至上依次疊置，在電極固定底座(8)的底面設(shè)有正方形網(wǎng)格，正電極(9)、負(fù)電極(10)交叉排列、均勻分布在設(shè)于電極固定底座(8)底面的正方形網(wǎng)格的交叉點；在正方形網(wǎng)格的每一個正方形中設(shè)有一個貫穿電極固定底座(8)、電極導(dǎo)向支座(14)、電極固定蓋板(7)上下端面的通孔(11)；

本發(fā)明中，在電極固定底座(8)底面設(shè)置的正方形網(wǎng)格的每一個交叉點，各設(shè)有一個軸線垂直于電極固定底座(8)上下端面的第一圓孔(15)，在電極導(dǎo)向支座(14)上設(shè)有與第一圓孔(15)對應(yīng)的第二圓孔(13)，正電極(9)、負(fù)電極(10)交叉排列設(shè)置在所述第一圓孔(15)、第二圓孔(13)中；一端延伸至電極固定底座(8)底面外，另一端通過設(shè)置于第二圓孔(13)中的彈簧(12)與電極固定蓋板(7)接觸實現(xiàn)軸向定位；

所述第二圓孔(13)的直徑比第一圓孔(15)的直徑大，在第二圓孔(13)與第一圓孔(15)接觸面形成一個定位臺階；

本發(fā)明中，正電極(9)、負(fù)電極(10)的一端為針電極(17)，另一端設(shè)有與第二圓孔(13)間隙配合的圓柱形導(dǎo)向滑塊(16)；導(dǎo)向滑塊(16)與第二圓孔(13)之間的間隙為1～2mm；所述電極導(dǎo)向圓柱形導(dǎo)向滑塊(16)沿軸向安裝在第二圓孔(13)內(nèi)；在滑塊(16)與電極固定蓋板(7)之間設(shè)有彈簧(12)；

本發(fā)明中，貫穿破碎頭(6)上下端面或貫穿電極固定底座(8)、電極導(dǎo)向支座(14)、電極固定蓋板(7)上下端面的通孔(11)的形狀選自多邊形、正多邊形、圓形、橢圓形中的至少一種；

所述脈沖功率電源用于向所述破碎頭上的正電極和負(fù)電極提供脈沖，并使其在富鈷結(jié)殼內(nèi)部放電破碎富鈷結(jié)殼；

所述懸浮艙用于將整個開采海底富鈷結(jié)殼的裝備懸浮在深海礦山附近，所述脈沖功率電源固定安裝在所述懸浮艙內(nèi)部；

所述集礦管道與破碎頭沿周向過盈配合，用于收集脈沖觸發(fā)后破碎頭破碎的富鈷結(jié)殼。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

本發(fā)明利用脈沖功率技術(shù)開采海底富鈷結(jié)殼的裝備，利用所述懸浮艙(1)使整個利用脈沖功率技術(shù)開采海底富鈷結(jié)殼的裝備懸浮在深海海底，克服了傳統(tǒng)采礦車需在海床附著以及行走的缺點，降低了開采海底富鈷結(jié)殼的難度。

其破碎頭采用等間隔呈正方形網(wǎng)格交叉分布的正負(fù)針電極，單個脈沖觸發(fā)后，任意一個正負(fù)針電極均有可能與其周圍任意異性電極之間形成強電場并在富鈷結(jié)殼內(nèi)部放電使其破碎，因此多個脈沖觸發(fā)后，破碎頭覆蓋的富鈷結(jié)殼均會發(fā)生破碎，其次正負(fù)電極可沿其軸向移動，以此來適應(yīng)海底礦山復(fù)雜的表面特征，而在此過程中，破碎的富鈷結(jié)殼不斷通過通孔(11)、集礦管道(3)運輸?shù)侥康牡?，從而提高了開采海底富鈷結(jié)殼的效率；另外根據(jù)脈沖功率技術(shù)開采海底富鈷結(jié)殼的特點，摒棄了傳統(tǒng)的需在海床上行走的機械采礦車，采用海底懸浮裝置，使其便于在開采過程中移動，進一步提高富鈷結(jié)殼的開采效率。

綜上所述，本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、操作方便、開采效率高，呈正方形交叉排列的正、負(fù)電極，任意正電極或負(fù)電極附近均有四個相同間距的異性電極，脈沖作用后，任意兩個異性電極之間形成強電場并破碎富鈷結(jié)殼，破碎的富鈷結(jié)殼通過集礦管道立即輸送到中間倉；正、負(fù)電極可沿破碎頭軸向移動，更好的適應(yīng)海底復(fù)雜的礦山地形；懸浮艙使整個設(shè)備懸浮在深海海底，便于在開采過程中移動，而破碎頭與懸浮艙之間通過機械手連接，通過控制可使破碎頭多自由度移動，使其進一步適應(yīng)海底復(fù)雜的礦山地形，進一步提高富鈷結(jié)殼的開采效率。適于工業(yè)化應(yīng)用。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明脈沖功率技術(shù)開采海底富鈷結(jié)殼裝備的整體三維結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2為附圖1的a-a面?zhèn)纫暯Y(jié)構(gòu)示意圖。

附圖3為本發(fā)明脈沖功率技術(shù)開采海底富鈷結(jié)殼裝備的破碎頭結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖4為附圖3的仰視圖。

附圖5為附圖3的主剖視圖。

附圖6為本發(fā)明中正電極和負(fù)電極結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：

1、懸浮艙；2、旋轉(zhuǎn)臂；3、集礦管道；4、搖臂；5、搖桿；6、破碎頭；7、電極固定蓋板；8、電極固定底座；9、正電極；10、負(fù)電極；11、通孔；12、彈簧；13、第二圓孔；14、電極導(dǎo)向支座；15、第一圓孔。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合說明書附圖和較佳的實施例對本發(fā)明做更全面、細(xì)致的描述，但本發(fā)明的保護范圍并不限于以下具體的實施例。

需要特別說明的是，當(dāng)某一元件被描述為“固定于、固接于、連接于或連通于”另一元件上時，它可以是直接固定、固接、連接或連通在另一元件上，也可以是通過其他中間連接件間接固定、固接、連接或連通在另一元件上。

除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術(shù)語與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業(yè)術(shù)語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明的保護范圍。

除非另有特別說明，本發(fā)明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設(shè)備等均可通過市場購買得到或者可用過現(xiàn)有方法制備得到。

實施例1

參見附圖1-6，本發(fā)明的一種利用脈沖功率技術(shù)開采海底富鈷結(jié)殼的裝備，包括懸浮艙(1)、脈沖功率電源、破碎頭(6)、機械手以及集礦管道(3)，其特征在于：所述破碎頭(6)與所述懸浮艙(1)通過所述機械手連接，所述破碎頭(6)一側(cè)設(shè)有脈沖電極，另一側(cè)安裝有集礦管道(3)，所述脈沖功率電源放置在所述懸浮艙(1)中；

所述機械手包括旋轉(zhuǎn)臂(2)、搖臂(4)，所述搖臂(4)的一端與所述旋轉(zhuǎn)臂(2)的一端鉸接，另一端與破碎頭(6)鉸接；所述旋轉(zhuǎn)臂(2)的另一端與所述懸浮艙(1)鉸接，所述旋轉(zhuǎn)臂(2)可在與所述懸浮艙(1)鉸接點所處的水平面內(nèi)360°自由旋轉(zhuǎn)；所述搖臂(4)可在鉸接點所處的水平面的垂直方向作180°上下擺動；

在所述搖臂(4)與破碎頭(6)之間設(shè)有搖桿(5)，搖桿(5)與搖臂(4)及破碎頭(6)之間的連接為鉸接結(jié)構(gòu)；

所述破碎頭(6)包括電極固定底座(8)、電極導(dǎo)向支座(14)、電極固定蓋板(7)；所述電極固定底座(8)、電極導(dǎo)向支座(14)、電極固定蓋板(7)從下至上依次疊置，在電極固定底座(8)的底面設(shè)有正方形網(wǎng)格，正電極(9)、負(fù)電極(10)交叉排列、均勻分布在設(shè)于電極固定底座(8)底面的正方形網(wǎng)格的交叉點；在正方形網(wǎng)格的每一個正方形中設(shè)有一個貫穿電極固定底座(8)、電極導(dǎo)向支座(14)、電極固定蓋板(7)上下端面的正方形通孔(11)；

在電極固定底座(8)底面設(shè)置的正方形網(wǎng)格的每一個交叉點，各設(shè)有一個軸線垂直于電極固定底座(8)上下端面的第一圓孔(15)，在電極導(dǎo)向支座(14)上設(shè)有與第一圓孔(15)對應(yīng)的第二圓孔(13)，正電極(9)、負(fù)電極(10)交叉排列設(shè)置在所述第一圓孔(15)、第二圓孔(13)中；一端延伸至電極固定底座(8)底面外，另一端通過設(shè)置于第二圓孔(13)中的彈簧(12)與電極固定蓋板(7)接觸實現(xiàn)軸向定位；

所述第二圓孔(13)的直徑比第一圓孔(15)的直徑大，在第二圓孔(13)與第一圓孔(15)接觸面形成一個定位臺階；

正電極(9)、負(fù)電極(10)的一端為針電極(17)，另一端設(shè)有與第二圓孔(13)間隙配合的圓柱形導(dǎo)向滑塊(16)；導(dǎo)向滑塊(16)與第二圓孔(13)之間的間隙為1～2mm；所述電極導(dǎo)向圓柱形導(dǎo)向滑塊(16)沿軸向安裝在第二圓孔(13)內(nèi)；在滑塊(16)與電極固定蓋板(7)之間設(shè)有彈簧(12)；

該開采裝備依靠懸浮艙1整體懸浮在深海海底富鈷結(jié)殼所在的礦山附近，破碎頭6用于破碎海底富鈷結(jié)殼，破碎頭6通過旋轉(zhuǎn)臂2、搖臂4以及搖桿5與懸浮艙1相連。單個脈沖作用后，采用集礦管道3將破碎頭破碎的富鈷結(jié)殼運輸?shù)街付ǖ攸c。

破碎頭6上安裝有正電極9和負(fù)電極10，正電極9和負(fù)電極10均為相同形狀和大小的針電極17，且在針電極17的另一端沿軸向固定連接圓柱形電極導(dǎo)向滑塊16。電極導(dǎo)向支座14呈圓柱形，在與其軸線垂直的平面內(nèi)設(shè)有相同大小和間隔的電極導(dǎo)向支座正方形通孔，在電極導(dǎo)向支座14的外圓周沿圓周方向設(shè)有相同大小和間距的電極導(dǎo)向支座弧形凸塊，其與電極固定底座8內(nèi)圓周上設(shè)置的弧形凹槽過盈配合，以使電極導(dǎo)向支座14安裝在電極固定支座8內(nèi)部，且使電極導(dǎo)向支座正方形通孔和電極固定支座正方形通孔對齊。同樣地，電極固定蓋板上設(shè)有弧形凸塊和電極固定底座內(nèi)圓周上的弧形凹槽過盈配合，以使電極導(dǎo)向支座14能夠安全的固定在電極固定底座8內(nèi)部，且使電極導(dǎo)向支座正方形通孔和電極固定蓋板正方形通孔對齊。在電極固定蓋板7與正電極9和負(fù)電極10的圓柱形電極導(dǎo)向滑塊16之間，安裝有彈簧12，在使用該裝備開采海底富鈷結(jié)殼時，由于富鈷結(jié)殼所在礦山表面地形復(fù)雜，并不平整，因此一定范圍內(nèi)，該彈簧12保證了正電極9和負(fù)電極10始終能夠與富鈷結(jié)殼所在礦山表面接觸并破碎富鈷結(jié)殼。

本實施例中，破碎頭6上安裝的正電極9和負(fù)電極10等間隔交叉排列，即任意一個正電極9附近擁有四個同等間距的負(fù)電極10，而任意一個負(fù)電極10附近同樣擁有四個同等間距的正電極9，該破碎頭共安裝有73個負(fù)電極，72個正電極。

本實施例中，破碎頭6通過機械手與懸浮艙1相連，機械手包括旋轉(zhuǎn)臂2、搖臂4和搖桿5，旋轉(zhuǎn)臂可在相對懸浮艙1水平面內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，而搖桿和搖臂通過鉸接與破碎頭相連，因此通過控制可使破碎頭更好地適應(yīng)海底富鈷結(jié)殼礦山表面的復(fù)雜環(huán)境。

本實施例中，單個脈沖作用后，采用集礦管道3收集破碎頭破碎的富鈷結(jié)殼，從而使正電極9和負(fù)電極10保持與待破碎的富鈷結(jié)殼接觸，并等待下一個脈沖作用后繼續(xù)破碎富鈷結(jié)殼。