魯?shù)氯?丁忠軍 李德威 劉保華 楊 磊 任玉剛

國家深海基地管理中心，青島，266237

0 引言

海洋鈷結(jié)殼富含鈷且稀土元素總量很高，是極為重要的礦產(chǎn)資源。鈷結(jié)殼的原位取芯非常困難，目前世界上僅有少數(shù)國家掌握了鈷結(jié)殼原位取芯的技術(shù)[1-2]。國際上，美國的Alvin載人潛水器[3]、日本的Shenkai6500載人潛水器、俄羅斯的APTYC號深海運載器、法國的ST-Ⅰ號深海運載器、英國的CONSUB號深海運載器實現(xiàn)了海洋鈷結(jié)殼的取芯。

國內(nèi)對海洋鈷結(jié)殼取芯方面的研究起步較晚，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局開展了基于海馬號ROV鈷結(jié)殼取芯器的研究，并進行了深海原位取芯。在“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器研制過程中，有關(guān)研究人員開展了基于載人潛水器的鈷結(jié)殼取芯器的研究工作[4-7]。ZHAO等[4]研制了一種利用載人潛水器液壓源提供動力的鈷結(jié)殼取芯器，制作了一臺樣機并在實驗室中進行了鉆進試驗，結(jié)果表明取芯器的取芯效果較好；但該取芯器與“蛟龍?zhí)枴钡慕涌陔y以做到無錯匹配，且取芯器質(zhì)量很大，因而還需進一步對取芯器進行升級改造和優(yōu)化。

針對上述問題，筆者開展了對“蛟龍?zhí)枴扁捊Y(jié)殼取芯器的研究工作，研制了一種電力驅(qū)動的取芯器，取芯器由自帶的深海電池和深海電機驅(qū)動，可鉆取直徑16 mm、長度100 mm的鈷結(jié)殼巖芯；取芯器搭載于“蛟龍?zhí)枴辈蓸踊@上，由“蛟龍?zhí)枴钡臐摵絾T在載人艙內(nèi)通過2個機械手(包括七功能主從式機械手和七功能開關(guān)式機械手)進行取芯器的取芯操作。因上述取芯操作是面對面的實地操作，故極大提高了取芯的效率和成功率，且該取芯器在2016年大洋科考航次中成功實現(xiàn)了深海應(yīng)用。

1 工作要求及設(shè)計指標

1.1 工作要求

海洋鈷結(jié)殼主要分布在海洋800～3 000 m海山和海臺的頂部和斜面上，主要成分為皮殼狀鐵錳氧化物和氫氧化物。鈷結(jié)殼因富含鈷，故名富鈷結(jié)殼。鈷結(jié)殼表面呈腎狀、鮞狀或瘤狀，顏色為黑色或黑褐色，斷面構(gòu)造呈層紋狀或呈樹枝狀；鈷結(jié)殼厚一般為5～6 cm，厚者可達10～15 cm，賴以生長的基質(zhì)有玄武巖、玻質(zhì)碎屑玄武巖及蒙脫石巖[8-9]。

美國、日本等國均對鈷結(jié)殼的物理機械特性進行了研究分析。我國也曾在2002年4月在中國大洋協(xié)會的組織協(xié)調(diào)下，由長沙礦冶研究院和中南大學合作對中國大洋協(xié)會分發(fā)的深海鈷結(jié)殼樣品進行了詳細的物理力學性能測試。但因取樣地點、取樣方法及試驗方法的不同，各國所得到的數(shù)據(jù)差異較大。分析結(jié)果表明，鈷結(jié)殼的抗壓強度為8～30 MPa，抗拉強度為0.1～2.3 MPa；基巖的抗壓強度為2～40 MPa，抗拉強度為0.3～20 MPa。

基于深水鈷結(jié)殼的存在環(huán)境、物理特性和力學特性，鈷結(jié)殼取芯器需具備較為特殊的工作要求：取芯器由“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器搭載，下潛到鈷結(jié)殼礦區(qū)位置后，載人潛水器保持位置不動，由潛航員通過載人潛水器的機械手操作取芯器的定位及鉆取，且取芯器的鉆頭鉆進力、剪切力及巖芯拔斷力需按照鉆取6級巖石硬度來設(shè)計。

1.2 設(shè)計指標

“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器鈷結(jié)殼取芯器的技術(shù)指標包括：①最大工作水深為4 000 m；②取芯直徑為16 mm，取芯長度為100 mm;③巖芯硬度大于或等于6級(莫氏硬度)；④動力源為深水電池和深水電機，其中，深水電池功率為400 W，深水電機功率為300 W；⑤取芯器整機質(zhì)量小于40 kg。

2 結(jié)構(gòu)組成

“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的鈷結(jié)殼取芯器主要包括電池及控制系統(tǒng)艙、啟停觸發(fā)磁鐵、深水電機及軟軸傳動單元、變速箱、取芯鉆具及夾持手柄單元、鉆套、水密連接件和安裝托盤等單元，取芯器整體通過安裝托盤搭載在“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器采樣籃上，如圖1所示。

圖1 取芯器在“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的搭載位置Fig.1 The core sampler mounted on the “Jiao Long” manned submersible

2.1 深水電池系統(tǒng)

深水電池系統(tǒng)為取芯器自帶驅(qū)動能源，故取芯器不必依賴載人潛水器的能源，從而避免給載人潛水器帶來能源損耗及接口對接問題。整套系統(tǒng)安裝在一個高壓艙內(nèi)，由深水電池、直流電機驅(qū)動器、DC/DC(48V-24V)模塊、磁性開關(guān)及控制回路、電池固定支架等組成，采用磁性觸發(fā)方式實現(xiàn)電機啟停控制回路的開啟或關(guān)閉，如圖2所示。

(a)深水電池及深水電機

(b)深水電池的接口圖2 深水電池系統(tǒng)及其接口Fig.2 The deep-sea battery system and its connector

高壓艙端蓋上有3個水密接插件：三芯水密接插件為電源水密插頭，通過水密電纜(包括電源電纜和控制電纜)和深水電機電源插頭進行連接，以實現(xiàn)電機供電；五芯水密接插件為控制水密插頭，通過水密電纜和深水電機的控制插頭進行連接，以實現(xiàn)電機的啟?？刂?；兩芯水密接插件為充電水密插頭，通過水密電纜和充電器接頭進行連接，以實現(xiàn)電池艙的充電。

2.2 深水電機

深水電機部件由直流電機、耐壓殼體、補償膜片等組成，見圖3。直流電機的參數(shù)如下：功率為300 W，工作電壓為DC48 V，額定工作電流為8.4 A，扭矩為0.95 N·m。深水電機內(nèi)部空腔、軟軸保護套、變速箱內(nèi)部空腔互通，在深水電機的尾端安裝有補償膜片，補償膜片與變速箱的輸出軸及其密封圈將上述空腔封閉，并在連通的空腔內(nèi)部充滿硅油。硅油不僅可對運動部件起到潤滑作用，更重要的是還可通過補償膜片變形量的變化而調(diào)整鉆機殼體內(nèi)部與外界的深海水壓平衡，使整個深水電機可以承受40 MPa的外壓。

圖3 深水電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 The interior structure of the deep-sea motor

補償膜片由橡膠加工而成，具有一定的彈性，深水電機內(nèi)部充滿壓力為0.1～0.2 MPa的硅油后，補償膜片呈小幅外擴狀態(tài)。當深水電機進入海底后，海水壓力逐漸增大，向內(nèi)壓迫補償膜片，此時密閉空間內(nèi)的硅油受到壓縮，逐漸與外部海水達到壓力平衡，補償膜片形狀不再發(fā)生變化，補償膜片的前后狀態(tài)見圖4。

(a)無海水壓力時 (b)有海水壓力時圖4 補償膜片補償效果Fig.4 The compensation effect of the compensation diaphragm

2.3 傳動系統(tǒng)

圖5 傳動軟軸與變速箱Fig.5 The transmission flexible shaft and gearbox

取芯器的傳動系統(tǒng)包括傳動軟軸和變速箱，由傳動軟軸將深水電機的動力傳送至變速箱，變速箱的輸出端安裝有鉆進取芯系統(tǒng)，從而可為鉆進取芯系統(tǒng)提供動力。傳動軟軸為柔性連接傳動，當變速箱與深水電機的相對位置在一定范圍內(nèi)持續(xù)發(fā)生變動時，傳動軟軸仍然可以穩(wěn)定可靠地為變速箱傳輸動力，見圖5。其中，夾持手柄是根據(jù)“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的七功能主從式機械手的手爪制作而成的，手柄可以嵌在手爪的定位槽內(nèi)，以方便機械手的取放。

2.4 鉆進取芯系統(tǒng)

取芯器的鉆進取芯系統(tǒng)通過螺紋方式連接在變速箱的輸出端，由鉆筒、取芯頭和鉆刃組成,如圖6所示。取芯頭的底端鑲焊有鉆刃，頂端與鉆筒螺紋連接，鉆筒和取芯頭的內(nèi)部均呈中空狀，鉆筒的內(nèi)徑從下到上逐漸變大，可使鉆取的巖芯與鉆筒保持一定的間隙量，以便于后期從鉆筒中取芯。取芯頭的內(nèi)表面設(shè)有數(shù)個單向鎖緊塊，單向鎖緊塊的內(nèi)表面設(shè)有棘齒，單向鎖緊塊在取芯完成拔取鉆頭時可將巖芯抱緊，以使巖芯可順利從礦基中被拔出。

(a)正視圖 (b)剖視圖圖6 鉆進取芯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure of drilling coring system

鉆刃采用聚晶金剛石復(fù)合片(polycrystalline diamond compact，PDC)材料制成。PDC材料鉆刃由于具有金剛石耐磨層，因而硬度高，且比碳化鎢硬質(zhì)合金的耐磨性高100倍以上。PDC材料刀片具有自銳性：在微觀上，金剛石多晶層晶粒不斷剝落，新的鋒銳晶體不斷出露；在宏觀上，隨著金剛石層的不斷剝落，硬質(zhì)合金底層總是先出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致切削齒上形成一定的切削后角，從而保證了切削刃口的鋒利狀態(tài)。自銳性可表征出PDC材料刀片在工作過程中自動出刃的能力[10]。

3 工作性能參數(shù)試驗

3.1 剪切力

剪切斷巖芯必須滿足鉆機輸出的剪切應(yīng)力大于巖芯的抗剪切應(yīng)力。鉆機的剪切扭矩可表示為

(1)

式中，P為電機功率，kW；T為鉆機扭矩，N·m；n為鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min。

鉆頭的剪切應(yīng)力可表示為

(2)

(3)

式中，τ為鉆頭輸出的額定剪切應(yīng)力，Pa；d為巖芯直徑，m；D為鉆頭直徑，m；Wt為巖芯的抗扭截面模量，m3。

巖芯要被鉆頭剪斷，需滿足如下條件：

τ>[τ]

(4)

式中，[τ]為巖芯極限抗剪切強度。

3.2 鉆進力

鉆進力是鉆削工藝中一個非常重要的參數(shù)，較大的鉆進力可使鉆頭更易切削掉材料，從而提高工作效率，陸上同等直徑尺寸的巖芯鉆機鉆進力在2 000 ～5 000 N范圍內(nèi)，這主要是因為陸上鉆機具有結(jié)構(gòu)剛度高和驅(qū)動動力充足的優(yōu)勢。

為了節(jié)省載人潛水器的電池電力，在鉆進過程中通常不使用載人潛水器的推進力來提供鉆削的鉆進力，需要完全依靠載人潛水器在海底500～1 000 N的負浮力來提供鉆進力。且取芯器的鉆具系統(tǒng)通過載人潛水器的機械手進行操作，取芯器鉆進力的受力點在載人潛水器前方，從而導(dǎo)致較小的鉆進力被放大成對載人潛水器較大的傾覆力。根據(jù)鉆進過程中載人潛水器的受力情況及鉆進過程的穩(wěn)定性要求，鉆進力不能大于350 N。

取芯器的鉆進壓力僅為陸上鉆機鉆進壓力的1/10，故取芯器的鉆進壓力屬于微鉆壓，這種微鉆壓條件下的鉆進效率較低，且易磨損鉆頭。為了驗證微鉆壓條件下取芯器的取芯能力，進行了實驗室取芯試驗。以鈷結(jié)殼巖樣(6級巖石硬度)為試驗材料，搭建試驗平臺以控制鉆進力的大小，如圖7所示。本研究共進行5次鉆進試驗，平均鉆進力為286 N，平均鉆進時間為10 min，取芯長度為82～138 mm，基本滿足取芯要求。

圖7 微鉆壓鉆進試驗Fig.7 The test of the micropressure drilling

3.3 鉆頭轉(zhuǎn)速

鉆頭轉(zhuǎn)速是鉆削工藝中另一個非常重要的參數(shù)，在同等工況下，轉(zhuǎn)速越高，鉆進效率越高，則鉆進時間越短。但高轉(zhuǎn)速也會帶來取芯器鉆進功率的增大及鉆頭的磨損，因此需要選取合適的轉(zhuǎn)速來獲得最優(yōu)的取芯效果。

受到“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器攜帶質(zhì)量的限制，深水電機的功率只能設(shè)計到300 W的輸出，在電機功率的限制下，鉆頭的轉(zhuǎn)速不能超過300 r/min。通過實驗室的鉆進試驗驗證，當轉(zhuǎn)速為250 r/min、鉆進壓力為286 N時，在7 min的鉆進時間內(nèi)，可取得長度為138 mm的巖石樣品，并滿足水下取芯要求，試驗結(jié)果見表1。

表1 鉆進試驗結(jié)果

4 深海應(yīng)用

取芯器經(jīng)過鉆進試驗驗證后，在中國大洋37航次中搭載“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器進行了2個潛次的取芯作業(yè)，2次鉆進均用時20 min左右，并取得巖芯樣品數(shù)塊。在取芯過程中，深水電池系統(tǒng)和深水電機均固定在“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的采樣籃上，由“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的七功能主從式機械手將取芯器的變速箱及取芯系統(tǒng)從固定在采樣籃上的鉆套中取出，七功能開關(guān)式機械手啟動深水電機，進行巖芯取樣操作。同時，需操作七功能主從式機械手將鉆頭以一個略微傾斜的角度向待取樣巖石表面進行鉆進，使待取樣巖石表面出現(xiàn)鉆孔痕跡，再以這個鉆痕作為定位點，在鉆進的同時緩緩地將鉆頭轉(zhuǎn)至垂直位置，待鉆頭與取樣表面近似垂直后，逐漸加力(最大鉆進壓力約為300 N)鉆進，并逐漸進入正常鉆進狀態(tài)，直至鉆進結(jié)束。取芯器在水下的作業(yè)狀態(tài)見圖8。

圖8 取芯器水下作業(yè)圖Fig.8 The deep-sea work of the core sampler

5 結(jié)語

“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器鈷結(jié)殼取芯器通過2個潛次的水下作業(yè)獲得應(yīng)用驗證，應(yīng)用結(jié)果表明所設(shè)計的取芯器基本達到了設(shè)計要求，為海底鈷結(jié)殼的定點取芯提供了技術(shù)支持?！膀札?zhí)枴陛d人潛水器可在復(fù)雜的海底實現(xiàn)坐底及懸停作業(yè)，由此保證了取芯器可以到達幾乎所有的鈷結(jié)殼礦區(qū)完成取芯作業(yè)，從而可為大洋礦產(chǎn)的開發(fā)勘探提供全面可靠的樣品數(shù)據(jù)。