陳秉正

(長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

0 前 言

廣袤的海洋蘊藏著豐富的礦產資源，它為人類提供了新的礦產資源供給渠道。然而由此獲取礦產資源，僅從深海多金屬結核開采的履帶行駛技術層面看，還面臨著眾多瓶頸問題。根據中國大洋 38航次（2017年蛟龍?zhí)栐囼炐詰煤酱危嵤┑?次蛟龍?zhí)栂聺撟鳂I(yè)和 16個站位的常規(guī)調查發(fā)現(xiàn)，千米級水深的多金屬結核礦區(qū)海底沉積物顆粒細，摩擦系數(shù)不足0.08，因此沉積物的剪切強度是決定采礦車履帶牽引力的關鍵因素。根據礦區(qū)試驗結果，當履帶壓陷深度為10～20 cm時，沉積物剪切強度約 3 kPa，且沉積物受到攪動后將流體化，剪切強度不超過原始強度的 1/3。稀軟底質下履帶行駛機構可行駛技術是履帶行駛機構研制的關鍵技術之一。

為加快突破關鍵技術，中國大洋礦產資源研究開發(fā)協(xié)會辦公室基于 20余年的研發(fā)基礎，在“十二五”期間通過立項，組織開展了一系列技術攻關工作?！懊嫦蚝Ｔ嚨亩嘟饘俳Y核集礦系統(tǒng)研制與集成”課題（課題編號 DY125－14－T－03）是其中的一項重要研究工作。為加強優(yōu)勢單位間的協(xié)作協(xié)同，該課題又分解為鯤龍?zhí)?00型履帶行駛機構（下簡稱履帶機構）研制與試驗研究等獨立研究課題。根據相關的合同、協(xié)議和要求，履帶機構應具有在3500 m深海環(huán)境中作業(yè)的能力，并能搭載采集等工作機構，它是鯤龍?zhí)?00型集礦作業(yè)車的重要組成部分。

1 履帶機構設計研究

根據不同的底質條件，水下履帶行駛機構的結構設計通常有3類。其一，中央鉸接式四履帶驅動結構；其二，兩輪一帶式（驅動輪，引導輪及履帶）雙履帶驅動結構；三是傳統(tǒng)的四輪一帶式（驅動輪，引導輪，支重輪，托輪及履帶）雙履帶驅動結構。

根據稀軟底質上作業(yè)的可靠性要求及對環(huán)境的適應性要求，鯤龍?zhí)?00型集礦作業(yè)車行進時應對海洋底部的生態(tài)環(huán)境影響小，履帶接地面積大，機構結構簡單、技術先進、維修方便、運轉可靠。據此，履帶機構的設計采用在前期工程試驗中得到了充分驗證的四輪一帶式雙履帶驅動結構（見圖1），并進行高履齒、大前角、輕量化的結構設計。通過減量化結構設計和輕質化材料選型，實現(xiàn)了履帶機構輕量化。

圖1 “鯤龍500”采礦車履帶行駛機構

結構設計減量化的技術措施主要是空窗化、適用化、集成化，即將履帶架結構設計成多窗格異形焊接件，最大限度地減少了實體材料；將托輪、支重輪的軸承結構設計為滑動軸承，較之滾動軸承重量顯著降低；選擇集成化的液壓雙速油馬達等外購零部件，使履帶機構的零部件既減量又減重。

在履帶機構的主要結構件材料選型上，首次采用鋁鎂合金輕質材料。鋁鎂合金具有比強度高、密度小、耐腐蝕、抗電磁干擾、電磁屏蔽性好等特點。選用鋁鎂合金材料可顯著提高履帶機構海底作業(yè)的適應性。

2 履帶架有限元分析

保證履帶架結構強度是履帶行駛機構輕量化設計的關鍵要素。本文以右履帶架為目標，基于 3倍安全系數(shù)條件，通過SolidWorks Simultion進行有限元力學分析。

2.1 模型構建

導入履帶架三維模型，輸入材質約束條件鋁鎂合金6061。以履帶架主梁下表面作為固定面，對履帶架進行網格劃分。對履帶架梁、連接法蘭螺栓孔、張緊油缸座及驅動輪U型板施加載荷，分別模擬上部履帶及托輪對履帶架的壓力F1=28000 N、連接法蘭受剪切力F2=7280 N、張緊油缸座受履帶張緊力F3=14000 N及驅動輪 U型板受履帶張緊力F4=14000 N（見圖2）。

圖2 右履帶架網格劃分及受力模擬圖

2.2 有限元仿真分析結果

仿真所得應力分布情況見圖 3，位移分布情況見圖 4，應變分布情況見圖 5。履帶架所受最大應力為 52.99 MPa，低于鋁鎂合金 6061的屈服強度62.05 MPa；最大位移為0.5936 mm；產生的最大應變?yōu)?6.629×10-4。仿真數(shù)據表明，履帶架強度校核安全。

圖3 應力分布情況

圖4 位移分布情況

圖5 應變分布情況

3 試驗研究

履帶機構試驗分實驗室、70 m級海試及500 m級海試3個階段進行。通過試驗室試驗，對影響履帶機構樣機在海底稀軟介質上行駛的各項因素進行分析，考核其功能指標和性能指標，并評估在海底稀軟介質上的行駛性能，進而進一步優(yōu)化履帶機構的設計。通過集礦作業(yè)車海試，考核履帶機構集成在不同深度海底作業(yè)的工程適用性、技術先進性，同時測試履帶機構樣機作為海底行駛裝備的通用平臺，其技術的可靠性、可擴展性、可移植性。

二是復雜的多變性。青年價值觀的多變性體現(xiàn)在三個方面：首先，同輩群體對青年價值取向的影響很大。青年往往喜歡和同伴們在價值取向上保持一致，從而忽略了個體的差異性以及價值觀念的合理性。其次，青年為了獲得他人的認同，樂于追求時髦的事物，有時甚至標新立異，借此來展現(xiàn)自己的與眾不同。再次，價值傾向易受到外部因素的影響，但是出于贏得他人認同而違背自身發(fā)展利益形成的價值取向必然不會持久。

3.1 試驗室試驗

試驗室試驗設計了3個環(huán)節(jié)，即臺架功能性試驗、砂地行駛性能聯(lián)調及水槽行駛性能測試。從2017年5月15日開始，經過近3個月的連續(xù)試驗并完善設計，樣機的各項試驗指標均達到了試驗要求。

3.1.1 臺架功能性試驗

試驗項目主要包括：一般性視覺檢查、行走履帶基本尺寸檢測、履帶機構樣機臺架上懸空原位正轉、反轉、運行平穩(wěn)性測試。經檢測，測試項目符合設計要求。

3.1.2 砂地行駛性能聯(lián)調試驗

（1）試驗環(huán)境設計構造。試驗區(qū)面積長18 m，寬12 m，有效行駛試驗區(qū)域長16 m，寬10 m。填砂范圍18000 mm×11865 mm，填砂高度400 mm，填砂量約84 m3；選用建筑用河砂（中砂）充填，堆積密度1400 kg/m3，安息角（干燥）30°；擋砂臨時隔墻高出砂面100 mm以上。

（2） 砂地行駛試驗情況。直行測試：承載2500 kg，有線遙控，速度0.1～1.0 m/s，前進后退10 m，最大滑轉率3.5%，馬達最大啟動壓力18 MPa，車轍直線最大偏差60 mm，雙側驅動動力30 kW，全程無過載；轉彎能力測試：承載 2500 kg，有線遙控，左側速度0.2 m/s，右側速度0.3 m/s，車轍內外側折算中心轉彎半徑平均5532 mm，最大6000 mm，最高轉彎行走壓力 16 MPa；越溝能力測試：承載2500 kg，有線遙控，砂溝深0.3 m，寬0.5 m，速度分別為0.3，0.4，0.5 m/s，越障均能平穩(wěn)通過，最高行走壓力18 MPa；爬坡能力測試：承載2500 kg，有線遙控，砂坡15°。速度分別為0.3，0.4，0.5 m/s，爬坡均能平穩(wěn)通過，最高行走壓力18 MPa。

經檢測，測試項目符合設計要求。

3.1.3 水槽行駛性能測試

（2）水槽行駛試驗情況。水密試驗測試：履帶機構樣機完全沒入水池24 h，經檢測液壓系統(tǒng)無油液滲漏情況；直線行駛測試：履帶機構分別以行進速度0.3，0.6，1.0 m/s在水槽中前進、后退。經測試，履帶機構行駛平穩(wěn)，行進中無異常聲響、目測行走無蛇形、沉陷、原地滑轉等現(xiàn)象。水下行駛時，馬達最高壓力為 12 MPa，最大驅動動力為30 kW。

經檢測，測試項目符合設計要求。

3.2 70 m級海試

履帶機構在通過單體測試后，與相關機構集成一體，形成鯤龍?zhí)?00型集礦作業(yè)車樣機。樣機經過充分的試驗室聯(lián)調后，于2018年5月1日至20日開展了淺海試驗。

（1）海試選址。試驗海區(qū)位于東海大陸架臺州沿海，海試區(qū)域水深約70 m，海底坡度≤1°。

長沙礦冶研究院有限責任公司組織“長和海洋號”在試驗水域進行了工作環(huán)境調查，探明了海底沉積物主要為含沙淤泥；其表層沉積物塊的抗剪強度（厚度在0～360 mm之間時），最小為2 kPa，最大15 kPa；平均抗剪強度隨深度不斷增加；表層沉積物的貫入阻力（厚度在0～360 mm之間時），最小為21 kPa，最大76 kPa，平均貫入阻力隨深度變化緩慢增加，但數(shù)值增加不大。

（2）試驗情況。試驗期間，履帶機構樣機完成了整體結構耐壓性能測試、密封性能測試、可行駛性（包括右側向行駛、轉向行駛、橫向行駛、轉向、折線行駛）測試、可靠性測試。

主要行駛參數(shù)測試結果：通過車載慣導和DVL組合導航測速裝置，分別測得3個測試段的最大行駛速度分別為1.31，1.25 m/s和1.08 m/s；規(guī)定行駛距離內集礦作業(yè)車的最大行駛偏差分別為+0.19，+0.72 m和-1.28 m，與之相應的平均偏差為0.08，0.31 m和0.31 m；集礦作業(yè)車海底連續(xù)無故障行駛行程為1145.39 m，累計水下作業(yè)時長8 h19 min；履帶機構無液壓泄漏；整體結構完好無損。

經淺海試驗，驗證了履帶機構性能可靠、技術先進。

3.3 500 m級海試

在淺海試驗基礎上，2018年6月6日至20日，履帶機構開展了500 m級海試。其中，履帶機構面臨的最大考驗是在受控狀態(tài)下，在海底定跡行駛繪制五角星圖形。

（1）海試選址。試驗區(qū)域位于南海某海域，長沙礦冶研究院有限責任公司委托相關單位調研資料顯示，海底沉積物主要以粘土質粉砂為主；表層沉積物的抗剪切強度最小為5.7 kPa，最大為12 kPa；表層沉積物貫入阻力最小為58.3 kPa，最大為67.2 kPa；貫入阻力和抗剪切強度在0～150 mm之間隨深度變化不斷增加，150～550 mm之間變化不大。

（2）試驗情況。試驗期間，履帶機構在最大水深514 m環(huán)境下，完成了整體結構耐壓性能測試、密封性能測試、可行駛性（包括右側向行駛、轉向行駛、橫向行駛、轉向、折線行駛）測試、可靠性測試。高質量全面完成主要考核指標，如履帶機構海底單次行駛最大距離 2881 m，水下作業(yè)時間 7 h56 min，著底作業(yè)時間5 h34 min，定位精度0.72 m等；履帶機構按規(guī)劃路徑在海底完成了單邊長度為120 m的“中國星”（見圖6）的繪制。

圖6 “中國星”軌跡

4 結 論

履帶行駛機構作為獨立的技術模塊，應用于鯤龍?zhí)?00型采礦作業(yè)車，成功地完成了500 m級海試，取得了以下成果：

在技術創(chuàng)新方面，通過優(yōu)化結構設計解決了履帶機構輕量化設計問題，為實現(xiàn)履帶機構提質減重奠定了基礎。試驗表明，將履帶架結構設計成多窗格異形焊接件，最大限度地減少了實體材料和重量，提高了材料利用率和樣機的使用性能；將履齒高度分別設計為80，100，120 mm 3種可互換的規(guī)格，可滿足履帶機構負重在不同稀軟底質上行駛要求；采用鋁鎂合金材料，顯著提高了履帶機構樣機海底作業(yè)的適應性。

在試驗研究方面，基于試驗室試驗的目的，通過因地制宜地構造不同的試驗環(huán)境，獲取了臺架試驗、砂地試驗、水槽試驗的試驗數(shù)據，為完善履帶機構設計提供了可靠地理論和實踐依據。各項試驗均取得了高效率、低成本、多產出的效果，其單體試驗和聯(lián)動試驗的方法可供相關試驗借鑒。在海試中，履帶機構作為集礦作業(yè)車的載體，經測試，其主要行駛性能指標優(yōu)于設計指標。如70 m級海試中，履帶機構海底最大行駛速度達到1.25 m/s，規(guī)定行駛距離內其最大行駛偏差為-1.28 m。

在海洋工程作業(yè)方面，通過參加70 m級、500 m級海試，加深了對海面作業(yè)的認識，增強了海上作業(yè)安全實操的能力,如掌握了參試設備的布放與回收、作業(yè)車的工作狀態(tài)控制、海洋氣候等海上環(huán)境變化應對等工程實操技術，進一步夯實了走向深海的基礎。