履带板_齿间黏附底质对集矿机附着性能的影响

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农业工程学报
2010 年
稀软底质在接地段、驱动轮包覆段、悬垂段、链轮包覆 段依次分布，其黏附量逐渐减少。 集矿机于 2001 年在云南抚仙湖进行了湖试，试验结 果显示，整机性能达到了预期效果，但履带板、齿间黏 附有部分湖底的稀软底质。如图 2 所示，集矿机吊起后， 上部履带板、齿间黏附着大量的稀软底质，下部履带板、 齿间黏附的稀软底质可能在起吊过程中脱落。
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引
言
伴随着现代工业的迅猛发展，金属矿产资源数量消 耗量与日俱增，为应对地球陆地金属矿产资源枯竭的资 源危机，上世纪中叶，世界各国先后开展了海洋矿产资 源的开发利用研究[1]。 在中国大洋协会的组织下，通过实施深海多金属结 核开采系统研究“八五” 、 “九五”2 个 5 年计划，我国完 成了深海多金属结核中试采矿系统的技术设计，于 2002 年成功进行了采集系统的深水试验[2-4]。试验发现，集矿 机的行走履带黏附有大量的稀软底质，降低了集矿机的 履齿的有限剪切高度，影响了集矿机在稀软湖底的牵引 性能。 Xiu Lun Wang[5]等理论分析了履带车辆产生最大推 力和牵引力时的履带板厚度与履带板宽度比以及履齿的 高度。Marek M.Poncyliuse[6]究了履齿参数、滑转率等对 履带车辆的牵引力的影响。Z. Asaf 等[7]并计算了不同接 地压力下不同履齿高度采用 DEM、McKyes 和 Beker 等 不同模型下的牵引力。宁素俭[8]研究了长度、履齿高度对 牵引力的影响。 曹光民等[9]研究了齿高及数量对工程机械 牵引附着性能。 本论文在对中试采矿系统的集矿子系统进行了改进 与完善取得的成果的基础上，针对集矿机在稀软底质上
第 10 期
吴鸿云等：履带板、齿间黏附底质对集矿机附着性能的影响
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根据稀软底质的粒级分布，稀软底质的黏粒含量多， 粒级小， 90%以上的稀软底质小于 0.063 mm 粒级， 50.6% 以上的稀软底质则小于 0.004 mm 的粒级；稀软底质表层 主要由蒙脱石和高岭石组成，蒙脱石的含量自上往下呈 增加的趋势，蒙脱石的平均质量分数为 44.2%～52.7%， 高岭石平均质量分数在 6.7%～8.6%之间；稀软底质长期 浸泡在碱性海水中，稀软底质内的孔隙水即为海水，偏 碱性，其 pH 值大于 7；稀软底质的含水率自上而下逐渐 降低，表层含水率极高，呈流状，与履带板、履齿的黏 附性能差，履带板压陷表层底质，底质沿履齿内表面向 两侧流出，履带板继续压陷，下层底质含水率低，呈塑 性，履带板压陷深层底质，底质颗粒压实，挤压排水， 含水率继续降低；底质表层随深度的增加含水率、体积 质量减小；集矿机作业过程中，底质的表层多次被扰动。 上述因素加速了履带板、齿与底质的黏附。 2）履带板、齿表面特征 履带板采用一次成形加工而成，表面粗糙度为 12.5， 履齿为 1Cr13，表面粗糙度为 6.3，与底质的黏附力大。 3）外力 外力主要有正压力、施压时间以及施力速度等。 集矿机行驶过程中，底质所受的正压力包括履带板 压陷和履齿剪切产生的正压力，履带板受支重轮的多次 冲击而压陷底质，履齿在剪切并压缩底质的过程中，导 致底质受到的正应力增加；集矿机行驶过程中，履带板 受支重轮的多次冲击而压陷底质，履齿在剪切并压缩底 质的过程中，底质缓慢压缩而使黏附力增加；集矿机在 作业过程中，低速行驶，集矿机滑转，实际的行驶速度 低于理论行驶速度，履带板、齿从引导轮进入接地段与 底质接触到被驱动轮卷离底质的过程中，底质长时间与 履带板、齿作用，加速了底质在履带板、齿之间的黏附。 1.3 履带板、齿与稀软底质的黏附过程 如图 1 所示，集矿机采用驱动轮后置，行走时履带 板在链轮作用下驱动履带链带动履齿剪切底质。取第 i、 i+1 块履带板、齿为研究对象。 进入阶段：第 i+1、i 块履带板依次从引导轮前端进 入接地区段，集矿机重力通过支重轮经履带链作用于履 带板，履带板受载压陷底质，履齿开始剪切底质。 填充阶段：第 i+1、i 块履带板与对应履齿组成体积 空间，履带板在压陷过程中，表层稀软底质因其低黏性 和易流动等特性，沿第 i+1、i 块履齿内表面快速向两侧 流动，产生排土现象；履带板继续下陷，底质黏性增加， 流动性降低，底质的孔粒间相互挤压，孔隙间的水挤出， 底质的含水率降低，作用于履带板、履齿的正压力加大， 底质开始黏附于第 i+1、i 块履带板与第 i+1、i 块履齿内 侧，该体积空间内充满底质。 压实阶段：前进过程中，齿间黏附的底质受下层底 质的剪切和集矿机机体引起履带链的振动而部分脱落， 但在整个行驶过程中，齿间黏附的底质在集矿机支重轮 的多次加载下，整体呈愈压愈实的趋势，底质作用于履 带板和履齿的压力加大。根据土壤黏附力的概念，底质 与履带板和履齿的黏附力达到最大。 如图 1 所示的 a 位置。
2.2 集矿机在稀软底质上的附着力 设履带接地区段在地面上所承受的牵引力为 F， 根据 图 4 可以建立单履带产生的牵引力方程 F = FT + FQ （3） 式中，FT 为履带接地区段与地面之间的摩擦力，kN；FQ 为土壤对嵌入地面内的履齿所作用的水平反作用力， kN。 摩擦力的极限值计算式为 FTmax = u0G/2 （4） 式中，u0 为履带板与地面之间的摩擦系数；G 为履带车 辆重力，kN。
1.1 土壤与非土壤材料的黏附力行为 土壤黏附是土壤与各种非土壤材料的黏附行为，反 映了土壤的力学性质，是一种界面现象，发生在土壤与 非土壤固体材料的接触界面。根据土壤的力学性质，土 壤黏附分为 2 种形式：正向黏附和切向黏附。 土壤在其他材料上黏附能力的高低，通常由黏附力 测量。土壤黏附力又称黏着力或外附力，是指土壤与其 他物体表面间的作用力，这种作用力可以是在土壤与物 体问加压之后产生，也可以是不加压就存在。 当土壤与非土壤固体材料发生相对滑动时，土壤对 非土壤固体材料表面沿运动方向的黏附阻力，称为土壤 的切向黏附力。当土壤与非土壤固体材料紧密接触时， 在工作接触界面投影面的垂直方向的抗拉强度，或单位 面积的拉脱力，称为土壤的法向黏附力。土壤对地面机 械行走装置触土部件的黏附，基本上属于法向黏附 力[10-11]。 1.2 履带板、履齿与深海稀软底质的黏附影响因素 影响稀软底质黏附于履带板、齿间的因素有很多， 主要包括稀软底质的物理特性、履带板、齿表面性质和 外界条件，将促进稀软底质在履带板、齿间的黏附。 1）稀软底质的物理特性[12-14] 主要指稀软底质的黏粒含量、矿物构成、含水率、 溶液性质、体积质量以及表面形态等。
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第 26 卷 2010 年
第 10 期 10 月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the CSAE
Vol.26 No.10 Oct. 2010
履带板、齿间黏附底质对集矿机附着性能的影响
吴鸿云1,2，陈新明2，刘少军1，高宇清2，陈秉正2
（1．中南大学机电学院，长沙 410083； 2．长沙矿山研究院，长沙 410012） 摘 要：为优化设计集矿机的机构，分析了行走履带板、齿间黏附稀软底质对集矿机附着性能的影响。该文分析了集矿 机的履带板、齿与稀软底质的黏附，通过建立集矿机在稀软底质上的附着力数学模型，理论研究稀软底质的物理力学参 数和集矿机结构参数对其附着性能的影响。稀软底质的物理力学特性和履带板、齿材料特性等因素影响了底质的黏附， 稀软底质在链环上依次分布沿前进方向逐渐减少，黏附底质使集矿机的附加重量和接地压力约增加 25%。集矿机的附着 力由内聚作用力、驱动力、摩擦阻力和内摩擦作用力等组成，前二者分别约占附着力的 40.6%和 33.8%，内摩擦作用力 和摩擦阻力可忽略。履齿的有效剪切高度降低，大大降低了集矿机的附着力，集矿机的齿高应设计为 15 cm。履带板、 齿间黏附底质降低了集矿机的附着性能。 关键词：工程装备，黏附，行驶，阻力，集矿机，稀软底质 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.10.023 中图分类号：TH12，TD98 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2010)-10-0140-06 吴鸿云，陈新明，刘少军，等. 履带板、齿间黏附底质对集矿机附着性能的影响[J]. 农业工程学报，2010，26(10)：140 －145. Wu Hongyun, Chen Xinming, Liu Shaojun, et al. Influence of soft sediment adhered to track on adhesion performance of seabed track vehicle[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(10): 140－145. (in Chinese with English abstract)
收稿日期：2010-05-20 修订日期：2010-06-08
行驶过程中出现的滑转沉陷问题，理论研究集矿机在稀 软底质上的牵引性能，进而为研制适用于深海环境带板、齿与稀软底质的黏附机理
基金项目：中国大洋协会深海资源勘查技术子项目（DYXM-115-04-02-03） 作者简介：吴鸿云（1976－） ，男，湖北洪湖人，博士生，机械工程专业， 主要从事深海设备的研究与开发。长沙 长沙矿山研究院海洋所，410012， Email:why@
1.悬垂段 2.接地段 3.包覆段 注：v 为集矿机的行驶速度，m/s；i 为第 i 履带板
Fig.1
图 1 履带板、齿与底质的黏附机理原理示意图 Adhesion principle sketch of sediments between track plate and shoe
离心阶段：当第 i+1、i 块履带板相继脱离接地段开 始包覆驱动轮时，履带板对底质的作用力逐渐消失，底 质作用于第 i+1 块履齿的正压力逐渐减弱直至为 0，在惯 性力作用下，履带板、齿刮起底质，底质黏附于第 i+1、 i 块履带板与第 i+1、i 块履齿内，底质在重力作用下，部 分作用于第 i 块履齿内侧， 齿间黏附的底质受驱动轮离心 作用，呈外甩趋势，当履带板运动到如图 1 所示的 b 位 置时，齿间黏附的底质在惯性力作用下，易被甩离履齿。 由于底质与履带板的黏附力以及底质与履齿的黏附力的 存在，阻碍了黏附底质的甩离，齿间黏附的底质黏附在 履带板、齿组成一个槽式的体积空间继续跟随履带板运 动。 受振阶段：当第 i+1、i 块履带板相继脱离驱动轮时， 履带链拉紧，悬垂在拖轮上。底质作用于履带板上端， 底质对履带板的正压力即为黏附底质的重力，此时底质 受到的黏附力包括底质与履带板的黏附力以及底质与履 齿的黏附力。履带链在运动过程中做周期性跳动，履带 板和履齿跟随跳动，履带板、齿间黏附的底质受迫而做 周期性振动，降低了底质与履带板、齿的黏附力，同时 由于履带板间的间隙，履带板、齿间黏附的底质从间隙 中部分脱落，但由于黏性底质的内黏聚力以及底质与履 带板、齿的黏附力作用，履带板、齿间仍黏附有大部分 底质， 而跟随履带板、 齿包覆链轮。 如图 1 所示的 c 位置。 脱落阶段：第 i+1、i 块履带板相继脱离自由段开始 包覆链轮，第 i+1、i 块履带板沿圆弧分布，履带和履齿 组成的体积空间增加，黏附底质拉伸，在内聚力作用下 呈多边形沿圆弧分布，底质部分作用于履带板和第 i+1 块履齿，当第 i 块履带板饶过链轮水平轴线而第 i+1 块履 带板重新进入接地段，黏附底质作用于履带板和履齿的 正压力逐渐消失直至为 0，如图 1 所示的 d 位置，底质仅 受重力、离心力、与履带板、齿的黏附力作用，当底质 与履带板、齿的黏附力在重力方向的分力小于重力，底 质部分脱落，剩余部分底质黏附于履带板、齿再进入接 地段。 集矿机在前进过程中，相邻履带板、履齿经过进入 阶段、填充阶段、压实阶段、离心阶段、受振阶段、脱 落阶段、再进入阶段等运动循环，稀软底质相应地从进 入、充满、压实、甩出、振松、脱落、再进入相邻履带 板、齿间的过程，在整段履带板和履齿组成的链环上，