基于AMEsim的多金属结核扬矿泵管紧急排料机构超长液压油管参数设计

针对深海多金属结核扬矿泵管系统海上试验时可能存在的紧急排料需求,开展了海上试验系统紧急排料机构液压系统理论计算,并在AMEsim中进行了仿真试验,结果表明,AMEsim仿真软件对于该系统的可信度系数为0.86。基于AMEsim构建了500 m海上试验执行机构液压系统模型,仿真分析结果表明,液压系统中油管管径为16 mm,设定压力应不低于10.47 MPa,执行机构动作时间为6 s。研究结果可为紧急排料机构的设计提供依据。

扬矿过程中多金属结核破碎粉化特性试验研究

对扬矿过程中多金属结核破碎粉化特性进行了试验研究。结果表明,扬矿过程中结核破碎程度明显,体积浓度6.5%时,粒径大于50 mm的多金属结核质量占比从75.58%降至23.78%;体积浓度15%时,粒径大于50 mm的多金属结核质量占比从51.51%降至10.08%。试验中结核存在粉化现象,体积浓度6.5%时,粒径小于0.1 mm的多金属结核粉末质量占比为1.79%,粉末中值粒径为10.07μm;体积浓度15%时,粒径小于0.1 mm的多金属结核粉末质量占比为1.99%,粉末中值粒径为9.47μm。基于试验数据估算,采矿1 000万吨多金属结核,粉末排放会造成上万吨Fe、Mn和上百吨Co、Ni、Cu金属损失,其形成的羽流扩散沉降后的最大再沉积厚度大于3 mm,会对环境造成显著影响。

基于谐响应分析的扬矿泵安装位置的研究

取不同长度管道,以弹性约束代替升沉补偿装置作用,采用能量积分法建立管道的振动方程,使用有限元方法分析了扬矿泵安装在管道的不同位置时的动力学响应。结果表明,单载荷激励作用下,应力谐响应由小到大分别为:扭矩激励、波浪纵向激励、波流联合水平激励,三者联合且同相位激励时,系统谐响应显著增大;扬矿泵安装位置从高往低下降时,管道最大等效应力呈现由大到小、再由小到大的变化规律,最大等效应力的极小值所对应的扬矿泵位置为次优安装位置。根据特定长度管道的扬矿泵次优安装位置,建立了扬矿泵的次优安装位置经验公式,为扬矿系统的定量设计提供参考依据。

深海采矿扬矿管的运动对流动参数影响的研究

结合深海开采扬矿应用条件建立了模拟扬矿管升沉、摆动和倾斜的提升试验系统 ,进行了较大摆幅和较宽频率范围的试验 ,获得了比较全面的试验数据 ,建立了计算模型。研究所确定的提升管升沉、摆动和倾斜对管内流动参数的影响规律已应用于5 0 0 0m深海采矿系统中试技术设计和 10 0 0m水深海试采矿系统设计及其扬矿设备的研制。

海洋矿产资源分布及深海扬矿研究进展

海洋蕴藏着丰富的生物、矿产和动力能源,是巨大的资源宝库.开发海洋资源已经逐渐成为各国新的战略目标.深海采矿扬矿的工作环境恶劣,对设备要求较高,技术难度大,因此亟须开展相关研究.文中首先介绍了海底矿产资源的分类及全球分布,并就中国深海采矿现状进行了总结;然后以大洋锰结核的开发为例,重点对各种提升方式进行了综合分析.扬矿技术是深海采矿系统的重要组成部分,其中管道提升被认为是最有发展前景的方法.管道提升包括水力、气力、管道容器、轻介质和重介质等方法,其中矿浆泵水力提升和气举泵提升技术已进行了深海试验,最具发展前景;最后对多级离心式提升泵的设计方法和研发现状进行了介绍,并对深海采矿趋势进行了展望,提出要立足国情,借鉴国外技术经验,吸收近海石油煤炭提升技术,进行技术攻关的发展思路,进而为商业开采提供技术储备.

深海采矿扬矿泵导叶区域粗颗粒通过特性试验研究

在深海采矿系统中,海底矿石必须经过扬矿泵才能提升到海面船上,但矿石粒径较粗,容易在泵体中形成堵塞,尤其是在扬矿泵导叶区域,因此,研究粗粒在导叶中的运动特性对于保障系统安全工作具有重要意义。针对深海矿物粒径较大的特点,设计并制作了具有宽流道的扬矿泵流道模型,安装于管道输送试验系统。利用高速摄像机对扬矿泵导叶内粗颗粒运动特性进行了记录,并对其运动轨迹、碰撞情况以及颗粒速度等信息进行了分析。结果表明:颗粒在通过导叶区域时,运动轨迹与水流流向基本一致;颗粒与导叶发生碰撞位置主要集中于导叶背面入口处、导叶压力面中部和导叶背面出口处;颗粒粒径越小,跟随性越好,碰撞次数越少。试验结果可为扬矿电泵设计提供参考。

5000m扬矿管的纵向振动

运用有限元的方法对深海采矿系统中的扬矿管进行了静力分析和动态分析。采用ＡＮＤＩＡ有限元分析软件，通过研究在海水中不同海浪周期下扬矿管的振动特性可知，扬矿管的一阶纵向共振周期处于海洋中海浪通常出现的周期范围内；共振时扬矿管顶端与末端的纵向振动的相位差接近π／２，产生轴向应力很大。

深海采矿扬矿管非线性偏移特性研究

由于受海流及采矿船的拖航作用,深海采矿扬矿管会发生大偏移,这属于几何非线性问题。将扬矿管简化为非线性梁单元,利用T.L.描述方法建立了有限元模型,运用能量法推导了刚度矩阵,给出了液动力的计算方法及增量步内的Newton-Raphson迭代求解方法。分析了不同拖航速度、缓冲矿仓质量以及扬矿管与采矿船连接方式对扬矿管偏移的影响。计算结果表明,拖航速度和缓冲矿仓质量对扬矿管偏移有很大影响,而扬矿管与采矿船的连接方式对扬矿管的偏移几乎没有影响。为采矿系统的合理设计提供了理论分析方法和设计依据。

深海采矿扬矿管非线性动态特性研究

深海采矿扬矿管受海浪、海流及采矿船的拖航作用产生大偏移 .将扬矿管简化为梁单元 ,建立了几何非线性有限元模型 ,分析了液动力的计算方法 ,给出了增量平衡方程以及New mark迭代方法 .分析了采矿船在变速条件下扬矿管的偏移构型、运动速度、加速度及弯曲应力 .扬矿管底端 (即缓冲矿仓处 )偏移位移达 319 0 2m ,扬矿管在顶部弯曲应力达 13 10 34MN/m2 .

锰结核泵工作对扬矿管道振动影响的研究

为探讨锰结核泵工作对扬矿管道的振动影响,在实验室建立了扬矿管道振动试验系统,进行了扭转和弯曲振动分析,测试了管道振动特性。研究结果表明,泵运行过程中,管道系统作为一动力系统,不仅产生静态力,而且诱发管道振动,动载荷远高于静载荷(振幅放大系数M=6.75)。试验得出的频率峰值随泵转速变化与理论分析基本一致。

大洋锰结核深海开采扬矿技术

介绍了国外大洋锰结核深海开采扬矿技术与关键设备的研究开发状况和我国扬矿技术研究现状。通过对各种扬矿方法优缺点的分析评价得出采用矿浆泵水力提升和气举泵提升进行深海开采扬矿的现实可行性,认为矿浆泵提升最有可能成为商业开采的第一代扬矿方法。为了有效开采大洋锰结核,应十分重视扬矿参数的基础研究和扬矿设备的研制。

重型扬矿管主动升沉补偿系统的设计与仿真研究

本文设计了一种采用电液比例方向阀控制的重型扬矿管主动升沉补偿系统 ,利用SIMULINK和功率键合图建立了升沉补偿系统的仿真模型 ,对系统的静动态特性进行了仿真研究 。

深海采矿扬矿管几何非线性静力分析

针对深海采矿输送系统中阶梯扬矿管承受轴向力过高容易断裂和连接部位容易出现应力集中的问题,提出一种低密度和高强度的碳纤维复合管应用于深海采矿输送系统。根据扬矿管在采矿船静止和等速拖航运动时,受到管道和管内流体重力、浮力和海水阻力作用的情况,采用有限元对碳纤维复合管和阶梯钢管进行计算分析。研究结果表明:当采矿船静止时,碳纤维复合管的弯矩和弯曲应力与阶梯钢管的差别很小,但碳纤维复合管的轴向力不到阶梯钢管的1/4,相比阶梯钢管,碳纤维复合管能承受更大的轴向载荷;当采矿船以0.5 m/s等速拖航时,2种扬矿管的轴向力、弯矩相比采矿船静止时变化不大,但碳纤维复合管的弯曲应力比阶梯钢管小一半,可克服阶梯管刚性连接时弯曲应力过大的缺点。

1km铰接式扬矿子系统横向运动仿真与实验研究

根据相似理论,建立了深海采矿1 km中试系统铰接式扬矿子系统的动力学实验系统,采用正弦机构,模拟海浪对船的横向激振,对铰接式光体圆柱硬管系统在6级海况下的横向运动进行了实验;用虚拟样机技术进行了6级海况时的瞬时动态分析、动力学分析及动力学仿真.结果表明:铰接式扬矿系统的泵及中间舱的弯矩呈周期性变化,60 N.s时趋于稳定,其值小于固接扬矿系统.激振周期10 s时中间舱和泵处的横向偏移振幅分别为9 m和5 m,呈周期性变化,运动周期大于海流周期;仿真结果与实验结果基本一致.铰接式扬矿管体不受弯矩,相当于柔性管.

深海采矿扬矿管横向液动力分析

深海采矿扬矿管上的横向液动力由两部分组成：海流作用力、波浪作用力。本文从理论上分析了海流速度、海浪水质点速度和加速度、扬矿管直径、海水密度对横向液动力的影响，并且根据摩尔森公式得出了扬矿管所受的横向液动力。

颗粒粒径对海洋采矿扬矿泵固液两相流影响的分析

为研究颗粒粒径对扬矿泵固液两相流的影响,采用Mixture多相流模型,对扬矿泵内固液两相流进行叶轮蜗壳耦合数值模拟,并比较不同粒径颗粒对泵内固相体积浓度分布的影响.对扬矿泵输送4种粒径固体颗粒的水力性能进行试验研究,揭示不同粒径颗粒对泵外特性的影响.结果表明:随着固相颗粒粒径增大,叶轮流道内固体颗粒向工作面聚集,颗粒撞击点愈加集中于叶轮工作面,加剧叶轮工作面磨损;蜗壳流道内的颗粒沿基圆向外周壁积聚,愈加集中分布于蜗壳的4～8断面;输送固液两相介质时泵扬程和效率比清水试验工况下低,更易发生汽蚀;在相同流量和浓度的工况下,随着固体颗粒粒径增大,扬程受粒径变化影响较小,最高效率点逐渐下降且出现在相对较小流量处。

5000m深海扬矿管运动状态影响因素分析

深海采矿扬矿管处于海洋环境之中 ,受海浪、海流以及采矿船拖航的影响 ,会发生大的偏移。研究分析了海浪、海流、采矿船拖航速度、中间矿仓质量以及扬矿管与采矿船连接方式对扬矿管的影响 ,可为系统设计、布局、运行和控制提供参考。

5000m扬矿管纵向振动研究

运用有限元的方法对深海采矿系统中的扬矿管进行了静力分析和动态分析，将５０００ｍ扬矿管等分成２０个两节点梁单元，应用等效线性化方法及结构对地震的反应原理建立了扬矿管纵向运动模型．采用ＡＤＩＮＡ有限元分析软件．通过研究在海水中不同海浪周期下扬矿管的振动特性可知：扬矿管的一阶纵向共振周期处于海洋中海浪通常出现的周期范围内；共振时扬矿管顶端与末端的纵向振动的相位差接近１８０°，产生轴向应力很大，给管子的设计和操作带来极大的影响．

深海采矿扬矿系统水下构形与动力学特性数值仿真

深海多金属结核开采系统的扬矿系统主要由扬矿硬管、扬矿泵、中间仓、扬矿软管等组成的长管线系统构成,其水下运动学和动力学行为,决定了深海采矿的成败。运用非线性有限元方法,建立了基于1000m深海采矿试验扬矿系统的有限元模型,进行了系统水下空间构形的静态和动态数值仿真,计算分析了海洋环境中的波流载荷,软管长度,软管集中吊挂浮力配置,以及采矿船和集矿机的运动状态等因素,对系统空间构形,尤其对软管形态的影响。水下管线的液动力载荷采用M orison公式计算。

扬矿管在海水中的整体运动分析

在对扬矿管进行受力分析的基础上 ,运用有限元的方法将 5 0 0 0m扬矿管等分成 2 0个两节点梁单元 ,将梁单元受力简化 ,推导出梁单元运动方程。将单元总装成整体结构 ,并将节点力加到具体节点上 ,得出整体结构运动方程 ,用ADINA得到扬矿管整体运动的动态响应解。分析扬矿管的整体运动过程 ,扬矿管的横向、纵向振动及变形与各因素的关系 ,其结果可作为扬矿管设计和操作控制的依据。