摘 要

深海具有丰富的矿产资源，在陆地资源匮乏的状况下，世界各国都把视线投向了海洋，这也意味着需要我们大力发展海上资源开采技术。但是海上风浪大，工作环境恶劣，采矿船在波浪的起伏下会产生剧烈的抖动，从而使海上矿产资源的开采异常困难，因而研发工作效率高、能够适应恶劣环境的波浪补偿系统成为大洋采矿的关键。

本文以深海采矿船矿料输送管布放装置为研究对象，介绍了矿料输送管布放装置的组成，对其液压系统的工作原理和各系统的性能要求进行了分析，对料管翻转机构、卡门夹紧机构和料管升降机构的各回路进行了具体的研究，拟定了布放装置的液压系统原理图。同时本文对现有的被动式波浪补偿和主动式波浪补偿装置的液压原理进行分析比较，综合两者的优缺点，提出半主动式的波浪补偿装置，拟定了半主动式波浪补偿装置液压系统原理图。最后，针对4级海况，分析采矿船海上作业工况，进行液压元件的计算选择，并验算系统性能，进行经济性评价。

本文所研究的深海采矿船矿料输送管布放装置采用半主动式的波浪补偿系统，系统安全可靠，补偿精度高，响应速度快，能耗低，对于安全高效地开采海上矿产资源具有重要的指导意义。

关键词：深海采矿船；料管布放；波浪补偿；半主动式；液压系统

Abstract

The deep sea is rich in mineral resources, under the condition of the lack of land resources, countries all over the world have put their attention to the ocean, which also means that we need to develop the technology of marine resources exploitation. However, the sea is rough and working environment is poor, mining ship under the waves of ups and downs will produce drastic shake, so it is extremely difficult for the exploitation of marine mineral resources. Therefore, developing high-efficiency heave compensation system which can adapt to the harsh environment has become the key of ocean mining.

Taking deep-sea mining ship ore conveying pipe laying device for research object, this paper introduced mineral material conveying pipe laying device, the working principle of the hydraulic system and the system performance analysis. Loops of tube turning mechanism, clamping mechanism and tube lifting mechanism were researched specifically and the hydraulic system schematic diagram was drew up. At the same time, this paper compared the hydraulic principle of existing passive heave compensation and active heave compensation device. Integrating both advantages and disadvantages, the semi-active heave compensation device was proposed. The semi-active heave compensation device schematic diagram of hydraulic system was proposed. Finally, in view of the sea state of 4, this paper analysed the mining ship offshore work condition, calculated and slected the hydraulic components, checked the performance of the system and conducted economic evaluation.

This paper studied the deep-sea mining ship ore conveying pipe laying device using semi-active heave compensation system which is safe and reliable, high precision, fast response speed, low energy consumption, which lays an important guiding significance for the safe and efficient exploitation of mineral resources.

Key Words：deep-sea mining sheep；ore conveying pipe laying device；heave compensation；passive；hydraulic system

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景、目的和意义 1

1.2 国内外波浪补偿技术研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 4

1.3 本文的主要研究内容 4

第二章 料管布放装置液压系统研究分析 6

2.1 料管布放装置的组成 6

2.2 料管布放装置液压系统设计 6

2.2.1 液压系统的工作原理 6

2.2.2 液压系统的性能要求 7

2.2.3 翻转机构液压回路方案设计 8

2.2.4 卡门夹紧机构液压回路方案设计 11

2.2.5 升降机构液压回路方案设计 12

2.2.6 拟定料管布放装置装置液压系统原理图 13

2.3 本章小结 15

第三章 波浪补偿系统研究分析 16

3.1 深海采矿船工作环境分析 16

3.2 波浪补偿系统的工作原理和动力学分析 16

3.2.1 波浪补偿的工作原理 16

3.2.2 波浪补偿的动力学分析 16

3.3 被动式和主动式波浪补偿系统比较分析 20

3.3.1 被动式波浪补偿工作原理 20

3.3.2 主动式波浪补偿系统工作原理 21

3.3.3 被动式和主动式波浪补偿系统比较分析 22

3.4 半主动式波浪补偿系统方案设计 22

3.4.1 半主动式波浪补偿系统的组成 23

3.4.2 半主动式波浪补偿系统的工作原理 24

3.5 本章小结 25

第四章 液压元件计算选择 26

4.1 工况分析 26

4.1.1 液压系统设计参数 26

4.1.2 液压缸的负载计算 26

4.2 液压缸的计算选择 28

4.2.1 初选系统工作压力 28

4.2.2 料管抓手油缸的计算选择 28

4.2.3 料管翻转油缸的计算选择 29

4.2.4 卡门位置移动油缸的计算选择 30

4.2.5 卡门夹紧油缸的计算选择 31

4.2.6 料管升降油缸的计算选择 32

4.2.7 料管补偿油缸的计算选择 33

4.2.8 伺服油缸的计算选择 33

4.2.9 液压缸实际工作压力和实际所需流量 34

4.3 液压泵的计算选择 34

4.3.1 定量泵的计算选择 34

4.3.2 变量泵的计算选择 35

4.4 电动机的计算选择 36

4.5 蓄能器和储气瓶的计算选择 36

4.6 液压阀的选择 37

4.7 液压辅件的计算选择 39

4.7.1 管道尺寸的计算 39

4.7.2 油箱有效容积的确定 40

4.8 集成块的设计 40

4.9 本章小结 41

第五章 液压系统性能验算 42

5.1 系统压力损失验算校核 42

5.1.1 沿程压力损失 42

5.1.2 局部压力损失 42

5.2 液压系统发热温升的验算 43

5.2.1 发热功率的计算 43

5.2.2 散热功率的计算 43

5.2.3 冷却器散热面积的计算 44

5.3 本章小结 44

第六章 经济性评价 45

第七章 总结与展望 46

7.1 全文总结 46

7.2 研究展望 46

参考文献 48

附录A 49

附录B 50

附录C 51

附录D 52

附录E 53

致 谢 54

第一章 绪论

1.1 课题研究背景、目的和意义

21世纪是海洋的世纪，这已成为全球战略发展的共识。全球人口的增多，陆地上人类赖以生存资源的日渐枯竭，将发展战略眼光转向海洋已成为21世纪人类可持续发展的必然选择。加快海洋经济的可持续发展，已成为国家“十三五”规划的重点项目工程，我国将重点扶持海洋矿产资源、海洋油气开采、海洋运输工程等新兴产业 ^[1]。加大开发海洋资源的力度，将海洋丰富的矿产资源优势转变为经济优势已成为世界经济发展的必然趋势。

但是，由于海上作业条件复杂恶劣，海洋上的风、浪、流、涌等极端条件会对海上船舶的正常工作产生不利的影响，威胁到船舶安全、人身安全和设备安全。采取安全、高效、节能的开发系统是21世纪人类进行海洋资源合理开发利用的必经之路。

目前，应用效果最好的水力提升式深海采矿法是国内外公认的深海矿产资源开采方案，它的主要组成部分有水下集矿子系统、水下扬矿子系统、水下测控与动力支持子系统和水面设施支持子系统^[2]。水面设施支持子系统是它最基础的组成部分，采矿船是它的核心，矿料输送管的布放是依赖于采矿船进行的，它是整个系统稳定工作的基础，而国内外对此的研究很少，本文将着重分析深海采矿船矿料输送管布放装置，对其液压系统进行设计分析。

采矿船是深海采矿作业平台，大型月池位于采矿船的正中央，它可以用来布放矿料输送管和其它必备的采矿基本设备，为水下采矿设备做好动力供应、设备存放和设备检修等工作，完成矿产资源的储存并且向矿料运输船转运资源的任务。采矿船在布管时面对的环境是变化无常的海洋，海洋环境中对布管影响最大的就是波浪。波浪不规则的起伏运动会引起采矿船产生六自由度的运动，即横摇、纵摇、舷摇、横漂、纵漂、升沉，其中对布管影响最大的是海浪周期性的升沉运动^[3]。如果不采取有效的控制手段对波浪六自由度运动加以抑制，长达数千米的矿料输送管会随着波浪一起运动，这会使得系统中附加载荷突然增大，各料管连接处的应力集中增大，深海采矿作业设备出现不稳定因素，会严重影响采矿作业效率并且大大降低采矿设备的使用寿命。为了确保深海采矿船料管布放工作的稳定性和安全性，我们必须采取有效的措施对波浪引起的深海采矿船的六个自由度的不规则运动加以控制抑制。波浪的升沉运动对布管作业的影响最大，因此波浪升沉补偿系统是进行布管安全作业的重要设备之一^[4]。