适应富钴结壳微地形的采矿头失控故障分析
朱建新，罗 伟，邹湘伏，陈 勇
(中南大学机电工程学院智能机械研究所， 湖南长沙410083)
摘要：富钴结壳富含战略金属钴等元素，其表面一般有微地形起伏。介绍了深海集矿机滚筒式采矿头的控制系统原理及相应的控制器。分析了滚筒式采矿头易出现的故障、故障原因，提出了若干切实可行的解决办法，并在实验中加以验证。
关键词：富钴结壳；滚筒式采矿头；故障分析；深海采矿
中图分类号：TD88 文献标识码：A 文章编号：1005-2763(2007)01-0035-02
Analysis on the Out-of-control Failure of Cutting
Head Adapting to the Microtopography of the
Ocean Cobalt-Rich Crusts
Zhu Jianxin, Luo Wei, Zou Xiangfu, Cheng Yong
(Intelligent mechanical Institute, School of Mechanical and
Electronic Engineering, Central South University,
Changsha, Hunan 410083, China)
Abstract: Ocean cobalt-rich crusts contain strategic metal cobalt, and form on substrate rock face with some microtopographic variations. The principle of control system used to deep-sea mining collector's drum-type cutting head and its controller are introduced. The common failures of drum-type cutting head and reasons of the failures are analyzed. Some feasible resolving methods of the failures are proposed, and have been proved by tests.
Key Words: Cobalt-rich crusts, Drum-type cutting head, Failure analysis, Deep-sea mining
大洋钴结壳是赋存于斜坡基岩、厚度一般为2～6cm、具有多层构造特征的海底富钴结壳多金属脆性沉积固体矿床，赋存基岩微地形变化从数厘米到近1m，如何开发从基岩上剥离破碎钴结壳的低破碎比与高采收率的深海采掘技术，是大洋钴结壳开采的关键问题[1，2]。因此，设计一种能够适应富钴结壳微地形的采矿头及其相应的控制系统是开采富钴结壳的关键[3]。
1 控制系统原理[4]
富钴结壳开采控制系统的主要控制对象为滚筒式采矿头。控制系统主要包括：液压系统单元、地貌探测和处理单元、通讯单元、控制和显示单元以及数据存储单元，系统组成见图l。其中液压系统单元包括液压泵、电液比例阀、直线位移油缸和偏摆油缸(马达)以及位移、角度传感器等。液压单元和控制单元组合构成电液比例控制系统。地貌探测和处理单元由一系列的超声波探测器和一处理器构成；超声波探测器扫描滚筒采矿头前方一定范围内的微地貌，并将数据传输到处理器，处理器绘出富钴结壳厚度剖面图和微地貌，以确定采矿头的最佳切削位姿，然后将切削位姿数据传给控制器，由控制器执行相应的位姿调节。通讯单元包括控制器和显示器之间的CAN通讯、微地貌探测信号与控制器之间的串口通讯(RS485转RS232)以及数据存储需要的RS232通讯。数据存储由专用的数据存储记录软件(还可以进行在线故障诊断等)实现。
2故障现象及分析
2．1失控现象
(1)让采矿头停在空中，不触地，模拟微地形的变化发送不同的切削高度值，相对高度值(分别为h=5，8，10，20，30mm等)
实验中发现当切削的相对高度值h≥10mm时，基本上能保持采矿头按指令执行各种操作，但在切削深度值h为5或8mm时，采矿头失控现象比较严重，即采矿头不受控自动往下走。
(2)在钴结壳模拟料上进行实地切削。实验中发现当切削深度过大或切到起伏变化较大的地形时。采矿头容易失控。
2．2故障分析
导致采矿头油缸失控的可能原因：控制采矿头的顶紧油缸发生内泄；控制顶紧油缸的电磁阀误动作；程序控制不够完善；该三位四通电磁阀中位机能0型圈发生泄漏；液压冲击问题。
为排除可能导致采矿头失控的各类问题，采用的检测手段[5]为：利用电压表测得电磁阀的电压变化情况，并检测电磁阀的动作是否与程序指令的发送同步。结果发现为当程序发送指令使油缸动作时，从电压表显示阀已打开，并且程序指令与电磁阀的动作保持同步。而且当采矿头处于失控状态时，从电压表中可知阀一直处于通电状态，即打开状态。
从以上检测方法中可以得出电磁阀处于正常工作状态，从采矿头浮在空中的实验中可以得出：由于液压冲击导致程序控制中顶紧油缸的停止点与顶紧油缸位移传感器检测到的位置不一致，所以采矿头不受控制。从实地切削的实验可以得出：在遇到切削力波动过大时，因为振动导致顶紧油缸中的位移传感器检测到的位移会超出程序设定的停止范围。
3 实施改进
3．1液压冲击
液压系统存在的冲击现象，尤其是换向冲击问题，将在一定程度上影响控制系统的执行精度。而本系统每隔3 s油缸执行一次动作，而且位移又相对小，换向时过渡时间短，因此冲击问题必须得到有效的解决。采取如下措施：
(1)在换向阀和执行元件之间安装节流阀，以限制流量，控制速度；
(2)在冲击源附近安装蓄能器，吸收系统在液压泵突然启动或停止、液压阀突然关闭或开启、液压缸突然运动或停止时出现的液压冲击，同时吸收液压泵工作时的压力脉动，大大减少其幅值；
(3)在顶紧油缸的两侧安装液压锁，使得当顶紧油缸下降时不会因自重而产生较大的冲击(见图2)。
3．2 程序控制
根据该液压系统的固有特性，为更好地满足集矿机工作的要求，使得采矿头能更加安全的工作，在程序控制上做了相应的改动。从程序框图3可知，可以保证采矿头安全工作。
4效果及结语
分两种情况进行实验：第一，空中浮动，当发送相对高度值小于5mm指令时采矿头能稳定下来。第二，实地切削，模拟切削时振动剧烈的情况，采矿头同样没有出现失控现象。避免了因采矿头失控而导致集矿机无法正常工作的现象，为开展进一步的研究提供了有力的保障，为深海开采提供了一定的技术原型。
参考文献：[1]Yamazaki T，Sharma R．Distribution characteristics of Co—rich manganese deposits on a seamount in the central Pacific[J]．Marine Georesources＆Ceotechnology，1998．16：283—305．
[2]Yamazaki T，Sharma R．Morphological features of Co-rich manganese deposits and their relation to seabed slopes[J]．Marine Georesources ＆Ceotechnology，2000，18：43-76．
[3]Tetsuo Yamazaki，Jin Chung S，Katsuya Tsurusaki．Ceotechnical parameters and distribution characteristics of the cobalt—rich crust for the miner design．[J]．International Journal of Offshore and Polar Engineering，1995，5．
[4]李爱强．适应富钴结壳微地形的采矿头控制系统研究与设计[D]．长沙：中南大学，2005．
[5]路甬祥，胡大纮．电液比例控制技术[M]．北京：机械工业出版杜，1988．
