陈秉正

(长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

0 前 言

广袤的海洋蕴藏着丰富的矿产资源，它为人类提供了新的矿产资源供给渠道。然而由此获取矿产资源，仅从深海多金属结核开采的履带行驶技术层面看，还面临着众多瓶颈问题。根据中国大洋 38航次（2017年蛟龙号试验性应用航次）实施的5次蛟龙号下潜作业和 16个站位的常规调查发现，千米级水深的多金属结核矿区海底沉积物颗粒细，摩擦系数不足0.08，因此沉积物的剪切强度是决定采矿车履带牵引力的关键因素。根据矿区试验结果，当履带压陷深度为10～20 cm时，沉积物剪切强度约 3 kPa，且沉积物受到搅动后将流体化，剪切强度不超过原始强度的 1/3。稀软底质下履带行驶机构可行驶技术是履带行驶机构研制的关键技术之一。

为加快突破关键技术，中国大洋矿产资源研究开发协会办公室基于 20余年的研发基础，在“十二五”期间通过立项，组织开展了一系列技术攻关工作。“面向海试的多金属结核集矿系统研制与集成”课题（课题编号 DY125－14－T－03）是其中的一项重要研究工作。为加强优势单位间的协作协同，该课题又分解为鲲龙号500型履带行驶机构（下简称履带机构）研制与试验研究等独立研究课题。根据相关的合同、协议和要求，履带机构应具有在3500 m深海环境中作业的能力，并能搭载采集等工作机构，它是鲲龙号500型集矿作业车的重要组成部分。

1 履带机构设计研究

根据不同的底质条件，水下履带行驶机构的结构设计通常有3类。其一，中央铰接式四履带驱动结构；其二，两轮一带式（驱动轮，引导轮及履带）双履带驱动结构；三是传统的四轮一带式（驱动轮，引导轮，支重轮，托轮及履带）双履带驱动结构。

根据稀软底质上作业的可靠性要求及对环境的适应性要求，鲲龙号500型集矿作业车行进时应对海洋底部的生态环境影响小，履带接地面积大，机构结构简单、技术先进、维修方便、运转可靠。据此，履带机构的设计采用在前期工程试验中得到了充分验证的四轮一带式双履带驱动结构（见图1），并进行高履齿、大前角、轻量化的结构设计。通过减量化结构设计和轻质化材料选型，实现了履带机构轻量化。

图1 “鲲龙500”采矿车履带行驶机构

结构设计减量化的技术措施主要是空窗化、适用化、集成化，即将履带架结构设计成多窗格异形焊接件，最大限度地减少了实体材料；将托轮、支重轮的轴承结构设计为滑动轴承，较之滚动轴承重量显著降低；选择集成化的液压双速油马达等外购零部件，使履带机构的零部件既减量又减重。

在履带机构的主要结构件材料选型上，首次采用铝镁合金轻质材料。铝镁合金具有比强度高、密度小、耐腐蚀、抗电磁干扰、电磁屏蔽性好等特点。选用铝镁合金材料可显著提高履带机构海底作业的适应性。

2 履带架有限元分析

保证履带架结构强度是履带行驶机构轻量化设计的关键要素。本文以右履带架为目标，基于 3倍安全系数条件，通过SolidWorks Simultion进行有限元力学分析。

2.1 模型构建

导入履带架三维模型，输入材质约束条件铝镁合金6061。以履带架主梁下表面作为固定面，对履带架进行网格划分。对履带架梁、连接法兰螺栓孔、张紧油缸座及驱动轮U型板施加载荷，分别模拟上部履带及托轮对履带架的压力F1=28000 N、连接法兰受剪切力F2=7280 N、张紧油缸座受履带张紧力F3=14000 N及驱动轮 U型板受履带张紧力F4=14000 N（见图2）。

图2 右履带架网格划分及受力模拟图

2.2 有限元仿真分析结果

仿真所得应力分布情况见图 3，位移分布情况见图 4，应变分布情况见图 5。履带架所受最大应力为 52.99 MPa，低于铝镁合金 6061的屈服强度62.05 MPa；最大位移为0.5936 mm；产生的最大应变为 6.629×10-4。仿真数据表明，履带架强度校核安全。

图3 应力分布情况

图4 位移分布情况

图5 应变分布情况

3 试验研究

履带机构试验分实验室、70 m级海试及500 m级海试3个阶段进行。通过试验室试验，对影响履带机构样机在海底稀软介质上行驶的各项因素进行分析，考核其功能指标和性能指标，并评估在海底稀软介质上的行驶性能，进而进一步优化履带机构的设计。通过集矿作业车海试，考核履带机构集成在不同深度海底作业的工程适用性、技术先进性，同时测试履带机构样机作为海底行驶装备的通用平台，其技术的可靠性、可扩展性、可移植性。

二是复杂的多变性。青年价值观的多变性体现在三个方面：首先，同辈群体对青年价值取向的影响很大。青年往往喜欢和同伴们在价值取向上保持一致，从而忽略了个体的差异性以及价值观念的合理性。其次，青年为了获得他人的认同，乐于追求时髦的事物，有时甚至标新立异，借此来展现自己的与众不同。再次，价值倾向易受到外部因素的影响，但是出于赢得他人认同而违背自身发展利益形成的价值取向必然不会持久。

3.1 试验室试验

试验室试验设计了3个环节，即台架功能性试验、砂地行驶性能联调及水槽行驶性能测试。从2017年5月15日开始，经过近3个月的连续试验并完善设计，样机的各项试验指标均达到了试验要求。

3.1.1 台架功能性试验

试验项目主要包括：一般性视觉检查、行走履带基本尺寸检测、履带机构样机台架上悬空原位正转、反转、运行平稳性测试。经检测，测试项目符合设计要求。

3.1.2 砂地行驶性能联调试验

（1）试验环境设计构造。试验区面积长18 m，宽12 m，有效行驶试验区域长16 m，宽10 m。填砂范围18000 mm×11865 mm，填砂高度400 mm，填砂量约84 m3；选用建筑用河砂（中砂）充填，堆积密度1400 kg/m3，安息角（干燥）30°；挡砂临时隔墙高出砂面100 mm以上。

（2） 砂地行驶试验情况。直行测试：承载2500 kg，有线遥控，速度0.1～1.0 m/s，前进后退10 m，最大滑转率3.5%，马达最大启动压力18 MPa，车辙直线最大偏差60 mm，双侧驱动动力30 kW，全程无过载；转弯能力测试：承载 2500 kg，有线遥控，左侧速度0.2 m/s，右侧速度0.3 m/s，车辙内外侧折算中心转弯半径平均5532 mm，最大6000 mm，最高转弯行走压力 16 MPa；越沟能力测试：承载2500 kg，有线遥控，砂沟深0.3 m，宽0.5 m，速度分别为0.3，0.4，0.5 m/s，越障均能平稳通过，最高行走压力18 MPa；爬坡能力测试：承载2500 kg，有线遥控，砂坡15°。速度分别为0.3，0.4，0.5 m/s，爬坡均能平稳通过，最高行走压力18 MPa。

经检测，测试项目符合设计要求。

3.1.3 水槽行驶性能测试

（2）水槽行驶试验情况。水密试验测试：履带机构样机完全没入水池24 h，经检测液压系统无油液渗漏情况；直线行驶测试：履带机构分别以行进速度0.3，0.6，1.0 m/s在水槽中前进、后退。经测试，履带机构行驶平稳，行进中无异常声响、目测行走无蛇形、沉陷、原地滑转等现象。水下行驶时，马达最高压力为 12 MPa，最大驱动动力为30 kW。

经检测，测试项目符合设计要求。

3.2 70 m级海试

履带机构在通过单体测试后，与相关机构集成一体，形成鲲龙号500型集矿作业车样机。样机经过充分的试验室联调后，于2018年5月1日至20日开展了浅海试验。

（1）海试选址。试验海区位于东海大陆架台州沿海，海试区域水深约70 m，海底坡度≤1°。

长沙矿冶研究院有限责任公司组织“长和海洋号”在试验水域进行了工作环境调查，探明了海底沉积物主要为含沙淤泥；其表层沉积物块的抗剪强度（厚度在0～360 mm之间时），最小为2 kPa，最大15 kPa；平均抗剪强度随深度不断增加；表层沉积物的贯入阻力（厚度在0～360 mm之间时），最小为21 kPa，最大76 kPa，平均贯入阻力随深度变化缓慢增加，但数值增加不大。

（2）试验情况。试验期间，履带机构样机完成了整体结构耐压性能测试、密封性能测试、可行驶性（包括右侧向行驶、转向行驶、横向行驶、转向、折线行驶）测试、可靠性测试。

主要行驶参数测试结果：通过车载惯导和DVL组合导航测速装置，分别测得3个测试段的最大行驶速度分别为1.31，1.25 m/s和1.08 m/s；规定行驶距离内集矿作业车的最大行驶偏差分别为+0.19，+0.72 m和-1.28 m，与之相应的平均偏差为0.08，0.31 m和0.31 m；集矿作业车海底连续无故障行驶行程为1145.39 m，累计水下作业时长8 h19 min；履带机构无液压泄漏；整体结构完好无损。

经浅海试验，验证了履带机构性能可靠、技术先进。

3.3 500 m级海试

在浅海试验基础上，2018年6月6日至20日，履带机构开展了500 m级海试。其中，履带机构面临的最大考验是在受控状态下，在海底定迹行驶绘制五角星图形。

（1）海试选址。试验区域位于南海某海域，长沙矿冶研究院有限责任公司委托相关单位调研资料显示，海底沉积物主要以粘土质粉砂为主；表层沉积物的抗剪切强度最小为5.7 kPa，最大为12 kPa；表层沉积物贯入阻力最小为58.3 kPa，最大为67.2 kPa；贯入阻力和抗剪切强度在0～150 mm之间随深度变化不断增加，150～550 mm之间变化不大。

（2）试验情况。试验期间，履带机构在最大水深514 m环境下，完成了整体结构耐压性能测试、密封性能测试、可行驶性（包括右侧向行驶、转向行驶、横向行驶、转向、折线行驶）测试、可靠性测试。高质量全面完成主要考核指标，如履带机构海底单次行驶最大距离 2881 m，水下作业时间 7 h56 min，着底作业时间5 h34 min，定位精度0.72 m等；履带机构按规划路径在海底完成了单边长度为120 m的“中国星”（见图6）的绘制。

图6 “中国星”轨迹

4 结 论

履带行驶机构作为独立的技术模块，应用于鲲龙号500型采矿作业车，成功地完成了500 m级海试，取得了以下成果：

在技术创新方面，通过优化结构设计解决了履带机构轻量化设计问题，为实现履带机构提质减重奠定了基础。试验表明，将履带架结构设计成多窗格异形焊接件，最大限度地减少了实体材料和重量，提高了材料利用率和样机的使用性能；将履齿高度分别设计为80，100，120 mm 3种可互换的规格，可满足履带机构负重在不同稀软底质上行驶要求；采用铝镁合金材料，显著提高了履带机构样机海底作业的适应性。

在试验研究方面，基于试验室试验的目的，通过因地制宜地构造不同的试验环境，获取了台架试验、砂地试验、水槽试验的试验数据，为完善履带机构设计提供了可靠地理论和实践依据。各项试验均取得了高效率、低成本、多产出的效果，其单体试验和联动试验的方法可供相关试验借鉴。在海试中，履带机构作为集矿作业车的载体，经测试，其主要行驶性能指标优于设计指标。如70 m级海试中，履带机构海底最大行驶速度达到1.25 m/s，规定行驶距离内其最大行驶偏差为-1.28 m。

在海洋工程作业方面，通过参加70 m级、500 m级海试，加深了对海面作业的认识，增强了海上作业安全实操的能力,如掌握了参试设备的布放与回收、作业车的工作状态控制、海洋气候等海上环境变化应对等工程实操技术，进一步夯实了走向深海的基础。