新一代海底履帶式集礦車“鯤龍500”行走性能分析①

李小艷， 程陽銳， 鄭 皓， 黎 宙

（長沙礦冶研究院有限責任公司 深海礦產資源開發利用技術國家重點實驗室，湖南 長沙410012）

開發利用海底礦產資源是提高我國戰略資源保障能力的新途徑。 海底履帶式集礦車與揚礦提升系統的組合被普遍認為是21 世紀最具前景的深海固體礦產商業開采系統。 海底履帶式集礦車在深海稀軟底質土環境下工作，土體剪切強度極低，具有攪動流體特性。而且采礦車與普通地面車輛在運行環境、控制方式、載荷、車輛構型／尺寸等方面都存在很大差異，因此基于深海稀軟底質土的集礦作業車的行走性能分析顯得尤為重要。

目前國內外眾多學者做了一系列研究。 在深海稀軟底質研究方面，文獻［1］用幾節履帶來模擬集礦機的履帶行走機構，用膨潤土來模擬海底沉積物，得出了剪切強度和剪切位移的曲線關系。 這也為后來的研究奠定了基礎。 文獻［2］根據我國大洋航次的土工勘探資料，對海底沉積物的類型、土工性質、承載力等方面進行了詳細分析研究。 文獻［3-4］利用膨潤土模擬深海稀軟底質，通過試驗分析得到了模擬沉積物與履帶相互作用的壓力?沉陷關系和剪應力?剪切位移關系。深海礦產資源開發與利用國家重點實驗室成功研制了海底原位測試儀，用于測量深海沉積物的力學性質，如

① 收稿日期：2020-04-13

基金項目：湖南省自然科學基金青年基金（2020JJ5564）

作者簡介：李小艷（1989-），女，湖北孝感人，碩士，工程師，主要從事水下裝備與稀軟底質相互作用機理研究。剪切強度和貫入阻力等，該原位測試儀獲得了大量海上測量真實數據。

在動力學特性方面，文獻［5］利用Recurdyn／LM建立了集礦機系統多體模型，對集礦機行走性能進行動力學仿真分析，重點分析海底水動力對集礦機行駛性能的影響。 文獻［6-8］根據海底底質物理力學特性，建立深海稀軟底質力學模型，開展了海底底質特殊力學載荷下履帶式采礦車多種行走工況動力學仿真，分析與評價其行走性能。 但研究結果都未經過集礦車試驗的驗證。 本文通過構建海底集礦車“鯤龍500”的多體動力學仿真模型以及海底稀軟底質力學模型，實現履帶式集礦機在海底特殊稀軟底質上的行走工況動力學仿真分析；并利用“鯤龍500”實驗室試驗驗證仿真模型，所建模型可應用于集礦車的設計、性能評價、控制和仿真等方面，并對集礦車等其他移動機器人以及地面車輛在松軟土壤中的相互作用力學提供借鑒。

1 稀軟底質土力學特性試驗

對于履帶行走機理及性能分析，文獻［9］首次將履土作用沿水平和垂向分解為剪切作用和承載作用，總結出更具普遍意義的土體剪切應力?位移經驗模型；并對垂向負載、沉陷進行試驗研究，得出壓載?沉陷經驗模型。 這兩個模型簡單且具有普遍性，成為車輛地面力學理論基礎。

模擬底質采用鈉基膨潤土與水混合制成，在實驗室搭建長5 m、寬2.5 m、高0.5 m 的試驗區域，鋪設厚度0.4 m 的模擬底質。

利用兩種尺寸滑板測試履帶式集礦機與底質相互作用力學特性分解為法向壓力?壓陷特性和水平切應力?剪切位移特性［10］，滑板尺寸及結構如表1 所示。

表1 滑板尺寸及結構

由于滑板的自身質量相較于外加載荷很小，忽略滑板自身的初始壓陷深度（即作為0 沉陷），在圍堆上放置一平直鋼深，以其下沿作為參照點，測試在不同外載下滑板上表面的位移量，由此得出不同形狀滑板在不同外載條件下對應的壓陷深度，從而確立法向壓力?壓陷特性之間的關系。

圖1 為不同尺寸滑板壓陷試驗獲得的相應壓力?沉陷試驗數據在雙對數坐標系統下進行變換的近似直線。

圖1 雙對數坐標下壓陷試驗對應直線

根據Bekker 壓力?沉陷關系式：

式中p為接地壓力；kc為土壤內聚變形模量；kφ為摩擦變形模量；b為接觸面寬度；z為沉陷量；n為沉陷變形指數。

根據以上理論，通過數據分析可獲得海底特定層位底質的壓力?沉陷關系式為：

2 新一代履帶式集礦機多體動力學建模

2.1 集礦機多體動力學建模

多金屬結核集礦系統“鯤龍500”是由長沙礦冶研究院研制開發，適應于6 000 m 海深的水力式采集裝置、履帶式行駛機構的試驗裝置。 “鯤龍500”由水力式集礦機構、履帶行走機構、車體機構、液壓系統、著底平衡機構、浮力材料等組成，其主要參數如表2 所示?！蚌H龍500”虛擬樣機模型見圖2。

2.2 水阻力的計算

集礦機具有較大的體積與迎水面積，且海水密度遠大于空氣密度，因此集礦機海底行走時，需要考慮水動力對其行走性能的影響。

集礦車在海底前進時，所受的水阻力F按下式進行計算：

表2 集礦作業車結構設計參數

圖2 “鯤龍500”虛擬樣機模型圖

式中Cd為阻力系數，取1.0；ρ為水密度，取1 052 kg／m3；V為采礦車行駛速度，m／s；A為迎水面積，取15.6 m2。計算可得，集礦車在設計航速1 m／s 運動時，水阻力可達8 205.6 N。

3 直線行走動力學仿真與試驗驗證

3.1 直線行走動力學仿真

履帶式集礦車行駛工況復雜多變，本文僅以“鯤龍500”實驗室試驗區域的典型稀軟底質地面對履帶式集礦車的行走性能進行多體動力學仿真。

直線行走仿真時其目標速度設定為0.7 m／s，采用step 函數定義運動約束，同時監測得到履帶式集礦機質心處直線行駛速度。

3.2 實驗室試驗

為了驗證仿真結果的準確性，利用“鯤龍500”進行集礦作業車直線行駛試驗進行驗證。 給予集礦作業車以一定的控制電壓（左6 V，右6 V），使集礦作業車進行水下行駛試驗。

3.3 對比分析

圖3 為集礦作業車直線行走時其質心處的行駛速度曲線及試驗曲線，履帶式集礦機在重力作用下陷入深海表層稀軟底質土直至趨于穩定。 從2 s 開始驅動輪開始轉動直到給定轉動角速度，集礦機履帶因為存在滑轉滑移現象，其速度會在一定值周圍波動。 由圖可知，仿真試驗中履帶式集礦機平均速度為0.69 m／s，最大速度為0.74 m／s，最小速度為0.60 m／s，振幅為0.09。 集礦車實驗室試驗中平均速度為0.72 m／s，最大速度為0.76 m／s，最小速度為0.67 m／s，振幅為0.05，試驗結果與仿真結果接近。

圖3 履帶式集礦機直線行駛速度曲線

通過試驗與仿真結果的對比驗證了多體動力學的計算準確性與效果。

4 中國五礦C?C 礦區行走動力學分析

利用中國五礦C?C 礦區的土壤參數，討論“鯤龍500”在深海土壤與陸地重黏土及深海土壤轉彎半徑與速度差的關系。

集礦機轉向行走仿真時，設置右側履帶的驅動函數為STEP（t，0，0，5，150D），左側履帶的驅動函數為STEP（t，0，0，5，150D）＋STEP（t，5，0，6，60D），其中t為時間。 圖4 為集礦車分別在海底稀軟底質土及陸地典型重黏土上轉向行走的仿真曲線。 在深海稀軟底質土中，集礦機的轉動角速度大，轉彎半徑??；在重黏土中，集礦機的轉動角速度小，轉彎半徑大。 深海稀軟底質土剪切強度小，呈流質狀態，因此集礦機側向轉動相比于陸地重黏土受到的剪切力小，因此集礦機在深海的轉向半徑要小于在重黏土中的轉向半徑。

圖4 集礦機在不同土壤中行走軌跡仿真曲線

圖5 是集礦機以不同速度差在深海表層稀軟底質土中的轉向運動軌跡圖。 設置右側履帶的驅動函數為STEP（t，0，0，5，150D）左側履帶的驅動函數為STEP（t，0，0，5，150D）＋STEP（t，5，0，6，W），其中t為時間，W分別取60D，90D，120D（分別對應case1，2，3）。 由圖5 不難發現，隨著速度差逐漸變大，其轉彎半徑逐漸變小。

圖5 集礦機以不同速度差在稀軟底質土上轉向時的運動軌跡

5 結 論

1） 基于經典車輛力學的承壓模型和剪切模型，結合新型履帶式集礦車“鯤龍500”的具體設計方案，根據深海稀軟底質土的力學特性參數，建立了稀軟底質地面力學模型。

2） 利用多體動力學仿真軟件建立了履帶式集礦車“鯤龍500”的三維動力學模型，通過履帶地面接觸建立了履帶式集礦車與地面相互作用關系子模型。

3） 對新一代履帶式集礦機直線行走性能進行了仿真，并通過“鯤龍500”實驗室試驗結果與仿真結果進行了對比分析，驗證了該模型的準確性。

4） 利用構建的模型對中國五礦深海土壤進行了行走動力學分析。 結果表明，集礦機兩側的速度差越大，集礦機的轉彎半徑越??；相比于陸地重黏土，集礦機在深海土壤上轉彎半徑小，轉動角速度大。