[0001] 本发明涉及海洋采矿装备技术领域，具体涉及一种全地形海底采矿车行走装置。

[0002] 能源是经济社会发展的基础，随着现代化工业的不断发展、陆路矿产资源的日趋匮乏，世界各国正逐步加紧海洋资源的开发利用。与陆地相比，深邃的海洋中蕴藏着丰富的资源宝藏，除了油气资源外，深海(水深大于5000m)中还含有丰富的多金属结核和硫化物。深海海底固体矿产资源的开发利用也受到世界各国的青睐。由于履带式采矿车比其他集矿机构的接地面积大，能产生较大的牵引力，有较好的可行驶性和操纵性，且其对海底环境的影响程度能够满足海底行驶要求，因此履带式采矿车成为海底采矿的首选形式。

[0003] 根据深海多金属结核矿床地质条件，海底履带式采矿车与传统履带式行走机构的工作环境有很大的区别，主要表现在：土层稀软、孔隙比高、压缩性高，基底承载能力低等方面，因此深海土无法提供传统履带式集矿机所需要的进行动力。除此之外，海底地形条件比较复杂，结核矿区常存在一定的地形坡度或障碍物，导致采矿车容易出现沉陷、打滑、越障困难等现象，进而造成行车困难，降低采矿效率。

[0004] 在本发明之前，对履带式海底采矿车的改进主要集中在履齿结构的改进。例如，专利号为CN202110269215.3的中国专利公布了一种分段式海底采矿车履带，其包括一段中间履带和两段侧边履带，各个履带可独立运转，相互之间无干扰；所述中间履带上布有固定剪切履齿，所述侧边履带上设有角度可调的履齿；所述可调节履齿由转动齿体和装配杆构成。该专利可解决海底采矿车容易出现的沉陷和打滑问题，但针对有障碍物的矿区，其仅能通过改变采矿轨迹来实现。然而，传统海底采矿车行走机构的最小转弯半径为15m，因此，通过改变采矿轨迹的技术方案绕过障碍物进行采矿，将无法实现矿区的全覆盖采集，影响采矿效率。因此，现有技术需要进一步改进和提高。

[0037] 下面结合附图对本发明进行详细说明：

[0038] 实施例，结合图1至图9，一种全地形海底采矿车行走装置，包括车架1、转向机构3及两个履带行走单元2，所述车架1为钢架结构，车架1包括纵向平行布置的三个纵梁11以及沿纵梁11的长度方向依次间隔布置的三个横梁12，各横梁12均与三个纵梁11固定相连成一体结构的平面框架，两个履带行走单元2对称布置在车架1的左右两侧，车架1的左右两侧分别与两个履带行走单元2固定相连。

[0039] 所述履带行走单元2包括履带支架21、驱动轮22、导向轮23、链条4及支重轮24，车架1左右两侧的两个纵梁11分别与两个履带支架21固定相连成一体，履带支架21位于履带行走单元2的上部。驱动轮22和导向轮23分别设置在履带支架21的前后两端，并且与履带支架21转动相连。车架1距离地面具有一定的高度，以实现具有较好的越障能力，海底采矿车行走装置能够防止沉陷、打滑、适应浅层海底的地形起伏变化，并可实现原地360°转弯。

[0040] 所述支重轮24有多组，多组支重轮24由前往后依次布置在履带支架21下方，每组支重轮24均通过一个游丝悬挂机构与履带支架21活动相连，各组支重轮24及其上方的游丝悬挂机构对履带支架21、车架1以及位于车架1上的设备起支撑作用。每组所述支重轮24包括左右间隔布置的两个支重轮24，同组的两个支重轮24通过一个转轴241相连，所述转轴241上套设有轴承座242。

[0041] 游丝悬挂机构位于转轴241和履带支架21之间，其上端与履带支架21转动相连，下端与转轴241转动相连。具体地，游丝悬挂机构包括连杆51、液压避震器52和游丝弹簧53，连杆51和液压避震器52一前一后呈“V”结构布置，连杆51和液压避震器52的上端分别与履带支架21的底部转动相连，连杆51和液压避震器52的下端与轴承座242转动相连。所述游丝弹簧53套设在液压避震器52上，游丝弹簧53始终处于压缩状态。当所述海底采矿车在有斜坡或障碍物的矿区工作时，大行程的悬挂机构可保证海底采矿车的稳定性，使其具有良好的机动性能，游丝悬挂机构可根据地形的状况自行调节各支重轮24的高度变化，具备更强的斜坡及越障能力。

[0042] 所述链条4套设在履带支架21、驱动轮22、导向轮23及各支重轮24的外部，链条4是由多个链板41收首尾依次转动相连构成的闭合结构，链板41的主体部分为长方形平板，链板41位于其行进方向的一侧具有间隔布置的两个延伸部411，另一侧具有与延伸部411数量相等且位于对应匹配的容纳槽412。任意一个链板41的延伸部411可伸至相邻另一个链板41的容纳槽412内，通过销轴与相邻另一个链板41转动相连。

[0043] 驱动轮22和导向轮23均为齿轮结构，各链板41的内表面上均具与驱动轮22或导向轮23的轮齿相配合的齿槽42。驱动轮22和导向轮23均与链条4内侧啮合，所述链条4的外表面具有规则排布的多个方形槽。

[0044] 具体地，各链板41的外表面上具有一个横向履齿43以及与横向履齿43垂直相交的五个纵向履齿44，五个纵向履齿44沿横向履齿43的延伸方向等间隔排布。横向履齿43位于链板41的中部，其中两个纵向履齿44分别位于链板41的左右两端。

[0045] 横向履齿43和纵向履齿44的根部均与链板41一体成型，横向履齿43的截面为根部宽、端部窄的楔形结构，任意相邻的两个横向履齿43与各纵向履齿44之间形成所述方形槽。

[0046] 但履带式采矿车的行走过程是一个复杂的结构‑土相互作用问题，研究表明，当采矿车进行工作时，不仅会引起海底土层中应力的重分布，产生力的作用，同时还会引起相应的应变重分布，产生位移。在履带中布设长度适宜的横向和纵向履齿，可在一定范围内限制土体的位移，进而对土体起到一定的密实、加固作用，可有效预防打滑和沉陷的发生。

[0047] 本实施例的改进方法由严格的数学解析推导而来。

[0048] 在解析模型建立过程中引入如下假定：土体为粘弹性材料，稳定后的结构与土体系统在荷载作用下产生的变形为小变形。根据弹性动力学理论和连续介质理论，可以建立移动荷载作用下的土体运动方程为：

[0049]

[0050] 式中，ui为土体的位移张量(m)，λ和μ为土体拉梅常数(MPa)，εkk,i为土体的应变张量，ρ为土体的密度(kg/m3)，

[0051] 引入Fourier变换并结合边界条件可推导得到履带式采矿车行走过程中土体x，y和z方向的位移响应u，v和w分别为：

[0052]

[0053]

[0054]

[0055] 式中，u、v和w分别为x、y和z方向上的位移，(x，y，z)为空间坐标系中的点，ξ、η和ω分别为x、y和z的波数，n1、d1、d2、τ和k分别为解析过程的中间量， 为荷载，i为虚数单位。由式(2)、(3)、(4)和图8可知，履带式采矿车工作时，在荷载作用下，土体将会沿着x、y和z三个方向运动。限制x、y和z方向上的位移将使土体发生自密实，在一定程度上起到加固的作用，有助于防止沉陷、打滑现象的发生。

[0056] 作为本发明的一种优选方案，履带支架21的前端左右两侧具有相对布置两个驱动轮22，两个驱动轮22通过第一连接轴固定相连。履带支架21的后端左右两侧具有相对布置两个导向轮23，两个导向轮23通过第二连接轴固定相连，第一、第二连接轴均与履带支架21转动配合。

[0057] 车架1的前侧设有双输出轴电机，双输出轴电机左右两侧对称设有两个所述转向机构3，各转向机构3可对同侧的驱动轮22作用实现其驱动或制动。

[0058] 转向机构3包括转动飞轮31、离合驱动盘32、离合制动盘33和花键轴34，转动飞轮31固定于驱动轮22靠近的双输出轴电机一侧的外壁上，花键轴34的一端与双输出轴电机的对应输出端同轴固定相连。

[0059] 离合驱动盘32通过花键连接的方式设置在花键轴34的另一端，离合驱动盘32采用离合方式可带动驱动轮22转动。离合制动盘33套设于离合驱动盘32的外部，离合制动盘33采用离合方式可对驱动轮22制动。

[0060] 具体地，所述花键轴34的外侧套设有花键套35，所述花键套35与花键套35轴向滑动配合，花键套35远离双输出轴电机的一端与离合驱动盘32同轴固定相连成一体,花键套35与离合驱动盘32同步运动，花键套35靠近双输出轴电机的一端的圆周表面上开设有环形槽351，所述花键套35的一侧设有拨叉36，所述拨叉36的中部下方设置有支撑座361，拨叉36与支撑座361的上端转动相连，拨叉36可绕支撑座361的上端水平转动。

[0061] 所述拨叉36的槽口端插设于花键套35的环形槽351内，拨叉36沿花键套35轴向的两侧分别设置有一个止推轴承37，两个止推轴承37分别位于环形槽351内，拨叉36与两个止推轴承37之间均具有活动间隙，拨叉36的另一端铰接有驱动杆362，驱动杆362可与操纵机构相连，其作用是提供对拨叉36转动的力，通过拨叉36的杠杆作用驱动花键套35带动离合驱动盘32向转动飞轮31运动并对其压紧，通过摩擦力带动驱动轮22转动实现履带行走单元2前进或者后退。

[0062] 另外，离合制动盘33靠近双输出轴电机的一侧设置有导向支撑套38，导向支撑套38圆筒状结构，与离合制动盘33同轴布置，导向支撑套38的一端套设在离合制动盘33对应端的内侧，离合制动盘33的内壁与导向支撑套38的外壁花键配合，导向支撑套38远离离合制动盘33的一端与支撑座361固定相连，离合制动盘33可相对于导向支撑套38沿其轴向滑动。导向支撑套38的圆周外壁上设置有三个油缸39，三个油缸39呈环形均匀布置，油缸39的缸体与导向支撑套38固定相连，其活塞杆端部与离合制动盘33的外壁固定相连，三个油缸
39的信号端与控制器信号连接，控制器采用现有已有的控制器，其控制三个油缸39同步伸缩，并驱动离合制动盘33靠近或远离转动飞轮31。当离合制动盘33与转动飞轮31接触并保持压紧转动飞轮31时，离合制动盘33对转动飞轮31的摩擦力使其减速并制动。

[0063] 一种全地形海底采矿车行走装置的行走及转向过程如下：行走时，驱动杆362对拨叉36的一端施加拉力，拨叉36的槽口端驱动花键套35带动离合驱动盘32对转动飞轮31压紧，同时，双输出轴电机的输出端通过花键套35驱动离合驱动盘32转动，离合驱动盘32通过摩擦力带动驱动轮22转动，所述驱动轮22与链板41内侧的齿槽42啮合并驱动链条4运动，实现履带行走单元2，此过程中，离合制动盘33与转动飞轮31分离不接触。

[0064] 转向时，其中一侧的履带行走单元2保持行进状态，另一侧的履带行走单元2保持制动状态。另一侧履带行走单元2的制动过程如下，驱动杆362对拨叉36的一端施加推力，拨叉36的槽口端驱动花键套35带动离合驱动盘32与转动飞轮31分离，解除对驱动轮22的驱动力。同时，三个油缸39的活塞杆同步伸出驱动离合制动盘33与转动飞轮31接触并保持压紧转动飞轮31，离合制动盘33对转动飞轮31的摩擦力使其快速制动，并使另一侧履带行走单元2的链条4停止运动，全地形海底采矿车行走装置向停止运动的履带行走单元2转向，实现其较小的转向半径，具备较高的转向机动性。

[0065] 本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

[0066] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0067] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0068] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。