[0001] 本发明涉及深海集矿技术领域，尤其涉及一种配备实时定位与动力系统的深海集矿网兜装置及设计、使用方法。

[0002] 深海矿产资源丰富包括多金属结核、富钴结壳以及多金属硫化物等，但通常位于深水区，商业开采难度大。深海采矿是一项庞大而复杂的工程，涵盖勘查、采矿、选冶和运输等产业链流程，融合了海底作业、水下输送、动力输配、中央控制和水面支持的全方位平台和系统装备体系，可能成为人类能够操纵的最大深海作业系统，被视为世界各国科技竞争的前沿领域。

[0003] 传统的深海采矿采用硬管提升矿石，管道易受洋流影响，稳定性较差且效率较低。实现长距离的矿石提升时，需要将矿石和海水同步泵送，耗费大量能源且效率较低，且由于管道直径限制，无法实现大重量矿石的同步提升。而改变传统方法，采用先收集海底矿石至网兜再提升的矿石网兜方案，则需解决网兜尺寸设计、微小矿粒收集、水中形态调整及与海底集矿点的相对位置关系等难题。

[0049] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0050] 实施例一

[0051] 如图1至图4所示，本实施例中，提供了一种配备实时定位与动力系统的深海集矿网兜装置，包括网兜、动力驱动装置、位置追踪传感器3和智能传感绳6；所述网兜包括网兜骨架和标识衬布13，长方体形的网兜骨架内部中空且顶部设置有与其内部连通的封面收口17，所述标识衬布13位于所述网兜骨架的内部并与其内壁固定连接；四个动力驱动装置分别经相应的智能传感绳6与所述网兜骨架的周向四侧相连，所述智能传感绳6用于反馈网兜骨架的受力情况；网兜骨架的底部四角分别设置有一个位置追踪传感器3，所述位置追踪传感器3用于实时获取网兜骨架角点的坐标；所述动力驱动装置与提升主缆相连，所述动力驱动装置与所述位置追踪传感器3和所述智能传感绳6进行信号交互，以在起吊或下放网兜的过程中对网兜的位置和形态进行调整。

[0052] 网兜骨架作为承重机构，网兜骨架内的标识衬布13为芳纶纤维滤布，以防止漏料并平均分布矿物重量，不做受力要求。网兜骨架的四周分别连接有一个动力驱动装置，用于吊挂网兜骨架的四侧，提升主缆的一端与采矿船只上的卷扬机相连，另一端包括四股绳，分别与四个动力驱动装置相连，以提升网兜。

[0053] 本实施例中，所述网兜骨架包括主受力绳1和次受力绳2，多个所述主受力绳1均匀间隔纵向环设，多个所述次受力绳2沿垂直于所述主受力绳1的方向均匀间隔横向环设，所述主受力绳1与所述次受力绳2在两者的交叉点处固定连接。主受力绳1主要用于承担矿物重量，次受力绳2主要用于起到环向约束作用。

[0054] 如图4所示，所述主受力绳1和所述次受力绳2的结构相同，均包括芳纶纤维束14、光纤受力传感绳芯15和外包芳纶纤维保护层16，多股芳纶纤维束14沿所述光纤受力传感绳芯15的长度方向在其外周弯曲缠绕；所述外包芳纶纤维保护层16包覆在多股缠绕在光纤受力传感绳上的芳纶纤维束14的外周。

[0055] 所述主受力绳1和所述次受力绳2的转弯处均采用编织套管套设进行加粗，所述编织套管的直径为相应受力绳直径的两倍，以保证弯曲处安全；如图1和图2所示，加粗位置分别为底部转弯加粗4和环周转弯加粗5。位于网兜骨架底部四角的主受力绳1转弯处的编制套管上设置有位置追踪传感器3。

[0056] 本实施例中，所述网兜骨架的周向各侧的各个主受力绳1分别经一条智能传感绳6与该侧的动力驱动装置相连；位于网兜骨架周向各侧的主受力绳1分别与该侧的各个智能传感绳6铰接连接。网兜骨架周向每侧连接的智能传感器绳与该侧的主受力绳1的数量相等，具体根据实际情况进行设置。

[0057] 如图5所示，本实施例中，所述动力驱动装置包括吊环10、吊绳9、动力组件8、安装板7和信号接收处理器，提升主缆与吊环10相连，所述吊环10经吊绳9与所述动力组件8相连，所述安装板7铰接在所述动力组件8上，所述智能传感绳6远离所述网兜骨架的一端与所述安装板7固定连接；所述信号接收处理器与动力组件8、位置追踪传感器3和智能传感绳6无线连接。

[0058] 所述动力组件8包括动力箱11和带网板孔涡轮增压驱动件12，所述动力箱11与所述带网板孔涡轮增压驱动件12和所述吊绳9相连，所述带网板孔涡轮增压驱动件12经与安装板7铰接。

[0059] 动力箱11为带网板孔涡轮增压驱动件12提供动力输出，带网板孔涡轮增压驱动件12根据网兜各角点的三维坐标信息，分析显示网兜在海流中的运动姿态，控制网兜的水平移动和自旋转，防止提升主缆旋转失效。在深海作业中，当网兜在升降过程中受到洋流和重力等外力作用而发生过度旋转时，动力组件8中的带网板孔涡轮增压驱动件12通过实时调控施加反向扭矩，纠正网兜的旋转角度。该过程利用涡轮增压驱动件产生的力矩，通过调整吊绳9的张力，实现对网兜自旋的有效抑制，防止提升主缆因过度扭转而失效，从而保障作业的稳定性和安全性。当位置追踪传感器3检测到网兜受海流影响而产生水平偏移时，动力组件8通过带网板孔涡轮增压驱动件12精准调控吊绳9的张力和方向，施加矫正力，将网兜重新定位在竖直路径上。此控制过程确保网兜在下放和提升过程中保持竖直运动，避免因海流造成偏移对海底作业效率的影响，实现高效、精确的操作。

[0060] 本实施例中，动力箱11采用电池供电，电池具备缺电预警功能。

[0061] 实施例二

[0062] 本实施例中，提供了一种深海集矿网兜装置的设计方法，包括如下步骤，[0063] S1、根据已知设计重量，计算网兜总体尺寸及网兜承载能力；

[0064]

[0065] Nt≈10mg

[0066] 其中，V为矿石网兜体积；a为长方体矿石网兜设计底面边长；h为长方体矿石网兜设计高度；γ为体积冗余放大系数；m为设计重量；ρ0为矿石密度；Nt为矿石网兜设计承载2
力；g为重力加速度，取10m/s；

[0067] S2、根据网兜总体尺寸及网兜承载能力，计算确定主受力绳1数量及承载能力；

[0068]

[0069]

[0070] 其中，n为主受力绳1数量；Nl为主受力绳1设计承载力；

[0071] S3、根据网兜总体尺寸及衬布密度，计算确定提升阻力；

[0072] CD＝1.0+1.365Sn+0.780Sn2

[0073]

[0074]

[0075] A≈1.5a2

[0076] 其中，CD为提升阻力系数，CD需计算网兜与衬布两者阻力之和；Sn为网眼密实度；dw为网股直径；lw为网目长度；Fd为提升过程中水流阻力；ρ为海水的密度；v为网兜提升的速度；A为网兜在水流方向上的投影面积；

[0077] S4、根据网兜的尺寸和波浪流速范围，计算确定网兜承受的波浪力；

[0078]

[0079] 其中，Fw为波浪力；vw为波浪流速；Cd为波浪阻力系数，约取0.8；Cm为惯性系数，约取1.8； 为波浪流速随时间的变化率；

[0080] S5、根据网兜的提升阻力、波浪力和设计重量，计算提升缆索尺寸；

[0081]

[0082] 其中，d为提升缆索直径；Nl为主受力绳1设计承载力；E为芳纶纤维杨氏模量；α为尺寸冗余放大系数。

[0083] 根据上述方法给出典型重量和相应设计尺寸，如表1和表2所示。

[0084] 表1芳纶纤维网兜尺寸及主受力绳参数

[0085]

[0086]

[0087] 注：主受力绳数量为各侧绳数量之和，各方案单侧绳数量分别为81、101、127、213。

[0088] 表2芳纶纤维网兜次受力绳参数

[0089]

[0090] 实施例三

[0091] 本实施例中，提供了一种深海集矿网兜装置的使用方法，包括如下步骤，[0092] 网兜下放：采矿船只移动至海底集矿点位附近，网兜在提升主缆牵引下从采矿船只处以一定速度下放至海洋环境中；

[0093] 网兜定位：网兜下放过程中，通过位置追踪传感器3实时传回网兜的定位，根据网兜与集矿点的相对位置关系，采用动力驱动装置调整网兜装置位置，使网兜装置处于集矿点的垂直方向上；

[0094] 网兜调整：网兜在下放与提升过程中，通过实时收集网兜各角点的三维坐标信息，分析网兜在海流中的运动姿态，使用动力驱动装置控制网兜的旋转，防止提升主缆旋转失效；

[0095] 网兜装填：网兜下放至集矿点附近，使用输矿车将矿石从网兜封面收口17处装填进网兜内；控制矿石总干重不超过网兜装置的设计装载重量；

[0096] 网兜提升：网兜装填完矿石后封闭封面收口17，使用提升主缆将网兜提升至海面采矿船只处。

[0097] 通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

[0098] 本发明提供了一种配备实时定位与公里系统的深海集矿网兜装置及设计、使用方法，本发明采用矿石网兜提升方案，先收集矿石，再提升，改变了传统软硬管矿石提升方法，能够显著提高矿石提升作业效率，降低能耗。本发明利用智能传感绳和位置追踪传感器，实现了网兜受力实时感知和各角点三维坐标实时追踪。本发明采用衬布与主次受力绳结合的矿石网兜形式，保证受力安全性的同时，实现了毫米级粒径矿石的收集。本发明的动力驱动装置根据网兜的位置和受力分析网兜的运动姿态，并调整网兜的旋转，避免提升主缆旋转失效。绳索采用芳纶纤维材料，芳纶纤维密度低、模量大、强度高、耐腐蚀性好，可在‑196～204℃连续工作，较好地适应于深海采矿场景。芳纶可纺性好，可生产成不同纤度、长度的短纤维和长丝，在一般纺织机械制成不同纱支织成面料、无纺布，便于制作网兜和绳索；其对摩擦的抗性较好，适用于需要防止磨损的应用，有利于反复高强度作业。动力驱动装置采用无线通信的方式与传感器进行信号交互，避免线缆缠绕的问题。而且动力驱动装置能够有效控制并修正集矿网兜的水平位置与扭转姿态，防止网兜在洋流作用下发生漂移，并避免因提升主缆过度旋转导致的材料强度下降，从而确保提升作业的安全性与可靠性。本发明给出了网兜的设计方法，技术人员能够根据实际情况进行网兜的设计，从而保证网兜的提升能力。

[0099] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。