水射流辅助下降低钴结壳切削冲击:理论与实验验证

本文主要探讨了在深海采矿中如何利用水射流辅助刀具切削钴结壳以提高集矿机的行走安全性和工作效率。钴结壳因其富含金属钴而备受关注，作为战略金属的重要来源，深海钴结壳开采已成为国际关注的焦点。深海钴结壳资源广泛分布于太平洋、大西洋和印度洋的特定海域，如太平洋西岸的火山构造隆起带和夏威夷群岛—约翰斯顿环礁专属经济区。 文章首先针对单个截齿在切削钴结壳时的受力进行了深入分析，构建了水射流辅助刀具切削的力学模型。通过仿真计算，研究了水射流压力与刀具在钴结壳表面产生初始裂纹所需的最小切削力之间的关系。结果显示，水射流的介入可以显著降低刀具所需的最小切削力，特别是在水射流作用点与刀具作用点重合时效果尤为明显。随着水射流压力的增加，这种降低趋势更为显著。 接着，作者进行了水射流辅助刀具切削钴结壳的模拟料实验。实验对比了水射流辅助切削与纯刀具切削的效果，发现冲击载荷大幅减少。特别是当水射流压力为5兆帕时，冲击载荷的最大值下降了大约50%，有效值也有所下降，这证明了水射流在减小冲击载荷方面的作用。 深海钴结壳的开采通常采用自行式集矿机，配备切割头进行开采。切割头的性能直接影响集矿机的开采效率。通过引入水射流辅助技术，不仅可以改善切削过程中的应力分布，还能提升集矿机的稳定性和安全性，从而优化整体的开采作业。 本文的研究对于深海钴结壳的高效、安全开采具有重要意义，为改进集矿机设计和优化深海采矿工艺提供了理论依据和技术支持。在未来，随着技术的不断发展，水射流辅助切削可能会成为深海采矿领域的一项关键技术。