СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УДЕРЖАНИЯ ГУСЕНИЧНОГО АГРЕГАТА СБОРА В ЗАДАННОМ ПРОСТРАНСТВЕННОМ ПОЛОЖЕНИИ ОТНОСИТЕЛЬНО ДНА

Техническое решение относится к подводной технике освоения минеральных ресурсов дна морей и океанов, предназначенной для отработки поверхностных, россыпных месторождений твердых полезных ископаемых, преимущественно железомарганцевых конкреций (ЖМК).
Известно устройство по патенту США №5203099 «Автономная мобильная драга» состоящее из конструктивно жестко связанных между собой, ходовой части с гусеничными движителями и, фронтально расположенного, относительно ходовой части, выемочного технологического оборудования.
Однако использование для ведения добычных работ гусеничного агрегата сбора с постоянной площадью опорных поверхностей и механизма вертикального перемещения выемочного технологического оборудования с фиксированным положением рабочего органа имеет ряд недостатков:
1. Физико-механические свойства грунта на продуктивном участке различны, а, соответственно, несущая способность грунта не является величиной постоянной и непрерывно меняется в достаточно широком диапазоне по площади продуктивного участка залежи ЖМК. Поэтому при ведении добычных работ пространственное положение (крен, дифферент, глубина погружения в грунт) гусеничного агрегата сбора и, соответственно, выемочного технологического оборудования относительно поверхности дна, непрерывно изменяется и, как следствие, пространственное положение рабочего органа относительно забоя также изменяется. Заданная полнота выемки ЖМК из забоя, практически при всех вариантах изменения нормированного пространственного положения рабочего органа, уменьшается и, соответственно, уменьшается планируемый объем добычи ЖМК.
2. При изменении нормируемого (заданного) пространственного положения гусеничного агрегата сбора в процессе добычи ЖМК отношение объема вынимаемых из забоя пустых пород к объему вынимаемых из забоя ЖМК всегда увеличивается. Увеличение объемов вынимаемых из забоя пустых пород приводит:
- к увеличению энергоемкости процесса добычи ЖМК по всей технологической цепочке движения транспортируемой системы «ЖМК+грунт» (сбор, подача к системе подъема, подъем на добывающее судно, отделение ЖМК от вмещающих пород, ликвидация отходов), как для каждого звена отдельно, так и для всей технологической цепочки в целом;
- при работе гусеничного агрегата сбора увеличивается высота подъема «мутьевого облака» осадка и зона его распространения в придонной области, тем самым, увеличивая негативное экологическое воздействие на окружающую среду;
- при сбросе в морскую среду отделенных пустых пород с добывающего судна на заданную глубину сброса увеличивается зона распространения, создаваемого при этом «мутьевого облака» осадка, и, соответственно, увеличивается негативное экологическое влияние сбрасываемых пустых пород на окружающую среду в толще морской воды.
3. При снижении текущего значения несущей способности грунта ниже нормированной ее величины гусеничный агрегат сбора начинает проваливаться в грунт и величина его осадки увеличивается, что приводит (дополнительно к вышеизложенному):
3.1. К ухудшению маневренности и проходимости ходовой части гусеничного агрегата сбора;
3.2. К увеличению степени и объемов разрушения продуктивного слоя дна, тем самым увеличивая ущерб, наносимый окружающей среде в придонной области.
Поэтому проектировщики агрегатов сбора стремятся уменьшить величину проваливания ходовой части в грунт.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и принятым за прототип является техническое решение по патенту США №4232903 «Морская добычная система и процесс», содержащее добычное судно, подводный агрегат сбора с гусеничной ходовой частью, выемочный рабочий орган, датчики местоположения подводного добывающего агрегата, датчики движения и средства управления.
Однако приведенное техническое решение, хоть и уменьшает негативное влияние изменения глубины проваливания рабочей машины (агрегата сбора), с навесным технологическим оборудованием, предотвращая значительное разрушение грунта и изменение ходовых качеств машин, но не решает задачу удержания рабочей машины, при изменении физико-механических свойств грунта, на нормируемой величине осадки.
При резком уменьшении величины несущей способности грунта возникает опасность возникновения аварийной ситуации. Гусеничный агрегат сбора останавливается. Оператор, дистанционно управляющий процессом добычи ЖМК, фиксирует остановку и возникновение аварийной ситуации.
При этом:
- для принятия решения о мерах по ликвидации аварии необходимо установить причину ее возникновения при условии, что таких причин может быть несколько. Например, к остановке гусеничного агрегата сбора приводит заклинивание гусеничной цепи движителя. На выяснение причины аварии может затрачиваться значительное время;
- чем на большую глубину в грунт проваливается гусеничный агрегат сбора, тем больше потребная, затрачиваемая на поднятие и отрыв от грунта, подъемная сила и тем больше требуется времени, необходимого для проведения глубоководных аварийно - спасательных работ.
Поскольку авария это форс-мажорное обстоятельство, то время, затрачиваемое на выяснение причины аварии и проведение аварийно - спасательных работ, сокращает планируемое добычное время и, как следствие, уменьшается объем добычи ЖМК в заданный интервал времени.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое техническое решение, являются:
- обеспечение заданной полноты выемки ЖМК из забоя рабочим органом при ведении добычных работ на продуктивном участке;
- уменьшение энергоемкости процесса добычи ЖМК;
- уменьшение негативного экологического воздействия процесса добычи ЖМК на окружающую среду в придонной области и в толще морской воды;
- формирование информации оператору о причине возникновения аварийной ситуации;
- ограничение проваливания гусеничного агрегата сбора в грунт при возникновении аварийной ситуации.
В предлагаемом техническом решении, для удержания гусеничного агрегата сбора на нормируемой величине осадки, используется механизм натяжения гусеничной цепи с автоматической регулировкой усилий натяжения (или ослабления) гусеничной цепи, обеспечивая заданную величину изменения площади опорных поверхностей ходовой части гусеничного агрегата сбора.
Технический результат достигается за счет того, что на гусеничном агрегате сбора устанавливается система, которая в процессе сбора и выемки из забоя ЖМК, обеспечивает автоматическое удержание гусеничного агрегата сбора в заданном пространственном положении относительно поверхности дна и забоя. При возникновении аварийной ситуации формируется и передается сигнал оператору о возникновении аварийной ситуации. Предусмотрены горизонтальные защитные панели, снижающие распространение, возникающего «мутьевого облака» при взаимодействии рабочего органа и агрегата сбора с осадочными грунтами, и выполняющие роль ограничителей при заглублении ходовой части агрегата сбора в мягкие осадочные грунты предотвращающие значительное проваливание гусеничного агрегата сбора в грунт.
Пример реализации предложенной системы автоматического удержания гусеничного агрегата сбора в заданном пространственном положении относительно поверхности дна состоит из следующих элементов:
1. Датчики измерения глубины погружения в грунт в количестве 6 единиц:
- четыре датчика установлены вертикально по периметру ходовой части гусеничного агрегата сбора по углам прямоугольной схемы размещения и предназначены для определения пространственного положения гусеничного агрегата сбора относительно поверхности грунта (глубина погружения в грунт, крен, дифферент). Основание датчиков устанавливается на одном уровне с основанием опорных поверхностей гусеничных движителей так, чтобы каждый датчик определял величину заглубления (отклонения) этой опорной поверхности движителя от нормируемой величины. При движении агрегата сбора и при переходе его с одного участка на другой, на котором грунт имеет другую несущую способность, опорные поверхности гусениц будут заглубляться на величину, отличающуюся от нормируемой величины, а датчики будут контролировать это отличие;
- два датчика установлены вертикально по боковым поверхностям выемочного технологического оборудования и предназначены для определения его глубины погружения в грунт и измерения отклонения, в процессе добычи, от нормируемой глубины забоя. При первоначальной установке датчиков учитывается взаимное положение по глубине погружения в грунт оснований этих датчиков и датчиков, установленных на ходовой части (по периметру).
2. Механизм вертикального перемещения представляет собой исполнительный орган выемочного технологического оборудования и предназначен для установки и автоматического регулирования вертикального положения рабочего органа.
3. Механизм натяжения гусеничных цепей в количестве 2-х единиц - представляет собой исполнительный орган ходовой части, расположен на гусеничном движителе и предназначен для автоматического регулирования натяжения гусеничной цепи, следствием которого является изменение (увеличение или уменьшение) площади опорной поверхности гусеничного движителя. Данный механизм устанавливается на гусеничных движителях левого и правого бортов ходовой части. Таким образом, обеспечивается раздельная и синхронная работа механизмов натяжения цепи левого и правого бортов.
4. Концевые выключатели в количестве 4-х единиц - предназначены для формирования и выдачи сигнала о достижении предельного значения натяжения, или ослабления, гусеничной цепи. По два концевых выключателя устанавливаются на каждом механизме натяжения цепи.
5. Две защитные панели, установленные параллельно опорной поверхности вдоль левого и правого бортов гусеничного агрегата и предназначенные:
- в нормальном режиме работы гусеничного агрегата сбора обеспечивают уменьшение высоты распространения «мутьевого облака» осадка, которое создается гусеничными движителями и выемочным технологическим оборудованием при движении гусеничного агрегата сбора, уменьшая тем самым зону распространения «мутьевого облака» осадка и время осаждения осадка на площади продуктивного участка месторождения ЖМК;
- при возникновении аварийной ситуации ограничивают глубину проваливания в грунт гусеничного агрегата сбора на заданную величину высоты установки защитной панели от опорной поверхности. Проваливание в грунт прекращается за счет формирования защитной панелью дополнительной площади опорной поверхности при установке защитной панели на поверхность грунта. При этом вертикальное положение гусеничного агрегата сбора фиксируется. Знание фиксированной величины глубины проваливания гусеничного агрегата сбора в грунт позволяет заранее оценить величины сил отрыва от грунта и подъема гусеничного агрегата сбора и разработать технологию проведения аварийно-спасательных работ и ее техническое обеспечение.
6. Вычислительный блок, который предназначен:
- для проведения вычислительных операций по принятому алгоритму управления и контроля, обеспечивающего автоматическое удержание гусеничного агрегата сбора в заданном пространственном положении относительно грунта;
- для формирования сигналов управления на исполнительные органы ходовой части и выемочного технологического оборудования. Предусмотрено раздельное и совместное управление исполнительными органами левого и правого бортов;
- для контроля автоматического процесса удержания гусеничного агрегата сбора в заданном пространственном положении относительно поверхности дна;
- для приема от оператора исходной информации (нормированная глубина осадки, забоя и т.д.) и передачи оператору необходимой текущей информации, включая информацию о возникновении аварийной ситуации;
- предусмотрено два режима работы:
а) основной. Используется, когда диапазон изменения величины натяжения гусеничной цепи обеспечивает автоматическое регулирование и удержание гусеничного агрегата сбора в заданном пространственном положении относительно дна при нормируемых значениях осадки и глубины забоя;
б) дополнительный. Основная задача - автоматическое регулирование и удержание заданного пространственного положения гусеничного агрегата сбора относительно поверхности дна при произвольных значениях осадки и нормируемой величине глубины забоя. Система автоматического удержания гусеничного агрегата сбора в заданном пространственном положении относительно поверхности дна переходит в этот режим работы при поступлении сигнала от концевых выключателей о достижении предельных значений натяжения или ослабления гусеничной цепи движителя.
На Фиг. 1 изображена блок-схема размещения и связей элементов, входящих в состав системы автоматического удержания гусеничного агрегата сбора в заданном пространственном положении относительно поверхности дна, где: 1-6 - датчики измерения глубины погружения в грунт; 7, 8 - механизм натяжения гусеничной цепи; 9 - механизм вертикального перемещения; 10 - вычислительный блок; 11-14 - концевые выключатели; 15, 16 - защитные панели.
Работа системы автоматического удержания гусеничного агрегата сбора в заданном пространственном положении относительно поверхности дна заключается в следующем: после установки гусеничного агрегата сбора на поверхность дна оператор вводит (дистанционно, с борта добывающего судна) в вычислительный блок значения нормируемых величин несущей способности грунта в виде исходных данных. По информации от датчиков измерения глубины погружения в грунт, поступающей в вычислительный блок определяется начальное пространственное положение ходовой части и выемочного технологического оборудования гусеничного агрегата сбора. Вычислительный блок формирует сигналы управления на исполнительные органы механизмов натяжения цепи и вертикального перемещения выемочного технологического оборудования и гусеничный агрегат сбора переводится в заданное пространственное положение для работы в основном режиме. При этом обеспечивается установка заданных величин осадки агрегата сбора в грунт и глубины забоя. Гусеничный агрегат сбора готов к работе. При ведении добычных работ, то есть, при движении и осуществлении выемки ЖМК, гусеничный агрегат сбора автоматически удерживается в заданном пространственном положении относительно дна. Сбор и выемка ЖМК из забоя осуществляется по заданной оператором глубине забоя. При изменении условий движения, вызванных изменением характеристик грунта, вычислительный блок, в зависимости от значений величины заглубления датчиков, автоматически переводит гусеничный агрегат сбора на дополнительный режим работы. Информация о работе вычислительного блока, включая информацию о работе всех датчиков и прогнозе возникновения аварийной ситуации, непрерывно передается оператору на добывающее судно.
Преимущества предлагаемой системы автоматического удержания гусеничного агрегата сбора в заданном пространственном положении относительно поверхности дна:
- обеспечивается заданная полнота выемки ЖМК из забоя и, соответственно, расчетная эффективность добычи ЖМК на продуктивном участке месторождения ЖМК;
- обеспечивается минимальный объем выемки вмещающих (пустых) пород при добычи ЖМК;
- меньше энергоемкость добычи ЖМК;
- меньше негативное экологическое влияния добычных работ на окружающую морскую среду, как в придонной зоне, так и в толще морской воды на заданной глубине сброса отходов;
- обеспечиваются формирование информации о возникновении аварийной ситуации в зоне ведения добычных работ и ограничение проваливания гусеничного агрегата сбора в грунт. Это позволяет использовать заранее разработанную схему аварийно - спасательной операции и, тем самым, уменьшить потери добычного времени при проведении операции по ликвидации аварии.