权利要求

1.一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置，其特征在于，包括气泵(1)、调压阀(2)、电磁阀(3)、2个快排阀(4)、SC气缸(5)、颗粒放置装置(6)和角度调节装置(7);

所述气泵(1)通过管道与所述调压阀(2)的第二进气口(15)连接，所述调压阀(2)的第三出气口(16)通过管道与所述电磁阀(3)的第一进气口(13)连接;所述电磁阀(3)的第一出气口(11)通过1个管道和1个快排阀(4)与所述SC气缸(5)的第一排气端(8)接口连接;所述电磁阀(3)的第二出气口(12)通过1个管道和1个快排阀(4)与所述SC气缸(5)的第二排气端(9)接口进行连接;且2个快排阀(4)设置在所述SC气缸(5)的第一排气端(8)和第二排气端(9)上，用于加速排气过程，快速释放气体，从而增加所述SC气缸(5)内部空气的流动速度，提高颗粒发射的速度与距离;

所述SC气缸(5)安装在所述角度调节装置(7)上，所述颗粒放置装置(6)安装在所述SC气缸(5)右侧端面上，所述颗粒放置装置(6)用于将颗粒放置于所述SC气缸(5)的伸缩杆(10)前端，通过控制所述SC气缸(5)的伸缩来实现颗粒的发射，所述伸缩杆(10)的运动能够根据不同的气压调整颗粒的发射初速，并通过撞击颗粒的不同部位实现颗粒的旋转。

2.根据权利要求1所述的一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置，其特征在于，所述调压阀(2)顶部设置有旋钮(14)，所述旋钮(14)用于调节气体流入所述SC气缸(5)的压力。

3.根据权利要求1所述的一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置，其特征在于，所述电磁阀(3)用于精确控制颗粒的发射时间，使得整个颗粒发射过程能够灵活调整，并能够进行定时控制或远程操作。

4.根据权利要求1所述的一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置，其特征在于，所述快排阀(4)为带快速排气功能的快速排气阀，用于提升发射颗粒的速度与距离;所述快排阀(4)还用于避免气体通过管道进行排放，使得气体直接排放在空气中，从而排气更加迅速，有效提高颗粒的发射效率与射程。

5.根据权利要求1所述的一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置，其特征在于，所述颗粒放置装置(6)具有可更换的定位槽结构，适用于放置不同尺寸或形状的颗粒，通过调整所述颗粒放置装置(6)槽口的尺寸或形状，确保颗粒在发射前能够被所述伸缩杆(10)准确击中。

6.根据权利要求1所述的一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置，其特征在于，所述角度调节装置(7)包括多个伸缩支腿(17)、架体平台(18)、连接管(19)和支撑条(20)，多个伸缩支腿(17)顶部通过架体平台(18)与所述连接管(19)连接，所述连接管(19)底部通过支撑条(20)与伸缩支腿(17)中部铰接，所述SC气缸(5)固定安装在所述连接管(19)顶部。

7.根据权利要求1所述的一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置，其特征在于，该发射装置整体安装于刚性底座上，该刚性底座底部设置有减振垫，以降低所述SC气缸(5)运动带来的冲击振动。

说明书

技术领域

[0001]本发明属于深海采矿过程中颗粒与提升管碰撞特性研究领域，具体是一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置。

背景技术

[0002]在深海采矿技术领域，针对海底矿产颗粒与提升管道的碰撞特性研究，当前普遍缺乏专用可控的颗粒发射实验设备。传统研究方法主要依赖两种技术路线。管道泵送模拟法直接采用采矿系统的水力提升管道进行颗粒碰撞观测，但存在流速不可控、颗粒轨迹随机性大、无法复现特定碰撞参数等问题，导致实验数据置信度低;投掷法通过抓取并抛射颗粒，但其抛射速度无法固定不变，误差较大，角度调节精度差，难以控制变量满足碰撞实验需求。

[0003]现有技术在颗粒发射实验装置方面存在三项关键性缺陷，严重限制了对深海采矿条件下颗粒碰撞行为的模拟研究。首先，在颗粒初速度控制方面，传统装置难以实现精细化调节，通常简单的弹射结构，导致颗粒在发射过程中的初速度波动较大，无法满足对不同速度工况的模拟需求。其次，在粒径大小调节方面，现有设备往往缺乏多粒径适配机制，实验所用颗粒粒径受限，难以覆盖实际深海矿浆中粗、细颗粒混合存在的复杂情况，降低了实验代表性与适用性。第三，在碰撞角度控制方面，由于缺乏可调节的导向或轨迹控制机构，颗粒在飞行过程中角度不可控或受限，无法实现对不同入射角条件下碰撞特性的系统研究。以上三项关键性缺陷：初速度、粒径大小和碰撞角度是影响颗粒碰撞行为的核心变量，直接决定了实验的可重复性与科学价值。然而传统装置在这三方面均存在显著不足，导致实验工况与实际深海采矿环境之间存在明显不匹配，也使得开展变量分离分析与规律探索变得尤为困难，需要进一改进。

发明内容

[0004]本发明提供一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置，该发射装置可有效解决现有装备中颗粒发射精度不足、水下适应性差及无法模拟实际采矿工况的问题，为后续研究提升管中颗粒碰撞行为，分析其碰撞特性提供了一种新思路。

[0005]为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：

[0006]本发明实施例提供了一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置，包括气泵(1)、调压阀(2)、电磁阀(3)、2个快排阀(4)、SC气缸(5)、颗粒放置装置(6)和角度调节装置(7);

[0007]所述气泵(1)通过管道与所述调压阀(2)的第二进气口(15)连接，所述调压阀(2)的第三出气口(16)通过管道与所述电磁阀(3)的第一进气口(13)连接;所述电磁阀(3)的第一出气口(11)通过1个管道和1个快排阀(4)与所述SC气缸(5)的第一排气端(8)接口连接;所述电磁阀(3)的第二出气口(12)通过1个管道和1个快排阀(4)与所述SC气缸(5)的第二排气端(9)接口进行连接;且2个快排阀(4)设置在所述SC气缸(5)的第一排气端(8)和第二排气端(9)上，用于加速排气过程，快速释放气体，从而增加所述SC气缸(5)内部空气的流动速度，提高颗粒发射的速度与距离;

[0008]所述SC气缸(5)安装在所述角度调节装置(7)上，所述颗粒放置装置(6)安装在所述SC气缸(5)右侧端面上，所述颗粒放置装置(6)用于将颗粒放置于所述SC气缸(5)的伸缩杆(10)前端，通过控制所述SC气缸(5)的伸缩来实现颗粒的发射，所述伸缩杆(10)的运动能够根据不同的气压调整颗粒的发射初速，并通过撞击颗粒的不同部位实现颗粒的旋转。

[0009]本发明一优选实施例，所述调压阀(2)顶部设置有旋钮(14)，所述旋钮(14)用于调节气体流入所述SC气缸(5)的压力。

[0010]本发明一优选实施例，所述电磁阀(3)用于精确控制颗粒的发射时间，使得整个颗粒发射过程能够灵活调整，并能够进行定时控制或远程操作。

[0011]本发明一优选实施例，所述快排阀(4)为带快速排气功能的快速排气阀，用于提升发射颗粒的速度与距离;所述快排阀(4)还用于避免气体通过管道进行排放，使得气体直接排放在空气中，从而排气更加迅速，有效提高颗粒的发射效率与射程。

[0012]本发明一优选实施例，所述颗粒放置装置(6)具有可更换的定位槽结构，适用于放置不同尺寸或形状的颗粒，通过调整所述颗粒放置装置(6)槽口的尺寸或形状，确保颗粒在发射前能够被所述伸缩杆(10)准确击中。

[0013]本发明一优选实施例，所述角度调节装置(7)包括多个伸缩支腿(17)、架体平台(18)、连接管(19)和支撑条(20)，多个伸缩支腿(17)顶部通过架体平台(18)与所述连接管(19)连接，所述连接管(19)底部通过支撑条(20)与伸缩支腿(17)中部铰接，所述SC气缸(5)固定安装在所述连接管(19)顶部。

[0014]本发明一优选实施例，该发射装置整体安装于刚性底座上，该刚性底座底部设置有减振垫，以降低所述SC气缸(5)运动带来的冲击振动。

[0015]有益效果：本发明提供了一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置，包括气泵、调压阀、电磁阀、快排阀、SC气缸、颗粒放置装置和角度调节装置;通过气泵提供压缩空气，调压阀调节输出压力，电磁阀控制气流通断，SC气缸实现颗粒的快速发射;SC气缸的伸缩杆撞击颗粒不同部位以产生旋转运动，该发射装置配备有快排阀，以加快排气速度;颗粒放置装置用于将待发射颗粒放置于伸缩杆前方，确保发射精度;角度调节装置用于控制颗粒的出射方向，实现不同碰撞角度的发射需求;该发射装置结构简单、控制灵活，可广泛应用于深海采矿颗粒碰撞实验的研究中。

附图说明

[0016]为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0017]图1为本申请实施例提供的一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置的示意图。

[0018]图2为本申请实施例提供的一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置的SC气缸结构示意图。

[0019]图3为本申请实施例提供的一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置的电磁阀结构示意图。

[0020]图4为本申请实施例提供的一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置的调压阀结构示意图。

[0021]图5为本申请实施例提供的一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置的角度调节装置结构示意图。

具体实施方式

[0022]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。本实施例结构或零部件的安装位置或方向时所使用的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等是以所给附图的方位为依据，它们仅仅是为了表述方便，用来区分各部件或方向的相对位置，并不代表本实施例装置或功能部件使用时的方位。

[0023]本发明实施例提供一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置，该发射装置通过控制颗粒发射速度、颗粒大小以及碰撞角度，为深海采矿系统的优化设计和管道抗撞性能验证提供了可靠的实验平台。通过该发射装置研究提升管中颗粒碰撞行为，分析其碰撞特性，并基于实验结果提出相关结论。

[0024]如图1所示，一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置包括气泵1、调压阀2、电磁阀3、2个快排阀4、SC气缸5、颗粒放置装置6和角度调节装置7。

[0025]图2、图3和图4结合图1，气泵1通过管道与调压阀2的第二进气口15连接，调压阀2的第三出气口16通过管道与电磁阀3的第一进气口13连接;电磁阀3的第一出气口11通过1个管道和1个快排阀4与SC气缸5的第一排气端8接口连接;电磁阀3的第二出气口12通过1个管道和1个快排阀4与SC气缸5的第二排气端9接口进行连接;且2个快排阀4设置在SC气缸5的第一排气端8和第二排气端9上，用于加速排气过程，快速释放气体，从而增加SC气缸5内部空气的流动速度，提高颗粒发射的速度与距离。

[0026]SC气缸5安装在角度调节装置7上，颗粒放置装置6安装在SC气缸5右侧端面上，颗粒放置装置6用于将颗粒放置于SC气缸5的伸缩杆10前端，通过控制SC气缸5的伸缩来实现颗粒的发射，伸缩杆10的运动能够根据不同的气压调整颗粒的发射初速，并通过撞击颗粒的不同部位实现颗粒的旋转。

[0027]具体地，本实施例通过气泵1提供压缩空气，调压阀2调节输出压力，电磁阀3控制气流通断，SC气缸5实现颗粒的快速发射。SC气缸5的伸缩杆10撞击颗粒不同部位以产生旋转运动。该发射装置配备有快排阀4，以加快排气速度。颗粒放置装置6用于将待发射颗粒放置于伸缩杆10前方，确保发射精度。角度调节装置7用于控制颗粒的出射方向，实现不同碰撞角度的发射需求。该装置结构简单、控制灵活，可广泛应用于深海采矿颗粒碰撞实验的研究中。

[0028]气泵1作为动力源，通过空气压缩提供能量。气泵1的工作原理是通过压缩气体，将其以高压状态传输至SC气缸5中，从而推动颗粒发射。SC气缸5的作用是将颗粒发射出去。气缸内部配备有伸缩杆10，通过控制气缸的伸缩来实现颗粒的发射，伸缩杆10的运动能够根据不同的气压调整颗粒的发射初速，并通过撞击颗粒的不同部位实现颗粒的旋转，即SC气缸5的伸缩杆10的长度和移动速度可以通过调节气压进行控制，从而控制颗粒发射的速度大小。

[0029]快排阀4的应用使得气体排放更加迅速，从而有效提高颗粒的发射效率与射程。快排阀用于加速排气速度，快速释放气体，增加颗粒的发射速度和距离。此设计可以减少气体释放的滞后时间，使颗粒达到更远的距离。颗粒放置装置6可通过夹持结构将颗粒固定并精准地放置在气缸伸缩杆的发射点，确保颗粒在发射过程中位置的稳定与精确性。颗粒放置装置6能够适应不同大小和形状的颗粒，并能够与气缸伸缩杆配合。角度调节装置7能在水平面和垂直面分别调节发射角度，用于调节颗粒放置装置6的发射角度，从而实现不同碰撞角度的颗粒发射。可根据实验需求改变颗粒的发射角度，以模拟不同的碰撞角度，分析颗粒在不同角度下的运动轨迹和碰撞行为。

[0030]调压阀2设置在气泵1与电磁阀3之间的气路中，调压阀2的第二进气口15与气泵1进行连接，调压阀2的第三出气口16与电磁阀的第一进气口13进行连接，调压阀2顶部设置有旋钮14，通过旋钮14用于调节气体流入SC气缸5的压力。调压阀2通过调整压力值来控制颗粒的发射速度，以适应不同实验需求。通过调节调压阀2，能够实现对颗粒发射速度的精准控制，使得颗粒在不同的压力下发射不同的速度和产生不同的运动轨迹，适用于多种实验工况。

[0031]电磁阀3设置于气路中，用于控制压缩空气的通断，用于精确控制气流的流向，确保颗粒发射装置能够按照预定的参数和时间发射颗粒。电磁阀3可实现气缸的快速启停，将电磁阀3的第一进气口13与调压阀2的第三出气口16进行连接，电磁阀3的第一出气口11和第二出气口12分别与SC气缸5的第一排气端8和第二排气端9接口进行连接。电磁阀3位于调压阀2与SC气缸5之间，配合调压阀2与电磁阀3共同作用，电磁阀3能够精确控制颗粒的发射时间，使得整个发射过程能够灵活调整，并能够进行定时控制或远程操作。

[0032]SC气缸5的伸缩杆10撞击颗粒的不同位置可实现颗粒的旋转运动，通过伸缩杆10撞击颗粒的不同部位，颗粒可以在被发射的同时产生旋转效果，这对研究深海采矿实验中的颗粒碰撞行为具有重要意义。

[0033]快排阀4为带快速排气功能的快速排气阀，提升发射颗粒的速度与距离。快排阀4的应用用于避免气体通过管道进行排放，使得气体直接排放在空气中，从而排气更加迅速，有效提高颗粒的发射效率与射程。

[0034]颗粒放置装置6用于将颗粒放置在伸缩杆10之前，确保颗粒能够精准进入发射位置。颗粒放置装置6具有可更换的定位槽结构，适用于放置不同尺寸或形状的颗粒，通过调整颗粒放置装置6槽口的尺寸或形状，确保颗粒在发射前能够被伸缩杆10准确击中。

[0035]如图1和图5所示，角度调节装置7包括多个伸缩支腿17、架体平台18、连接管19和支撑条20，多个伸缩支腿17顶部通过架体平台18与连接管19连接，连接管19底部通过支撑条20与伸缩支腿17中部铰接，SC气缸5固定安装在连接管19顶部。

[0036]该发射装置整体安装于刚性底座上，该刚性底座底部配有减振垫，以降低SC气缸5运动带来的冲击振动。该设计能够有效减少气缸动作过程中产生的振动对实验结果的影响，确保颗粒发射的稳定性，并提高实验数据的可靠性。

[0037]对颗粒发射参数进行精确调节和控制。具体为：调节调压阀以控制SC气缸内气体的压力，从而控制颗粒的发射速度。调节压力时，气体压力越大，颗粒的发射速度越高，反之则较低。电磁阀在颗粒发射的过程中起到精确控制气流的作用，通过调节电磁阀的开关状态，可以精确控制气缸内部气体流动的方向和速率，从而影响颗粒发射的时机。角度调节装置的设计使得气缸在发射过程中可以调节颗粒的发射角度。该装置可通过电动驱动系统来实现角度的精确调整，确保颗粒发射的角度从0°到90°之间进行调整，以适应不同碰撞实验的需求。通过控制伸缩杆与颗粒的接触点，控制颗粒的旋转。SC气缸的伸缩杆通过撞击颗粒的不同部位来实现颗粒的旋转发射。当气缸伸缩杆运动时，颗粒的接触位置不同，碰撞的角度也不同，从而产生颗粒旋转的效果。检查气缸、气泵、调压阀、电磁阀、快排阀等主要组件的关键参数，确保设备能正常运行而不发生漏气或机械卡滞现象。测试过程中，还需要分析颗粒发射的精度和稳定性，确保颗粒发射的距离、速度和旋转角度在不同的实验工况下均符合预定要求。在实验过程中，根据不同的实验工况调整发射角度、速度和颗粒旋转情况，实时记录实验数据。通过数据分析，进一步优化发射装置的性能和参数设置，以更好地模拟实际深海采矿环境下的颗粒碰撞特性。

[0038]本发明提供一种气动式深海采矿颗粒旋转发射装置的使用方法，具体包括如下步骤：

[0039]步骤1，设计并组装气动式深海采矿颗粒旋转发射装置。首先，本发明通过气泵1、调压阀2、电磁阀3、2个快排阀4、SC气缸5、颗粒放置装置6和角度调节装置7组成的多功能发射系统;气泵1提供压缩气体，驱动SC气缸5内的伸缩杆10运动。SC气缸5的伸缩杆10通过与颗粒接触来实现颗粒的发射，并根据撞击颗粒的不同位置来控制颗粒的旋转。通过调压阀2控制输出压力，SC气缸5能够发射不同初速的颗粒，以模拟深海采矿过程中颗粒与管道的碰撞行为。同时，快排阀4用于加速气体排放，增大颗粒发射的速度。电磁阀3用于控制颗粒的发射时间，颗粒放置装置6能够将颗粒准确地放置在SC气缸5的伸缩杆10之前，角度调节装置7则允许颗粒在不同角度下发射。

[0040]步骤2，进行气动式深海采矿颗粒旋转发射装置的参数调节。首先，调节气泵1的工作压力，并根据需要调节调压阀2来控制气流的压力，以确保颗粒能够按照设定的初速发射出去。调节角度调节装置7的角度，以确保颗粒能够按不同的碰撞角度发射。颗粒放置装置6确保颗粒可以正确放置在SC气缸5的伸缩杆10之前，避免出现颗粒放置不当的情况。在每次发射实验前，调整好所有设备的参数，以适应不同的实验需求。通过这些步骤，可以控制颗粒的发射速度、角度和旋转，模拟实际深海环境下颗粒与管道的碰撞特性。

[0041]步骤3，开展颗粒旋转发射的实验与数据采集。为了实现颗粒旋转发射，需要通过控制SC气缸5的伸缩杆10与颗粒的撞击位置，使颗粒在发射过程中产生旋转，撞击颗粒中心偏上为向上旋转，撞击颗粒的中心偏下为向下旋转。在实验过程中，通过控制气泵1输出的压力，改变颗粒发射的初速度，同时调节角度调节装置7以实现颗粒在不同碰撞角度下的发射。在SC气缸5的伸缩杆10的控制下，颗粒将被发射到预定的目标区域，并记录颗粒的发射速度、角度及旋转角度。采用高速摄像机捕捉颗粒的轨迹与运动状态，并通过图像处理技术对颗粒的运动轨迹进行分析，提取颗粒的速度、旋转角度等参数。

[0042]实验结果说明：在测试中，通过调节调压阀2、快排阀4和电磁阀3的不同设置，可以实现颗粒初速从0.5m/s到5m/s的精确控制，同时颗粒的旋转角度和碰撞角度也能通过角度调节装置调整范围在0°到90°之间。通过高精度传感器和图像识别技术，获得实验数据，这些数据为后续深海采矿系统的颗粒碰撞特性研究提供了有力支持。

[0043]以上，本发明的气动式深海采矿颗粒旋转发射装置能够为深海采矿颗粒与管道的碰撞特性研究提供一个稳定、可控、精确的实验平台，解决了现有技术中颗粒发射精度不足、模拟深海环境困难等问题，为深海采矿系统的优化设计和抗撞性能验证提供了可靠的数据支持。

[0044]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

说明书附图(5)