[发明专利]一种仿生履齿及其设计方法、深海集矿机

说明书

本发明公开了一种仿生履齿及其设计方法、深海集矿机。所述仿生履齿包括顶板和履齿；所述履齿具有竖直部和弯曲部；所述竖直部的顶端与顶板的下表面固定连接在一起，该竖直部的底端与弯曲部的顶端固定在一起；所述弯曲部向履齿的后侧弯曲。本发明的履齿仿照水牛蹄结构、可以使深海集矿机获得最大牵引力。

技术领域

本发明涉及一种仿生履齿及其设计方法、深海集矿机，尤其适合作为深海集矿机上的履齿。

背景技术

随着现代工业的快速发展，越来越多的陆地矿产资源正面临枯竭的威胁，海底矿产资源逐渐成为全球能源发展战略的热点，但由于深海稀软底质土具有比陆地土更大的孔隙比和含水率、更低的强度，履带式集矿机在深海采矿作业时极易打滑，降低了履带式集矿机的工作效率。因此，研究具有高牵引力的仿生履齿齿形对提高深海集矿机的行走效率具有重要意义。

因此，为解决深化集矿机在深海作业环境中易打滑，行走困难等问题，有必要对深海集矿机履齿进行仿生优化设计，以提高其工作效率。

发明内容

本发明旨在提供一种仿生履齿及其设计方法、深海集矿机，该履齿仿照水牛蹄结构、可以使深海集矿机获得最大牵引力。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种仿生履齿，包括顶板和履齿；其结构特点是：

所述履齿具有竖直部和弯曲部；

所述竖直部的顶端与顶板的下表面固定连接在一起，该竖直部的底端与弯曲部的顶端固定在一起；所述弯曲部向履齿的后侧弯曲，且曲率半径为R，所述竖直部的高度为L，

以最大牵引力F作为目标函数，以履齿的顶端到曲率变化点的距离L为设计变量，以曲率变化点的初始曲率半径R为设计变量，建立仿生履齿优化数学模型如下式：

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

优选地，所述履齿的高度h为130mm，宽度b为850mm。

优选地，所述L＝0，R＝151mm，

所述履齿的顶端焊接在顶板上。

为了提高履齿的可靠性，所述履齿的前侧面和后侧面均设有加劲肋，该加劲肋连接在履齿顶部与顶板之间。

为了方便与链轨进行固定连接，所述顶板具有与链轨固定的结构；优选所述顶板开有螺栓孔，该顶板通过螺栓与所述链轨固定连接在一起。

基于仿生学的原理，所述履齿整体呈水牛蹄形。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种深海集矿机，其包括链轨和装在链轨上的多个履齿；所述履齿为所述的仿生履齿。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种所述的仿生履齿的设计方法，其包括如下步骤：

S1、根据水牛蹄的几何轮廓建立了仿生履齿的几何曲面模型图，其中履齿齿顶到履齿曲率变化点的距离为L，履齿曲率半径为R；

S2、以最大牵引力F作为目标函数，以履齿的顶端到曲率变化点的距离L为设计变量x₁，以曲率变化点的初始曲率半径R为设计变量x₂；建立仿生履齿优化数学模型如下式：

S3、在0≤x₁≤130，0≤x₂≤1100的范围内，随着x₁和x₂的增加，牵引力F呈现先减小后增大的趋势，故以F与齿顶到曲率变化点的距离L和变化点初始曲率半径R所得的二次响应回归方程为基础，建立仿生履齿优化数学模型如式所示：