富钴结壳是一种极具开发价值的深海固体矿产资源,生长于500m~3000m的海山斜坡基岩上,开发难度极大。采矿车是富钴结壳开采的基础核心装备,它需要在地形复杂的钴结壳生长区域完成自主行走和采集,需具备优良的机动性、稳定性和可靠性。本文按照“十二五”大洋专项课题“富钴结壳开采规模取样可行性及装置研究”要求,以富钴结壳微地形特征、基岩物理特性作为设计依据,结合国内外研究成果,对四履带采矿车的底盘展开设计与研究。本文研究了四履带底盘的通过性能,从动力学角度建立了四履带采矿车的越障模型,以某一参数确定的四履带采矿车为例,通过数值求解分析了四履带采矿车整个越障过程中牵引系数的变化情况,并得出越障能力的大小与所需牵引系数的对应关系。对于某一附着系数下的富钴结壳地形,利用该模型研究了四履带采矿车各设计参数对越障能力的影响。通过研究发现:驱动轮离地高度增加、引导轮半径增大,接近角增大会使得越障能力下降,且质心距前轴距与轴距之比介于0.45~0.48之间时对越障最为有利,并且给出了上述参数设计的参考范围。建立了考虑打滑条件下的四履带采矿车转向数学模型并求解。得到了履带的内、外侧速度之比与转向半径、滑转率、驱动力之间的关系。通过对影响转向性能各参数的敏感度进行分析,发现四履带采矿车履带的长度和宽度均对其转向性能不敏感;质心位置纵向偏移几何中心对转向有利,但影响较小;轴距与轨距之比对转向性能影响很大,给出了富钴结壳采矿车的轴距和轨距之比的设计取值范围在1~1.4之间。结合上述理论分析,完成了四履带底盘的参数设计和结构设计,为了进一步验证所建立的四履带车爬坡、越障、转向数学模型,同时对所设计的采矿车进行性能验证,基于Recurdyn完成了富钴结壳常规地形和复杂地形的建模,建立了四履带底盘的动力学仿真模型。分别进行了四履带底盘的爬坡、越障、平地转向性能仿真,得到了四履带底盘的爬坡驱动力变化曲线、越台阶驱动力变化曲线、转向半径与转向驱动力关系曲线,仿真结果与理论求解结果基本保持一致。根据所设计的参数完成了四履带底盘的加工和制造,并搭载液压驱动系统和测控系统形成试验样机。通过开展底盘样机的直线行走性能和调速性能试验,得到比例阀的实际调速范围;通过转向试验,得到内外侧马达转速与转向半径的对应关系数据,将数据与转向数学模型的求解结果对比,进一步证实了转向模型的可靠性。为了验证四履带底盘的水下行走性能,国内首次开展了复杂地形条件下采矿样车的水池行走试验,水池试验为采矿车的下一步海试奠定了基础。