海底多金屬硫化物采掘機(jī)構(gòu)滾筒切削特性研究①

吳 卓， 鄭 皓， 劉效松， 李滿紅， 王建華

（長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司 深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410012）

陸地礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)使得礦產(chǎn)資源量日趨匱乏，人們不得不把目光轉(zhuǎn)向深海采礦。 目前具有開采前景的海底礦產(chǎn)資源主要有多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物及富稀土沉積物等，其中，多金屬硫化物因金屬品位高、賦存深度較淺、距離陸地較近等優(yōu)點(diǎn)成為深海采礦的重點(diǎn)對象［1］。

海底多金屬硫化物的開采首先是將其從礦床上剝離。 國內(nèi)外針對海底多金屬硫化物的剝離提出了多種切削方法，使用較多的是螺旋滾筒切削［2-7］。 滾筒是深海采礦設(shè)備中將多金屬硫化物從礦床剝離的關(guān)鍵部件，為提高滾筒工作性能，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，主要集中在端盤截齒切向安裝角、軸向傾斜角和二次旋轉(zhuǎn)角對截齒載荷的影響［8］，滾筒排布方式對截割性能的影響［9］，滾筒截割方向?qū)d荷的影響［10］，兩滾筒中心距、牽引速度、轉(zhuǎn)速對破碎性能的影響［11］等方面。 滾筒工作性能除了受到結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響外，還受到工作參數(shù)的影響。 本文采用棋盤式截齒排列的單滾筒，根據(jù)采礦車的實(shí)際作業(yè)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同切削厚度、轉(zhuǎn)速、牽引速度對滾筒切削性能的影響，為采礦車開采工藝提供參考依據(jù)。

1 仿真模型的構(gòu)建

1.1 滾筒模型處理

滾筒主要由筒轂、截齒、齒座組成，通過三維軟件對滾筒模型進(jìn)行繪制。 滾筒截齒采用棋盤式排列，沿6 條螺旋線排布截齒，每條螺旋線沿周向間隔120°，上側(cè)3 條螺旋線在下側(cè)3 條螺旋線基礎(chǔ)上沿周向偏移60°對截齒進(jìn)行排列，每條螺旋線上布置6 個截齒，由兩端向中間布置。 每條螺旋線的初始位置前沿周向布置3 個具有側(cè)邊角的截齒，使得每個工作面上均有3 個截齒參與切削。 滾筒截線距40 mm，螺旋升角20°，截齒安裝角45°。 棋盤式截齒排列展開圖如圖1 所示，滾筒結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 棋盤式截齒排列展開圖

圖2 滾筒結(jié)構(gòu)圖

1.2 切削模型的建立

將建立好的滾筒模型導(dǎo)入離散元軟件中進(jìn)行仿真分析時，為確保分析模型的精確性，需要對滾筒模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 建立多金屬硫化物礦床模型，尺寸為1 200 mm×600 mm×200 mm，為符合實(shí)際工況，礦床截割出與滾筒切削直徑具有相似形狀的圓弧面。 礦床中多金屬硫化物密度、彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別為2 600 kg／m3、11.5 GPa、0.11、10.24 MPa、2.447 MPa、38.04°［12］。 多金屬硫化物礦床由半徑8 mm 的顆粒粘結(jié)而成，建立過程中，采用Hertz-Mindlin 粘結(jié)接觸模型模擬多金屬硫化物顆粒間的粘結(jié)，采用Hertz-Mindlin 無滑動接觸模型模擬顆粒與滾筒的接觸。 試驗(yàn)中得到的顆粒間粘結(jié)參數(shù)［12］見表1。 礦床生成完畢后的顆粒數(shù)量為35 125 個，顆粒粘結(jié)鍵為163 981 個。

表1 多金屬硫化物離散元模型的粘結(jié)接觸參數(shù)

滾筒切削模型如圖3 所示。 滾筒通過直線進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動對多金屬硫化物進(jìn)行切削。 滾筒在對多金屬硫化物進(jìn)行切削時，破碎效果除了受滾筒本身結(jié)構(gòu)、多金屬硫化物物理力學(xué)特性影響外，還受滾筒工作參數(shù)的影響。 本文主要從滾筒切削厚度、轉(zhuǎn)速、牽引速度3 個工作參數(shù)，通過切削阻力、產(chǎn)能和比能耗來評價滾筒的切削性能。

圖3 滾筒切削模型

切削阻力是反映滾筒工作性能和設(shè)計切削設(shè)備的重要指標(biāo)，可直接通過軟件處理分析得出。

比能耗反映滾筒切削單位體積多金屬硫化物時所消耗的能量，計算公式為：

產(chǎn)能是反映滾筒單位時間內(nèi)能否達(dá)到生產(chǎn)需求的關(guān)鍵指標(biāo)，計算公式為：

式中Q為產(chǎn)能，t／h；ρ為海底多金屬硫化物的密度，kg／m3。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 切削厚度對切削特性的影響

滾筒轉(zhuǎn)速90 r／min、牽引速度0.1 m／s 條件下，分析了不同切削厚度對滾筒切削性能的影響，結(jié)果見圖4。從圖4 可以看出，隨著切削厚度增加，產(chǎn)能近似成線性增加。 這是由于切削厚度增大，切削橫截面積增大，隨著滾筒不斷向前進(jìn)給，單位時間內(nèi)剝離多金屬硫化物的體積增大。 切削阻力隨切削厚度增大而增大。 滾筒切削礦體的橫截面積變大，大面積的向前進(jìn)給切削會增大滾筒的切削阻力。 比能耗隨切削厚度增加而減小。 由式（1）可知，比能耗與體積成反比關(guān)系，故在切削過程中，隨著切削厚度增大，多金屬硫化物顆粒從礦體剝離的體積逐漸增多，比能耗減小。

圖4 切削厚度與切削性能的關(guān)系

綜合上述分析，切削厚度太大，滾筒受力過大，會加劇截齒磨損，影響使用壽命；切削厚度太小，產(chǎn)能會減小，滾筒比能耗會增大。 切削厚度宜取50～70 mm。

2.2 轉(zhuǎn)速對切削特性的影響

滾筒牽引速度0.1 m／s、切削厚度70 mm，轉(zhuǎn)速對滾筒切削性能的影響見圖5。 由圖5 可見，隨著轉(zhuǎn)速增加，相同牽引速度下滾筒向前切削礦體的位移量減小，剝離的體積減小，產(chǎn)能隨之減小，但由于轉(zhuǎn)速的增量較小，位移變化量較小，產(chǎn)能變化幅值較小。 切削阻力均值隨著轉(zhuǎn)速增大而減小。 滾筒轉(zhuǎn)速較低時，單位時間內(nèi)參與截齒的數(shù)量較少。 截齒通過擠壓來切削礦體，需要較大的切削力，隨著轉(zhuǎn)速增大，單位時間內(nèi)參與切削的截齒數(shù)量增多，截齒對礦體的瞬時沖擊加劇，加速了礦體內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展，切削阻力減小。 比能耗隨著轉(zhuǎn)速增大而增大。 比能耗同時受到轉(zhuǎn)速、扭矩和剝離體積的作用，轉(zhuǎn)速增加，扭矩減小，雖然滾筒剝離的體積變化很小，但比能耗增加。

圖5 轉(zhuǎn)速與切削性能的關(guān)系

綜上所述，低轉(zhuǎn)速雖然比能耗較小，但會增大滾筒的切削阻力，使截齒磨損加劇；高轉(zhuǎn)速雖然切削阻力較小，但比能耗較大，會增大能量損耗。 因此，適宜的轉(zhuǎn)速為80～100 r／min。

2.3 牽引速度對切削特性的影響

滾筒切削厚度70 mm、轉(zhuǎn)速90 r／min，牽引速度對滾筒切削性能的影響見圖6。 由圖6 可見，隨著牽引速度增加，產(chǎn)能和切削阻力均值增加，比能耗降低。 牽引速度增加，滾筒切削深度增大，被剝離的多金屬硫化物體積量增大，產(chǎn)能和滾筒所受切削阻力增大，比能耗降低。

圖6 牽引速度與切削性能的關(guān)系

綜合上述分析可知，低牽引速度時滾筒的切削阻力和扭矩較小，但比能耗較大，產(chǎn)能也會減少；高牽引速度時比能耗較小，但切削阻力較大，不利于設(shè)備的穩(wěn)定工作。 適宜的牽引速度為0.06～0.10 m／s。

2.4 正交試驗(yàn)

滾筒切削性能受到多因素耦合的作用，而基于單因素試驗(yàn)法分析切削厚度、轉(zhuǎn)速、牽引速度對切削性能的影響難以得到滾筒的最優(yōu)工作參數(shù)。 根據(jù)單因素試驗(yàn)法分析得出的工作參數(shù)取值范圍，選擇切削厚度、轉(zhuǎn)速、牽引速度三因素，每個因素選取3 個水平，得到三因素三水平正交試驗(yàn)表如表2 所示，正交試驗(yàn)結(jié)果見表3，極差分析結(jié)果見表4。

表2 三因素三水平正交試驗(yàn)表

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 極差分析結(jié)果

從表3 ～4 可以看出，隨著切削厚度增加，切削阻力逐漸增大、產(chǎn)能逐漸增大、比能耗逐漸減??；隨著轉(zhuǎn)速增加，切削阻力逐漸減小、產(chǎn)能逐漸減小、比能耗逐漸增大；隨著牽引速度增大，切削阻力逐漸增大、產(chǎn)能逐漸增大、比能耗逐漸減小。

通過上述公式可求出評價指標(biāo)在各因素各水平下的權(quán)重。 由權(quán)重大小計算出最優(yōu)切削方案，兩種評價指標(biāo)值越小越好。

權(quán)矩陣計算公式為：

式中ω1為滾筒切削阻力權(quán)矩陣；ω2為滾筒比能耗權(quán)矩陣；M1為滾筒切削阻力均值矩陣；M2為滾筒比能耗均值矩陣；T1為三因素的滾筒切削阻力均值之和的倒數(shù)矩陣；T2為三因素的滾筒比能耗均值之和的倒數(shù)矩陣；S1為滾筒切削阻力的極差矩陣；S2為滾筒比能耗的極差矩陣。

為得出最優(yōu)工作參數(shù)組合，將兩種評價指標(biāo)的權(quán)矩陣取均值計算得到總權(quán)矩陣ω：

由上述計算結(jié)果可知，A1、B3、C1權(quán)重最小，故最優(yōu)方案為A1B3C1，得到滾筒的最優(yōu)工作參數(shù)為切削厚度50 mm、轉(zhuǎn)速100 r／min、牽引速度0.06 m／s。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室搭建了海底多金屬硫化物切削試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括海底多金屬硫化物采掘一體化樣機(jī)、控制平臺和多金屬硫化物模擬料，如圖7 所示。

圖7 海底多金屬硫化物切削試驗(yàn)系統(tǒng)圖

在進(jìn)行切削試驗(yàn)時，主要利用壓力傳感器和流量傳感器對破碎馬達(dá)的壓力和流量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過換算分析得到滾筒在最優(yōu)工況下的切削性能參數(shù)。

在切削厚度50 mm、轉(zhuǎn)速100 r／min、牽引速度0.06 m／s 工況下進(jìn)行數(shù)值模擬與岸上切削試驗(yàn)，得到的數(shù)值模擬和試驗(yàn)切削性能結(jié)果統(tǒng)計于表5 中。 結(jié)果表明，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，驗(yàn)證了仿真分析得到的最優(yōu)工作參數(shù)是可靠的。

表5 最優(yōu)工作參數(shù)下數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比

4 結(jié) 論

采用棋盤式截齒排列滾筒，基于離散單元法對不同工況下滾筒的切削過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)論如下：

1） 隨著切削厚度增加，滾筒產(chǎn)能、切削阻力逐漸增大，比能耗逐漸減小。

2） 隨著轉(zhuǎn)速增加，滾筒產(chǎn)能逐漸減小，但減小幅值較小，切削阻力逐漸減小，比能耗逐漸增大。

3） 隨著牽引速度增加，滾筒產(chǎn)能、切削阻力逐漸增大，比能耗逐漸減小。

4） 由矩陣分析法計算可知，滾筒最優(yōu)工作參數(shù)為：切削厚度50 mm、轉(zhuǎn)速100 r／min、牽引速度0.06 m／s。