一種新型節能環保礦用采掘裝置的設計與研究

賈瑞匣

(鄭州工業應用技術學院 機電工程學院,鄭州 451150)

礦產資源是自然資源的重要組成部分,是國家經濟建設的基礎物質材料,其保障程度關系到國民經濟長期穩定發展和國家安全[1].我國礦產資源種類齊全,儲量豐富,已發現的礦產有170多種,其中已經探明的礦產資源儲量的潛在價值排在世界第3位.但是我國人口眾多,礦產資源人均占有量相對不足,屬于礦產資源相對不足的國家.

隨著我國經濟的飛速發展,對礦產資源的需求也在迅速增長,礦產資源正在加速消耗,資源和環境壓力也在不斷加大[2-3],正面臨著嚴峻的挑戰,主要表現有:① 各類礦產資源的需求加大,已有的主要礦產資源嚴重短缺;② 對礦產資源的開發利用率不高,造成的環境問題尤為突出[4];③ 我國戰略性優勢資源存在過度開發,價格嚴重背離價值,出口走私猖獗,如稀土、鎢礦等出口的礦產資源[5].為了減輕我國在礦產資源需求和環境污染方面的壓力,對礦產資源高效清潔的利用成為亟需發展的重要技術方向[6-7].

1 礦用采掘裝置模型

本研究設計了一款礦用采掘裝置,裝置模型如圖1所示.該礦用采掘裝置用于礦產資源開采時,可在一定程度上提高礦產資源開采的效率,應用于對貧礦的開采,實現對伴生礦產資源的保護,減少對周邊環境的污染,符合礦產資源綜合利用的要求.該裝置有利于解決資源和環境所面臨的困境,可實現礦業經濟的可持續發展.

圖1 礦用采掘分選裝置模型Fig.1 Model of mine excavation and separation device

2 裝置工作原理

以離子型稀土礦為例,礦用采掘裝置在離子型稀土礦中作業時,采用礦用采掘裝置中開挖機構對離子型稀土礦礦體進行開挖,并將已開挖礦土通過螺旋輸送機逐步輸送.將螺旋輸送機輸送的礦土注入臥式攪拌浸取裝置中,同時向臥式攪拌浸取裝置中注入飽和硫酸銨溶液,在裝有螺旋葉片攪拌臂的浸取槽中將離子型稀土礦顆粒與飽和硫酸銨溶液進行均勻攪拌并輸送[8],最后將浸取礦渣通過排渣機構排出礦用采掘裝置.

根據對礦用采掘裝置工作原理的介紹,結合離子型稀土礦所具有的特點,設計礦用采掘實驗裝置.該實驗結構如圖2所示.開挖機構驅動礦用采掘裝置向前移動,通過螺旋輸送機構將開挖的礦石傳輸到臥式攪拌浸取機構,最后由排渣機構排除渣石.礦用采掘裝置在礦土箱中前進時,由位移計檢測其位置,通過壓力傳感器得到其在進取過程中受到的摩擦力,由電動機驅動箱得出電動機的輸出功率.本實驗主要針對采掘深度對裝置的影響及掘進距離對功率消耗的影響進行分析研究.

圖2 實驗結構Fig.2 Test structure

3 裝置特性分析

3.1 力學分析

礦用采掘裝置在工作時,離子型稀土礦礦床對礦用采掘裝置產生作用力.在力作用下礦用采掘裝置發生變形,為減小外力對礦用采掘裝置的破壞,需要對礦用采掘裝置進行受力分析.

圖3為礦用采掘裝置實驗裝置的力學模型.圖3中:y方向為開挖機構和密封蓋的受力方向,受到的應力和面力滿足面力邊界條件,并且在此方向上離子型稀土礦礦土對開挖機構有面扭矩;x和z方向為垂直于開挖機構的受力方向,其面力邊界條件及其他內部結構的受力在此不闡述.

圖3 實驗裝置外部力學模型Fig.3 External mechanical model of test device

3.2 功率消耗分析

礦用采掘裝置的輸入功率主要用于開挖機構旋轉的慣性力矩及前進推力、螺旋輸送機主軸旋轉的慣性力矩、臥式攪拌浸取機構主軸旋轉的慣性力矩等機械摩擦阻力矩及其他機構的阻力矩.各個主要部分產生功率消耗計算如下.

(1) 開挖機構功率消耗

(1)

式中:ε為開挖機構開口率;G為開挖機構重量,N;n1為開挖機構轉速,r/min;F為礦用采掘裝置前移總推力,kN;D為開挖機構直徑,mm;t為開挖機構加速時間,s;g為重力加速度,mm/s2;υ為掘進速度,mm/s.

(2) 螺旋輸送機功率消耗

(2)

式中:L為螺旋輸送機水平投影長度,mm;w0物料阻力系數;n2為螺旋輸送機主軸轉速,r/min;s為螺距,mm;η1為安全系數;Q為螺旋輸送機流量,L/h;r1為螺旋葉片半徑,mm;F1為螺旋輸送機圓周力,N;d1為螺旋輸送機釜體直徑,mm;f1為摩擦系數;μ為顆粒與材料摩擦系數.

(3) 克服軸承及密封機構等功率消耗

(3)

式中:G1為旋轉部分的總重量,N;μ1為軸承處摩擦系數;V軸承處線速度,mm/s;μ2為密封機構摩擦系數;G2密封機構重量,N;V2密封機構處線速度.

(4) 臥式攪拌浸取裝置功率消耗

(4)

式中:η2為安全系數;Q1為臥式攪拌裝置浸取流量,L/h;L1為臥式攪拌浸取裝置長度,mm;F2為固-液混合物圓周力的摩擦力,N;w1為固-液混合物阻力系數;d2為臥式攪拌浸取裝置釜體,mm;μ3為固-液混合物與材料摩擦系數;r2為臥式攪拌浸取裝置內葉片半徑,mm;s2為相鄰2個攪拌葉片之間間距,mm;f2為固-液混合物的摩擦系數;n3為浸取裝置主軸轉速.

上述計算過程為礦用采掘裝置的主要功率消耗.故礦用采掘裝置的輸入功率為

(5)

式中:η3為礦用采掘裝置傳動總機械效率.

4 主要影響因素分析

4.1 采掘深度對裝置作用力的影響

離子型稀土礦礦床位置深度不確定,即礦用采掘裝置作業所處深度不同.一般情況下,離子型稀土礦分布在全風化層的礦床厚度為4～10 m,分布在半風化層的礦床厚度主要以2～3 m居多[9].本實驗模型主要模擬采掘深度為19,20,21 m時對礦用采掘裝置作用力的影響.每次實驗只改變采掘深度,其他參數均不變,其結果如圖4所示.隨采掘深度增大作用于礦用采掘裝置的力逐步增大.當采掘深度相差1 m時其作用力相差0.21～0.43 kN;而當掘進距離小于30 cm時,隨掘進距離增大，作用在礦用采掘裝置的力逐漸增大,其增大幅度近視呈現直線增長,原因是礦用采掘裝置未全部進入土箱,作用在礦用采掘裝置的力與掘進距離成正比關系;當掘進距離大于30 cm時，隨掘進距離增大作用在礦用采掘裝置的力變化幅度減小,始終在某值范圍內波動.

圖4 采掘深度對裝置作用力的影響Fig.4 Effect of mining depth on device force

根據圖4可知：隨著采掘深度增加,該礦用采掘裝置的受力發生變化.依據上述數據,通過Matlab軟件擬合[10],得出采掘深度與礦用采掘裝置受力的函數關系,如圖5所示.

圖5 采掘深度與作用力函數關系 Fig.5 Relation between mining depth and force function

從圖5中可以看出：采掘深度與礦用采掘裝置受力的變化規律近似為直線.通過上述擬合,為后續優化礦用采掘裝置提供理論依據.

4.2 掘進距離對功率消耗的影響

掘進距離對礦用采掘裝置功率消耗有直接影響.礦用采掘裝置在作業時,開挖機構、離子型稀土礦輸送機構、臥式攪拌浸取機構、支撐機構及推力機構等都需消耗功率,需要對礦用采掘裝置提供合理的功率,若驅動功率過小,則礦用采掘裝置不能正常工作;功率過大就會導致功率浪費.因此，要對礦用采掘裝置工作過程中所需功率進行監控,使其對資源的利用最大化.圖6為礦用采掘裝置掘進距離與功率消耗變化圖.

圖6 掘進距離對功率消耗的影響Fig.6 Influence of driving distance on power consumption

從圖6可以看出：礦用采掘裝置的功率消耗隨掘進距離增大而發生較大變化.當掘進距離小于30 cm時,由于礦用采掘裝置未全部進入離子型稀土礦土箱內,裝置表面所受到的摩擦力隨礦用采掘裝置向前推進逐漸增大,導致功率消耗較大且呈上升趨勢;當掘進距離大于30 cm時,由于礦用采掘裝置經排渣機構將已掘孔洞進行填補,對礦用采掘裝置前進起到推動作用,使驅動力減小,從而降低了功率消耗.功率消耗在26.1 kW上下微小波動,波動原因主要是由于離子型稀土礦中某些雜質、粒徑及未腐化土層等所致.

5 結論

(1) 為提高礦產資源開采的效率,減小礦產資源開采對環境的污染,本研究設計了一種高效綠色的礦用采掘裝置.該礦用采掘裝置操作簡便,實用性強,在礦產資源開采時能較好地實現礦業經濟的可持續發展.

(2) 研究了采掘深度對裝置的影響、掘進距離對功率消耗的影響.通過實驗得出采掘深度與裝置作用力的函數關系圖,為優化礦用采掘裝置提供理論依據;同時分析了掘進過程中功率消耗的變化規律,通過控制系統對功率消耗情況進行合理控制,實現節能.