選礦機(jī)用傘形振動(dòng)給料器結(jié)構(gòu)改進(jìn)與參數(shù)分析

黃舜昊

贛州好朋友科技有限公司 江西贛州 341000

目前，國(guó)內(nèi)外智能選礦機(jī)的給料結(jié)構(gòu)主要以振動(dòng)篩加輸送帶的方式為主。其優(yōu)點(diǎn)是有預(yù)篩分功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)用廣泛，輸送帶布料穩(wěn)定易于 X射線成像；缺點(diǎn)是處理量受輸送帶成像寬度、速度限制，且占地面積大、維修困難。若采用相機(jī)成像，輸送帶背景也會(huì)影響礦物識(shí)別。贛州好朋友科技有限公司[1]推出一種環(huán)形結(jié)構(gòu)[2]的選礦設(shè)備——天元智能選礦機(jī)。

該礦機(jī)的設(shè)計(jì)思路來(lái)源于微積分思路和雨傘結(jié)構(gòu)，把輸送帶橫向成像的直線段分割成小段，然后首尾相接，形成一個(gè)多邊形結(jié)構(gòu)，為方便工業(yè)量產(chǎn)，演變成一個(gè)類傘形結(jié)構(gòu)。該礦機(jī)在減少設(shè)備占地面積的同時(shí)，大幅提升了“輸送帶”成像寬度，解決了選礦機(jī)處理量受輸送帶帶寬限制的問(wèn)題。在試驗(yàn)試產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，保證處理量、提升布料效果、研究振動(dòng)參數(shù)，是優(yōu)化設(shè)計(jì)振動(dòng)給料器的技術(shù)難點(diǎn)。

1 問(wèn)題分析

1.1 設(shè)備原理

天元智能選礦機(jī)的外觀及工作原理分別如圖1、2 所示。被選礦物通過(guò)頂部漏斗進(jìn)入振動(dòng)給料器，然后周向散開(kāi)，礦物呈自由落體狀態(tài)下落，期間經(jīng)過(guò)傳感器射線源組成的成像區(qū)域識(shí)別礦廢特征，特征處理后噴閥做出打擊動(dòng)作，進(jìn)行礦物分選。

圖1 天元TM 智能選礦機(jī)外形Fig.1 Appearance of TIANYUANTM intelligent sorting machine

圖2 天元TM 智能選礦機(jī)工作原理Fig.2 Working principle of TIANYUANTM intelligent sorting machine

1.2 問(wèn)題描述

振動(dòng)給料器是天元智能選礦機(jī)的關(guān)鍵部件之一，給料的均勻性、穩(wěn)定性以及適應(yīng)性是成像質(zhì)量及打擊效果的充分條件。目前使用的振動(dòng)給料器是一個(gè)帶坡度的圓錐形圓盤，圓盤高度、直徑、坡度均通過(guò)多次制造打樣，反復(fù)測(cè)試試驗(yàn)修改而得。試驗(yàn)時(shí)，給料是間歇性、極小批量的，給料方式相對(duì)理想；但當(dāng)該選礦機(jī)在礦場(chǎng)試產(chǎn)時(shí)，礦物卻無(wú)法按設(shè)計(jì)初衷均勻散開(kāi)呈近似自由落體方式運(yùn)動(dòng)。經(jīng)研究，該設(shè)備主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題。

(1) 在現(xiàn)場(chǎng)，前端輸送帶落料裝置設(shè)計(jì)各不相同，落料位置、角度、初始速度也不一致，導(dǎo)致礦物進(jìn)入振動(dòng)給料器后狀態(tài)混亂不可控，影響給料效果?，F(xiàn)有的研發(fā)打樣測(cè)試流程費(fèi)時(shí)耗力，不能快速準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出合適的振動(dòng)給料器結(jié)構(gòu)。

(2) 在不同破碎、篩分情況下，不同礦種、不同含水量，使得礦物在振動(dòng)給料器上的摩擦力、礦物之間的相互作用力各不相同，無(wú)法確定給料器參數(shù)。目前，尚未系統(tǒng)了解振動(dòng)給料器參數(shù)與給料效果之間的規(guī)律。

2 試驗(yàn)方案

2.1 參數(shù)分析

礦物在振動(dòng)給料器上的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)是彈性固體的線性接觸運(yùn)動(dòng)[3]，符合赫茲方程[4]。礦物與礦物、礦物與振動(dòng)給料器之間不斷有接觸和相互作用，這受到摩擦力、接觸應(yīng)力、法向加載力、切向加載力的影響。礦物轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)的初始狀態(tài)與振動(dòng)給料器的振頻、振幅、傾角斜度以及振動(dòng)給料器外型特征等，共同決定了礦物的運(yùn)動(dòng)軌跡。EDEM 離散元仿真能較好協(xié)助工程師研究礦物運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.2 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

在物理樣機(jī)制造試驗(yàn)之前，增加 EDEM 離散元仿真流程，以仿真結(jié)果指導(dǎo)振動(dòng)給料器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；同時(shí)，對(duì)比研究振動(dòng)給料器三大參數(shù)與給料效果之間的規(guī)律。具體試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)如下。

(1) 目標(biāo)一 通過(guò)仿真試驗(yàn)優(yōu)化振動(dòng)給料器結(jié)構(gòu)，解決不同入料位置、入料角度對(duì)給料效果產(chǎn)生的影響；

(2) 目標(biāo)二 在不同振頻、振幅、傾角情況下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，總結(jié)振動(dòng)給料器三大參數(shù)的影響規(guī)律。

2.3 試驗(yàn)路線

定義不噴準(zhǔn)確率，即識(shí)別系統(tǒng)、打擊系統(tǒng)同時(shí)閉鎖狀態(tài)下，礦物全部掉入默認(rèn)料倉(cāng)的準(zhǔn)確率。一般而言，不噴準(zhǔn)確率要求大于 99%。

不噴準(zhǔn)確率評(píng)估試驗(yàn)路線如圖3 所示。首先，設(shè)計(jì)并簡(jiǎn)化智能選礦機(jī)結(jié)構(gòu)及振動(dòng)給料器模型，選擇某鉬礦樣本作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行顆粒建模，通過(guò)顆粒堆積仿真，對(duì)比實(shí)際與仿真結(jié)果的安息角[5]，修正顆?；謴?fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)；然后，在默認(rèn)現(xiàn)有振頻、振幅、傾角的基礎(chǔ)上對(duì)比不同振動(dòng)給料器結(jié)構(gòu)方案對(duì)給料效果的影響；最后，對(duì)比不同振幅、振頻、傾角為單一變量時(shí)對(duì)給料效果的影響，通過(guò)不噴準(zhǔn)確率評(píng)估給料效果的優(yōu)劣。

圖3 不噴準(zhǔn)確率評(píng)估試驗(yàn)路線Fig.3 Test route for non-spray accuracy evaluation

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)與參數(shù)分析

3.1 軟件參數(shù)設(shè)置

當(dāng)超過(guò) 5 個(gè)圓球進(jìn)行顆粒填充時(shí)，即可獲得 95%的仿真準(zhǔn)確率[6]。為了兼顧仿真準(zhǔn)確性及仿真效率，筆者用 4 個(gè)不同大小圓球 (見(jiàn)圖4) 進(jìn)行顆粒填充，最大邊長(zhǎng)約 36 mm；設(shè)置顆粒半徑系數(shù)從 0.5～ 1.2、呈紡錘形態(tài)分布，具體如表1 所列。這符合 -45 +15 mm 粒級(jí)范圍真實(shí)的破碎情況和粒級(jí)分布。

表1 填充顆粒的參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter setting of filled particles

圖4 填充的顆粒Fig.4 Filled particles

干式鉬礦安息角約為 30°，經(jīng)過(guò)反復(fù)多次自然堆積仿真，得到校正后顆粒與顆粒、顆粒與鋼材、顆粒與橡膠之間的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)以及滾動(dòng)摩擦因數(shù)，如表2 所列。

表2 顆粒的相互作用系數(shù)Tab.2 Interaction coefficients of particles

把設(shè)計(jì)好的方案模型導(dǎo)入 EDEM，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

(1) 因?yàn)椴煌F(xiàn)場(chǎng)輸送帶速度的調(diào)節(jié)范圍為 0.5～1.2 m/s，所以在軟件中設(shè)置輸送帶速度為 0.5、0.8 及1.2 m/s。

(2) 設(shè)置顆粒工廠總給料量為 600 kg，處理量為 60 t/h；顆粒產(chǎn)生的速度固定，位置隨機(jī)，方向隨機(jī)。

以現(xiàn)場(chǎng)使用最廣的振動(dòng)給料器參數(shù)為默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)：傾角為 15°，振頻為 20 Hz，振幅為 2 mm，初始狀態(tài)設(shè)置為 0。將外圈料倉(cāng) 1 (見(jiàn)圖2) 底部設(shè)計(jì)成盲板，并在后處理模塊中，統(tǒng)計(jì)該區(qū)域及振動(dòng)給料器區(qū)域內(nèi)顆粒的總質(zhì)量，即可計(jì)算出不噴準(zhǔn)確率，以評(píng)估不同方案、不同參數(shù)的仿真結(jié)果。

3.2 3 種結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

設(shè)計(jì)了 3 種不同的振動(dòng)給料器方案[7-8]，與原始結(jié)構(gòu)方案一起如圖5 所示，將其分別導(dǎo)入 EDEM 進(jìn)行仿真模擬。其中，方案一把振動(dòng)給料器斜面設(shè)計(jì)成階梯狀，保持總傾角不變，利用階梯落差讓礦物降速；方案二在振動(dòng)給料器斜面上增加一個(gè)環(huán)形法向擋料帶，高度為粒級(jí)的中位數(shù)；方案三把振動(dòng)給料器外延增長(zhǎng)，類似屋檐狀，前端傾角保持不變。

圖5 振動(dòng)給料器結(jié)構(gòu)方案Fig.5 Structure scheme of vibratory feeder

不同輸送帶速度對(duì)應(yīng)不同入料位置，符合現(xiàn)場(chǎng)給料情形。在 3 種不同速度條件下進(jìn)行仿真，當(dāng)輸送帶速度為 0.5 m/s 時(shí)，顆粒落料點(diǎn)位于落料盤中心偏給料側(cè)；當(dāng)輸送帶速度為 0.8 m/s 時(shí)，顆粒落料點(diǎn)接近位于落料盤中心 (見(jiàn)圖6(a))；當(dāng)輸送帶速度為 1.2 m/s 時(shí)，顆粒落料點(diǎn)位于落料盤中心偏非給料側(cè) (見(jiàn)圖6(b))。

圖6 不同速度條件下仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results under different speed conditions

顆粒初速度疊加振動(dòng)給料器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致不同方案中的振動(dòng)給料器周向給料量各不相同。

(1) 方案一 當(dāng)給料器上礦物質(zhì)量穩(wěn)定時(shí)，階梯狀的臺(tái)階并沒(méi)獲得理想降速效果，且給料器左側(cè)礦物量明顯多于右側(cè)。

(2) 方案二 由于環(huán)形法向擋料帶的存在，不論輸送帶速度快或慢，礦物都能從多的一側(cè)往少的一側(cè)轉(zhuǎn)移，保證整個(gè)給料器相對(duì)均勻。

(3) 方案三 增長(zhǎng)的平邊，導(dǎo)致礦物排出不及時(shí)，給料量時(shí)大時(shí)小，給料效果不理想，同樣也存在礦物左右不均勻的現(xiàn)象。

分別計(jì)算 3 種結(jié)構(gòu)方案及原始方案在不同輸送帶速度情況下的不噴準(zhǔn)確率，結(jié)果如表3 所列。

表3 不同方案在不同速度時(shí)的不噴準(zhǔn)確率Tab.3 Non-spray accuracy of different schemes at different speeds

由表3 可得到以下結(jié)論：

(1) 相同方案中，速度為 0.5 和 0.8 m/s 時(shí)，不噴準(zhǔn)確率相當(dāng)；速度為 1.2 m/s 時(shí)，不噴準(zhǔn)確率相對(duì)最低。這說(shuō)明輸送帶速度影響礦物初始狀態(tài)，從而影響礦物的均布。

(2) 不同方案中，相同輸送帶速度下，方案三的不噴準(zhǔn)確率最低；速度為 0.5 和 0.8 m/s 時(shí)，方案二與原始方案結(jié)果相當(dāng)；速度為 1.2 m/s 時(shí)，方案二的不噴準(zhǔn)確率比原始方案及其他方案高很多，且不噴準(zhǔn)確率平均值達(dá) 98.09%。這說(shuō)明礦物落料位置、礦物初始狀態(tài)的變化對(duì)方案二影響最小，方案二給料效果最好，并且優(yōu)于原始方案。

(3) 4 個(gè)方案中，所有方案的不噴準(zhǔn)確率均小于99%，未達(dá)到不噴準(zhǔn)確率的定義要求。這說(shuō)明振幅 (2 mm)、振頻 (20 Hz)、傾角 (15°) 并非最佳參數(shù)，需進(jìn)一步試驗(yàn)優(yōu)化。

3.3 振頻、振幅及傾角的影響

基于上述方案二的結(jié)構(gòu)，輸送帶速度設(shè)置為 0.8 m/s，其他軟件設(shè)置參數(shù)同上。以三大變量單獨(dú)變化的方式，探究振幅、振頻、傾角分別對(duì)給料效果的影響[9]。以仿真結(jié)果計(jì)算不噴準(zhǔn)確率，如表4～ 6 所列。

表4 不同振幅下的不噴準(zhǔn)確率Tab.4 Non-spray accuracy under different amplitudes

表5 不同振頻下的不噴準(zhǔn)確率Tab.5 Non-spray accuracy under different vibration frequencies

表6 不同傾角下的不噴準(zhǔn)確率Tab.6 Non-spray accuracy under different angles

從仿真過(guò)程及表4～ 6 結(jié)果可知：

(1) 振幅從 1 mm 增加到 3 mm，不噴準(zhǔn)確率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)振幅大于 2 mm 時(shí)，不噴準(zhǔn)確率下降明顯；在振幅為 1.0 mm 與 1.5 mm 時(shí)，不噴準(zhǔn)確率相接近，均大于 99%，優(yōu)于振幅 2 mm 效果。

(2) 振頻從 10 Hz 增加到 30 Hz，不噴準(zhǔn)確率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)振頻大于 20 Hz 時(shí)，不噴準(zhǔn)確率下降明顯；在振頻為 10 Hz 與 15 Hz 時(shí)，不噴準(zhǔn)確率相接近，均大于 99%，優(yōu)于振頻 20 Hz 效果。同時(shí)，仿真過(guò)程中，振頻為 10 Hz 時(shí)，易堵料。

(3) 傾角從 13°增加到 17°，不噴準(zhǔn)確率先上升后下降；在傾角為 15°與 16°時(shí)，不噴準(zhǔn)確率相接近；其他傾角時(shí)，效果較差。

從仿真試驗(yàn)結(jié)果可知，在保證不堵料的前提下，振幅、振頻越小，礦物運(yùn)動(dòng)越穩(wěn)定，不噴準(zhǔn)確率越高，給料效果越好；當(dāng)振幅大于 2 mm，振頻大于 20 Hz 時(shí)，不噴準(zhǔn)確率下降顯著，這與前期打樣試驗(yàn)所得結(jié)果一致。但最佳傾角是 15°～ 16°時(shí)，不噴準(zhǔn)確率均未大于 99%，說(shuō)明需要進(jìn)一步細(xì)化對(duì)比精度。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)上述仿真結(jié)論，并結(jié)合實(shí)際含水量、處理量情況，振動(dòng)給料器采用了新結(jié)構(gòu)，并對(duì)三大振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。改進(jìn)后，新設(shè)備已在多個(gè)礦場(chǎng)進(jìn)行試產(chǎn)。其中，在某大型鉬礦的天元選礦機(jī)采用了振幅 1.5 mm、振頻 15 Hz、傾角 16°的參數(shù)，已投入生產(chǎn) 6 個(gè)月有余，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)應(yīng)用如圖7 所示。選取連續(xù)生產(chǎn) 5 d 的抽樣化驗(yàn)結(jié)果作為對(duì)比，結(jié)果如表7、8 所列。

表7 舊結(jié)構(gòu)振動(dòng)給料器生產(chǎn)抽樣結(jié)果Tab.7 Sampling results for production of vibratory feeder in old structure

圖7 優(yōu)化后的振動(dòng)給料器應(yīng)于某大型鉬礦Fig.7 Optimized vibratory feeder applied to a large molybdenum mine

由表7 可知，使用舊結(jié)構(gòu)的振動(dòng)給料器，針對(duì)中品安山巖，Mo 原礦平均品位為 0.044%，尾礦平均品位為 0.023%；針對(duì)混合花崗巖，Mo 原礦平均品位為0.059 4%，尾礦平均品位為 0.030%。

由表8 可知，使用新結(jié)構(gòu)的振動(dòng)給料器，針對(duì)中品安山巖，Mo 原礦平均品位為 0.043%，尾礦平均品位為 0.019%；針對(duì)混合花崗巖，Mo 原礦平均品位為0.060%，尾礦平均品位為 0.027%。

表8 新結(jié)構(gòu)振動(dòng)給料器生產(chǎn)抽樣結(jié)果Tab.8 Sampling results for production of vibratory feeder in new structure

對(duì)比分析表7、8 數(shù)據(jù)，采用新結(jié)構(gòu)之后，當(dāng)原礦類別為中品安山巖 (Mo 原礦品位為 0.04%～ 0.05%)時(shí)，Mo 尾礦品位能夠穩(wěn)定小于 0.023%；當(dāng)原礦類別為高品安山巖或混合花崗巖 (Mo 原礦品位為 0.05%～0.08%) 時(shí)，Mo 尾礦品位比優(yōu)化前下降 12% 左右。這也表明，新結(jié)構(gòu)新參數(shù)的傘型振動(dòng)給料器布料更加均勻，顯著提升了分選效果。

5 結(jié)論

(1) 使用 EDEM 離散元仿真，可快速高效優(yōu)化傘型振動(dòng)給料器的結(jié)構(gòu)及振動(dòng)參數(shù)。針對(duì) -45 +15 mm粒級(jí)干式鉬礦，新結(jié)構(gòu)的傘形振動(dòng)給料器采用振幅1.5 mm、振頻 15 Hz、傾角 16°之后，給料效果更佳；對(duì)于中品、高品鉬礦拋廢，Mo 尾礦品位均有下降，分選效果提升顯著。

(2) 基本掌握了振動(dòng)給料器三大參數(shù)與不噴準(zhǔn)確率之間的規(guī)律，但處于不同環(huán)境條件的礦物，其恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)、顆粒模型填充等都會(huì)影響仿真結(jié)果，試驗(yàn)過(guò)程仍需進(jìn)一步補(bǔ)充細(xì)化。同時(shí)，需進(jìn)一步研究其他振幅、振頻、傾角組合的給料效果，以及更優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。