深海富钴结壳螺旋滚筒式采集头载荷特性分析
张刚强1，夏毅敏1，张振华1，何利1，罗松保2
(1. 中南大学 机电工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 中航工业北京航空精密机械研究所 超精密加工技术研究室，北京，100076)
摘要：为了研究截齿切削钴结壳的载荷特性，根据对钴结壳切削过程中的受力分析，建立所受切削力的数学模型，并基于ANSYS/LS-DYAN进行切削过程仿真，得出不同采掘参数下截齿所受切削力的变化规律和载荷波动系数。研究结果表明：适当增加切削深度，降低牵引速度，增加螺旋滚筒转速，可以提高采掘效率，为设计和优化螺旋滚筒式采集头提供理论依据。
关键词：钴结壳；采集头；载荷波动性；切削力；仿真
中图分类号：TP249 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S2-0266-05
Analysis of load characteristics of spiral roller’s collecting head in gathering deep-sea cobalt-rich crusts
ZHANG Gang-qiang1, XIA Yi-min1, ZHANG Zhen-hua1, HE Li1, LUO Song-bao2
(1. School of Mechanical and Electronic Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Ultraprecision Machining Technology Research Section,
China Precision Engineering Institute for Aircraft Industry, Beijing 100076, China)
Abstract: To study the load characteristics of cutters cutting cobalt crust, the force in the cutting process was analyzed, the mathematical models of cutting force was established and the simulation results of cutting process were gotten based on ANSYS/LS-DYAN. The changes of cutting force and load fluctuation coefficient of cutters were gotten under different mining parameters. The simulation results show that with the increase of the cutting depth, the decrease of the traction speed and the increase of the speed of spiral roller appropriately, extraction efficiency can be improved. The conclusions above provide a theoretical basis for the design and optimization of the collecting head in the form of spiral drum.
Key words: cobalt crusts; collecting head; load fluctuation; cutting force; simulation
富钴结壳是一种生长在大洋底500~3 000 m深的平坦海山坡上，富含钴、镍、银、铜、金、铂及稀土元素的多金属矿石，大多呈斑块状赋存于硬质基岩上，厚度一般为4~6 cm[1-2]。如何有效地破碎钴结壳，是钴结壳采集技术研究的重点及钴结壳采矿系统的关 键[3]，目前提出破碎方式有多种，如螺旋滚筒式截齿切削、盘刀或拖刀式切削、冲击或挤压破碎和水射流剥离等。参照国内外成熟的采煤经验[4]，通过分析和对比钴结壳最新的研究成果，提出以螺旋滚筒式截齿切削开采深海富钴结壳是最经济的，也可以说是目前最佳的钴结壳采集头选择方案[5-7]。在富钴结壳开采过程中，采集头载荷不均所产生的载荷波动，将加速采矿车零部件的损坏[8]。采集头截齿是深海采矿系统的重要部件之一，其工作状态将直接影响到整个采矿系统的效率，由于采集头处于深海之中，人员现场维护很不方便，并且工作环境复杂，外载荷变化大，载荷波动性大，使得截齿容易损坏[9]。因此，必须充分研究截齿切削钴结壳的载荷特性。在实验室条件下研究其载荷特性，需要采用正交实验的方法，做大量的实验才能完成各项研究，费时费力，为此，采用工程研究中常用的计算机仿真方法[10-14]，能够快速地研究出截齿的载荷特性。
1 采集头载荷波动性分析
1.1 采集头截齿切削力的数学模型
研究结果表明：钴结壳的截割特性与中等强度的煤岩相当，切割破碎机理也相同[15]。因此，可以借鉴成熟的煤岩切削理论来分析钴结壳的破碎过程。但其表达相关力学特征的系数会有所不同，截齿切削破碎钴结壳和基岩的破碎阻力可以表示为3组力作用于刀具上的结果。截齿在径向、切向和法向的受力如图1所示。
图1 截齿受力分析图
Fig.1 Analysis of cutters’ force
单个截齿在轴向、径向和切向方向的切削载荷(Ftit，Fnit和Fτit)分别为：
(1)
其中：A和σy分别为钴结壳的截割阻抗和抗压强度。钴结壳基岩的抗压强度大于81 MPa的概率小于1/万，钴结壳抗压强度大于22.3 MPa的概率小于1/万，钴结壳的抗压强度一般是0.1~19.3 MPa[16]。计算时取σy=20 MPa，则钴结壳的截割阻抗可取A=300 kN/M。l0和hit分别为截距和切屑厚度；b为截齿截刃宽度，刀头形状复杂应取计算宽度；B为钴结壳的脆性程度指数，具体取值可通过破碎的矿岩粒度分布情况来测得；F为截割阻力系数；sd为截齿磨损面积，即截齿磨钝表面在切削平面上的投影；e，c和d为经验系数，当截齿为顺序式排列时c=0.3，d=0.15，d=1.4；当截齿为棋盘式排列时c=2.2，d=0.1，d=1；kn为锋利截齿平均牵引力与平均截割力的比值，对于韧性矿体取0.7，脆性矿体取0.6，特别脆的矿体可取0.5。钴结壳基岩属韧性矿体，所以，kn取0.7。
1.2 载荷波动性的计算
为了便于考察采集头截齿所受的切削力，引入波动系数δ来定量地表示采集头所受载荷的波动性。滚筒每转一周时的载荷均值和波动系数常用下面的公式来近似计算：
(2)
(3)
其中：δ为载荷波动系数；
为每10°所对应的载荷；
为每10°所对应的载荷方差；
为每10°所对应的载荷平均值。
2 采集头切削力仿真模型的建立
2.1 仿真模型的建立
根据前期的相关研究成果，建立基于ANSYS/LS- DYAN的螺旋滚筒截齿切削钴结壳动力学的仿真模型，以方便地求解出不同采掘参数下截齿所受的各向切削力及合力。为便于分析选取某一种螺旋滚筒截齿进行研究，提高模型的准确率，全部在ANSYS建立其物理模型，同时对其模型进行适当简化，如图2所示。
2.1.1 结构参数的选取
滚筒长度为400 mm，螺旋数为2头，齿间角为22.5°，齿间距为23 mm，截齿数为32个；截齿配置方式为顺序式左旋，螺旋数为2头，滚筒数为1个。
2.1.2 有限元模型参数的选取
计算模型采用六面体8节点实体单元来划分网格，滚筒采用刚体材料属性，参数为：密度ρ=7.8×10-6 kg/mm3，泊松比
，弹性模量E=2.1×105 N/mm2，将约束载荷施加在滚筒上，使其只能绕轴心旋转和沿X方向前进；截齿材料采用线弹性体，其参数与滚筒的相同，截齿与螺旋滚筒的联接采用固联约束处理。钴结壳模型采用ANSYS/LS-DYAN中15号材料模型JOHNSON AND COOK PLASTISITY。
图2 螺旋滚筒切削力仿真模型
Fig.2 Cutting force simulation model of spiral cylinder
2.2 仿真结果与分析
根据以上所建立的仿真模型进行仿真，仿真参数分4组：(1) 切削深度为5 mm，牵引速度为20 mm/s，转速为32 r/min；(2) 切削深度为5 mm，牵引速度为40 mm/s，转速为32 r/min；(3) 切削深度为3 mm，牵引速度为20 mm/s，转速为32 r/min；(4) 切削深度为5 mm，牵引速度为20 mm/s，螺旋滚筒转速为50 r/min，切削时间均为4 s。
利用LS-SYAN求解器进行求解，得出各组螺旋滚筒截齿切削力时域图，如图3~6所示。因有2个截齿同时进入切削，故所受的切削力同时为2个截齿 产生。
图3 截齿切削力时域图(Ⅰ)
Fig.3 Cutting force of cutter in time domain(Ⅰ)
图4 截齿切削力时域图(Ⅱ)
Fig.4 Cutting force of cutter in time domain(Ⅱ)
图5 截齿切削力时域图(Ⅲ)
Fig.5 Cutting force of cutter in time domain(Ⅲ)
图6 截齿切削力时域图(Ⅳ)
Fig.6 Cutting force of cutter in time domain(Ⅳ)
从图3~6可以看出：截齿切割破碎钴结壳及其基岩过程中，切削力呈周期性跳跃变化，载荷波动比较严重，尤其是刚开始进入切削时载荷波动性特别大，以后逐步趋于稳定。变化的曲线随所取的参数不同而发生相应变化，其结果见表1。其中：Fmax为最大切削力；U为平均切削力；δ为载荷波动系数。
表1 各组仿真结果
Table 1 All simulation results
由表1可以得出：在相同的切削深度下，牵引速度越大，则切削力越大，载荷波动性越大；在相同的牵引速度下，切削深度越大，切削力越大，载荷波动性越大；在相同的牵引速度和切削深度下，螺旋滚筒的转速越大切削力越小，载荷波动性也越小。故可以适当增加切削深度，降低牵引速度，增加螺旋滚筒转速，以提高采掘效率。
3 结论
(1) 滚筒式采集头切削破碎钴结壳时，切削力呈周期性跳跃变化，载荷波动比较严重，这与采集头的切削深度、牵引速度，旋转速度有关。
(2) 在相同的切削深度下，牵引速度越大，则切削力越大，载荷波动性越大；在相同的牵引速度下，切削深度越大，则切削力越大，载荷波动性越大；在相同的牵引速度和切削深度下，螺旋滚筒的转速越大，则切削力越小，载荷波动性也越小。故可以适当增加切削深度，降低牵引速度，增加螺旋滚筒转速，以提高采掘效率。
(3) 利用仿真模型进行研究，能够较好地评估采集头所受切削力和载荷波动性，可以代替部分实验研究，从而有利于缩短研发周期、降低成本，对加快海洋矿产资源开发具有重要意义。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2011-06-15；修回日期：2011-07-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50875265)；湖南省科技支撑计划项目(2009SK3159)；博士后基金资助项目(20080440992)
通信作者：夏毅敏(1967-)，男，江西永新人，教授，博士生导师，从事深海机电装备研究；电话：0731-88876926；E-mail: xiaymj@csu.edu.cn
