钴结壳破碎剥离模拟试验装置
张振华，夏毅敏，张刚强，杨添任，郑伟
(中南大学 机电工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：
的开采现状，分析了现有的钴结壳破碎方法，结合各种破碎方法的特点提出一种深海钴结壳破碎剥离方案，并设计出其相应的试验装置。研究结果表明：该装置可实现螺旋采集头破碎、振动破碎和高压水射流破碎3种方式单独作用或多方式联合作用，并能比较不同条件下的破碎效果，验证多方式组合破碎的可行性，对不同组合破碎方法的参数进行优化配置。
关键词：
中图分类号：TP249 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S2-0271-06
Cobalt crust breaking and stripping simulation experimental device
ZHANG Zhen-hua, XIA Yi-min, ZHANG Gang-qiang, YANG Tian-ren, ZHENG Wei
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: For the present mining situation of the deep-sea cobalt crust, the existing cobalt crust breaking methods were analyzed, a deep-sea cobalt crust breaking method was proposed by combination of the characteristics of many breaking methods, and the corresponding experimental device was designed. The results show that multi-way combined effect or independent effect of the spiral mining head breaking, vibration impact breaking and high-pressure water jet breaking can be implemented on this experimental device, and the crushing effect under different conditions can be compared to verify the feasibility of multiple methods combined breaking and to optimize the parameter of the different combined breaking method.
Key words: deep-sea mining; cobalt-rich crust; breaking method; experimental device
海洋作为人类共同继承的巨大资源宝库，蕴藏着丰富的矿产资源，其中多金属结核，富钴结壳，热液硫化物等稀有金属含量巨大。富钴结壳是生长在大洋底部的一种富含钴、镍、银、铜、金、铂及稀土元素的多金属矿石[1-3]，呈层叠状覆盖。随着陆地矿产资源的日趋减少，开发国际海底矿产资源是大势所趋。钴结壳的剥离破碎是钴结壳开采过程中的重要步骤，寻找一种合适的钴结壳破碎方法尤为关键。目前常用的破碎方法有滚筒切削、盘刀切削、冲击钻、高压水射流等[4-5]。基于国内破碎方法研究的现状，为了对不同破碎方法进行比较，分析各种方法的破碎效果，获得相关参数的对比试验研究，提出了集螺旋滚筒、振动破碎和高压水射流3种方式于一体的破碎方案，并设计了相应的试验装置，可以对钴结壳、热液硫化物等进行破碎剥离实验研究。
1 深海钴结壳破碎方法现状
常用的钴结壳及其基岩破碎方法有：螺旋滚筒式截齿切削、盘刀式轧削、冲击钻冲击破碎和水射流切削等。但是，不同的方法消耗的能量不同，经比较得出最佳的选择应是能耗最小的螺旋滚筒式切削或拖头切削。目前世界各研究机构提出的方案也多集中于这2种破碎方法。
日本的CLB法(连续绳斗法)[6]是一种典型的拖头切削方法，它是集破碎、集矿和运输于一体的方法。但这种方法不适应海底地貌和结壳厚度的变化，采集效益和回收率较低，破坏海底生态环境，不适合用于大面积连续性商业开采。
螺旋滚筒采集深海钴结壳的研究还处于试验阶段。刘勇[7]对钴结壳螺旋滚筒切削法采掘头的设计理论进行了研究，其研究成果对滚筒参数的优化设计有一定的参考价值。振动切削是在传统的切削过程中给刀具施以某种参数控制的有规律的振动而进行切削的一种技术和方法[8]。袁碧华等[9-10]应用惯性振动式螺旋滚筒切削头进行了研究，在自行设计的试验台上对钴结壳模拟料进行了振动加载切削破碎试验，探寻了切削过程中参数之间的相互匹配关系。“十五”期间中南大学、长沙矿山研究院、长沙矿冶研究院等合作完成了复合式集矿方式和自行履带行走装置的基础研究和原理试验，这对于研究大洋钴结壳的开采设备具有很大的借鉴价值。
水射流破岩方法是从射流技术的基础上发展而来的，经过飞速发展，其应用领域日渐广泛，但是，很少单独用于大规模破岩作业，一般辅助机械刀具使用。水射流辅助全断面掘进机上盘形滚刀破岩可以提高掘进机的工作效率[11]，在辅助切割煤系岩石方面[12]，刀具由水射流冷却和润滑，降低刀具承受力。周玉军[13]提出用水射流破碎钴结壳，研究高压水射流对钴结壳的相互作用，分析水射流在多种条件下对钴结壳的破碎果，并进行了水射流破碎钴结壳模拟料的试验。
目前各种破碎方法研究较多，为了对比各种破碎方法的破碎效果，研究各方法相关参数的匹配关系并对其进行优化，设计一种可实现多方式破碎的试验装置，能够对各种破碎方法进行对比试验，得到相关参数的优化组合。
2 钴结壳破碎实验装置的工作原理
结合各种破碎方法的特点，提出一种将螺旋滚筒破碎、振动式破碎和高压水射流多方式组合或单独作用破碎深海钴结壳的方法，并设计了相应的试验装置。
试验装置主要由以下几个部分组成：牵引部件、螺旋采集装置、振动破碎装置和高压水射流装置。钴结壳及热液硫化物等矿料置于小车内，小车在牵引部件的作用下前进至工作位置，由螺旋切削装置、振动破碎装置和高压水射流装置来实现不同组合方案的切削破碎。试验装置整体设计如图1所示。
3 钴结壳破碎试验装置的组成
3.1 牵引部件
牵引部分是保证工作时小车能够平稳进给的机构，要满足的基本要求为：能够实现往返运动；速度要均匀、适中，以避免在工作过程有冲击、振动等，导致破碎后的矿料粒度不符合要求，影响刀具的使用寿命。
图1 试验装置的结构设计
Fig.1 Structure design of experimental device
常用的传动方式包括机械传动、电气传动、液压传动和气压传动。根据矿料的物理特性和装置的工作要求，结合上面2条原则，采用的传动方案为：液压马达与传动轴通过联轴器联接，通过固定在轴上的链轮带动链条运动，链条牵引小车实现进给和返回。牵引部分的整体结构布置如下：轴放置在支持架上并通过联轴器和马达连接，液压马达的左侧加装了支撑架，支撑架与地面固定板焊接，固定板由螺栓固定在地面上。牵引部分的整体结构布置如图2所示。
图2 牵引部分结构布局图
Fig.2 Structural layout of drawing part
3.2 螺旋切削装置
螺旋切削装置是破碎的主要工作部件，对钴结壳及热液硫化物进行破碎加工，决定着钴结壳的破碎质量。螺旋切削装置既要保证切削过程连续平稳进行，又能满足切削产物的块度和工作过程的能耗。
螺旋滚筒的结构和截齿的形状及其在滚筒上的排列方式、安装位置、角度直接影响试验装置的功率、能耗、钴结壳破碎块的大小[14]，所以，必须合理地选择滚筒的结构型式和截齿的形状、排列方式、安装角度等。截齿排列时，截线距过大或过小都是不合理的。最佳的截线距应该是既能充分利用崩裂效应，又不能留下中间煤脊，即相邻切削槽顶点的连续应与崩落面重合[15]。截齿切削钴结壳时，产出的颗粒是随着螺旋滚筒的牵引速度和旋转速度变化的，只是在一定的工作速度范围内，才能得到比较理想的破碎产物，避免出现过度粉碎或产生太大的块状钴结壳。采用的螺旋滚筒及截齿布置如图3所示。
3.3 振动破碎装置
振动破碎装置选用目前使用较多的、简单可靠的单轴式惯性激振器来为螺旋滚筒提供振动，主要由偏心轴和偏心凸轮组成。偏心凸轮与螺旋滚筒安装在同一偏心轴上且由弹性挡圈固定，偏心轴通过联轴器连接液压马达驱动螺旋滚筒和偏心凸轮转动。振动切削能够降低破碎时的切削力，使振动刀具的截割方式不同于静态切割，摩擦力与黏附力大大减少。钴结壳在连续发生的有规律的脉冲力作用下，产生脆性断裂，使得钴结壳更容易破碎，减少了能量的消耗。偏心凸轮是整个振动破碎装置的关键元件，它的大小将直接影响到振动破碎装置输出的激振力以及振动的频率和振幅等参数。为了能使滚筒在不同的频率和振幅下工作，可以设计大小和偏心距不同的偏心块来更替使用。振动破碎装置的示意图如图4所示。
图3 螺旋滚筒及截齿布置示意图
Fig.3 Sketch map of spiral mining head and cutting-pich arrangement
3.4 高压水射流装置
高压水射流的发生装置主要包括压力发生装置(高压泵)、压力调节装置、高压管道、喷嘴的固定及角度调节装置等。由电机带动增压装置再带动泵实现低压水向高压水的转化，通过调节比例开关阀来对喷嘴射流工作状况进行控制。连续射流冲击产生的压剪应力远超过钴结壳的抗拉、抗剪强度极限，在钴结壳矿料中形成裂隙。裂隙形成和交汇后，水射流将渗入裂隙，使其急速扩大发展，最终导致钴结壳破碎。钴结壳破碎的另一个重要因素是流体对钴结壳的穿透能力。高速水射流冲击穿透进入钴结壳的微观裂纹，瞬间产生强大压力，促进裂纹的发展最终形成破碎块。调节喷嘴的角度和高度可以得到不同的射流参数，验证破碎钴结壳的效果和参数。高压水射流装置如图5所示。
图4 振动破碎装置示意图
Fig.4 Sketch map of vibration breaking device
图5 高压水射流装置
Fig.5 High-pressure water jet device
4 液压传动和电气控制系统原理
由破碎装置的原理可知：在工作过程中，要控制小车的进给与后退，螺旋滚筒的切削速度及同步升降，切削过程的工作周期等。因此，采用液压与电气控制来实现工作要求。试验台对液压传动的要求是：支撑滚筒的液压缸部分必须有双缸同步动作回路；在回路中带液压自锁功能，使液压缸能在工作范围内精确定位，满足截割厚度的要求；螺旋滚筒的升降速度可调；驱动螺旋滚筒的液压马达在工作时应保证切割平稳，无剧烈、频繁的跳动现象，且能实现正反转；有高压及过载保护；牵引部分要使试验小车的运动平稳，速度均匀，保证小车的速度可调，且能够实现进给与后退运动。
综上所述，液压系统的设计原理如图6所示。
图6 液压系统原理图
Fig.6 Principle diagram of hydraulic system
电气控制系统要求：在工作过程中螺旋滚筒先转动，然后小车前进给料；小车在前进和后退时应有终端保护；完成电磁铁调度表的各种功能；电路应有短路、过载保护，同时有指示灯等各种辅助装置。电气控制的原理图如图7所示。
图7 电气控制原理图
Fig.7 Principle diagram of electric control
5 结论
(1) 钴结壳破碎剥离模拟试验装置主要由牵扯引部件、螺旋采集装置、振动破碎装置、高压水射流装置和相应的控制测试系统组成。
(2) 该试验装置可实现螺旋滚筒破碎、振动式破碎和高压水射流多方式组合或单独作用，对深海钴结壳的不同破碎方法进行对比研究，通过比较相关参数不同组合的破碎效果，得出相关参数的优化组合。
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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)；中国博士后科学基金资助项目(20080440992)；湖南省科技支撑计划项目(2009SK3159)
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
摘要：针对深海钴结壳的开采现状，分析了现有的钴结壳破碎方法，结合各种破碎方法的特点提出一种深海钴结壳破碎剥离方案，并设计出其相应的试验装置。研究结果表明：该装置可实现螺旋采集头破碎、振动破碎和高压水射流破碎3种方式单独作用或多方式联合作用，并能比较不同条件下的破碎效果，验证多方式组合破碎的可行性，对不同组合破碎方法的参数进行优化配置。
