改善摇床分选效果的研究

李后广，杨芳芳

（招远市金丰矿山机械股份有限公司，山东 烟台 265400）

关键字：摩擦力；方向性差异；锯齿纹理

1 摇床做往复运动后受力情况

摇床是依靠床面的不对称往复运动来实现轻重矿物分离的一种重选设备。矿物颗粒在摇床床面上的搬运和分带，是一个复杂的运动过程，受到多方面因素的影响。

通过对摇床床面上的矿物颗粒的受力分析，笔者认为：矿物颗粒与摇床床面间的摩擦力是实现矿粒搬运和分带的最关键的动力来源[1]。控制好摩擦力的作用，可以促进矿物颗粒的搬运，改善矿物颗粒在摇床上的分选和分带。为便于分析，假定在床面上的矿物颗粒为立方体，并将矿物颗粒间的相互干扰作用简单归结为矿浆的粘滞力。矿粒在摇床床面上的受力情况如图1所示。

图1 矿物颗粒在摇床床面上的受力情况

在实际生产过程中，矿粒以一定的初速度被给入到摇床床面上，矿粒与床面间以静摩擦力相互作用的时间极短，几乎可以忽略[2]。矿物颗粒与床面间的摩擦力为滑动摩擦力。滑动摩擦力大小计算公式F摩=N·μ（其中μ为矿物颗粒与摇床床面间的滑动摩擦系数）。在摇床做往复运动的过程中，床面与矿物颗粒间的正压力N与滑动摩擦系数μ几乎保持不变，故滑动摩擦力的大小基本保持不变，而作用方向不同。矿物颗粒在摇床床面上的搬运作用主要取决于矿物颗粒所受向前和向后两个方向上摩擦力作用时间的差异。作用时间相差越大，搬运作用越明显。

通过上述分析，为使床面对矿粒向前的搬运作用尽可能达到最大，需要控制矿粒与床面之间的摩擦力在方向向前时较大，方向向后时较小。在作用时间上，应使方向向前时的摩擦力作用时间尽可能长些，方向向后时的摩擦力作用时间尽可能短些。笔者研究探讨了通过特制摇床床面的表面粗糙度和纹理，来实现摩擦力在床面不同运动方向上的差异。

2 矿粒与床面之间发生滑动前矿粒所受的作用

现有摇床床面普遍采用方管焊接的骨架，以金刚砂、玻璃钢丝、树脂胶为基材，铸造成形后经修补打磨床条，表面喷涂油漆，成为最终产品。床条与床面的粗糙度主要受油漆喷涂质量的影响，床面粗糙度难以控制。为使摇床床面的表面粗糙度可控，笔者提出一种采用方钢管焊接骨架，在骨架上铺设聚丙烯或尼龙材质的板材特制而成的新型摇床床面。床面上的床条和沟槽经铸造或热压初步成形后，再采用龙门铣床精加工沟槽表面。在床条沟槽表面铣削加工过程中，可通过控制铣刀刀刃的形状、铣刀转速和刀架的运行速度，来控制床面的粗糙度。并在床条沟槽表面加工出类似于板锉表面的微型锯齿状纹理。矿物颗粒在带有锯齿纹理床面上的受力情况如图2所示。在床面以加速度a向前做加速运动的过程中，粒度较小的矿物颗粒A，主要受到重力G、浮力F浮、锯齿斜面的正压力N1、锯齿断面的正压力N2以及粘滞力F粘的共同作用。其中：

上式中m为矿物颗粒A的质量，θ为锯齿斜面与水平面的夹角。

通过①②关系式进行分析，锯齿断面作用给矿物颗粒的正压力N2随床面正向加速度的增大而增大。当床面向后做加速运动时，除受到上述所列的作用力外，还受到沿锯齿斜面方向的摩擦力F摩。在矿粒与床面之间发生滑动之前，矿粒所受的作用力存在以下关系：

忽略粘滞力的影响通过式⑤⑥可推导出，矿粒在锯齿斜面上将要发生相对滑动时的临界加速度。摇床床面的加速度大于临界加速度是矿粒与床面发生相对滑动的必要条件。

上式中ρ水为重选介质水的密度，ρ矿为矿粒的密度，ƒ静为矿粒与床面间的静摩擦系数，θ为锯齿斜面与水平面的夹角。

当摇床床面向后的加速度超过临界加速度，矿粒与床面之间的摩擦力转变为滑动摩擦力。假设矿粒沿锯齿斜面方向的加速度分量为ax,垂直于锯齿斜面方向的加速度分量为ay。则有：

由于在垂直于锯齿斜面方向矿粒与床面间无相对运动，故ay=·sinθ代入式⑨得：

矿粒沿锯齿斜面方向的加速度分量为ax与摇床床面沿锯齿斜面方向加速度分量·cosθ差异的大小，可以近似地表征矿粒与摇床床面发生相对滑动的加速度大小。

由式⑪可见，在摇床制造和操作参数已定的情况下，矿粒与摇床发生相对滑动的加速度大小与摇床床面加速度大小成正比。通过调整摇床的冲程和冲次，可以实现矿粒在摇床锯齿斜面上的滑动，并且可以控制滑动的距离。当相对滑动距离超过一个锯齿斜面的长度时，便实现了矿物颗粒的向前搬运。

当矿物颗粒大小与锯齿纹理的尺寸接近时如图2中矿物颗粒B，其受力情况与小颗粒矿物A的受力基本相同。而不同的是，由于颗粒B尺寸较大，其受到的压力、重力、摩擦力和粘滞力等力相对于矿粒棱角处的力矩存在不平衡性。因此颗粒B易于发生旋转，从而降低床面对其向前的搬运作用。

当矿物颗粒非常大时，如图2中矿物颗粒C。矿物颗粒与床面锯齿纹理的多个齿尖接触，矿粒与床面之间的滑动摩擦系数在前进和后退两个方向上差别较小。摇床对大颗粒矿物的搬运作用不明显。

综上所述，摇床床面上的锯齿纹理对矿物颗粒在前进方向和后退方向的作用力具有粒度选择性，矿物颗粒越小两个方向的作用力差别越大，矿物颗粒越大两个方向的作用力差别越小。这样的作用特性正与不同比重矿物颗粒在床面上的离析分层特点相吻合[4]。可显著增大大颗粒轻矿物与小颗粒重矿物之间的运动差异。利于摇床分选。

图2 矿物颗粒在锯齿纹理床面上的受力情况

3 矿物颗粒在锯齿纹理床面上的参数要求

摇床床面上锯齿纹理的加工尺寸，可根据摇床给矿中目的重矿物的平均粒度来确定。锯齿断面的高度应为目的矿物平均粒度的0.6倍～0.7倍，锯齿断面越高，轻矿物被搬运混进重矿物精矿的数量就越多，锯齿断面高度越低，大颗粒重矿物越易发生滚动，减弱摇床对其向前的搬运作用。锯齿斜面与水平面的夹角θ是影响临界加速度â临的一个关键因素，夹角越大，临界加速度越大。经理论推导分析，夹角θ在12°～16°之间比较合理。而摇床床面上锯齿纹理的具体参数还需经过试验和生产实践进行摸索和优化。

在现有机械加工技术条件，通过铣削摇床床面上的锯齿纹理来改变床面与矿粒间摩擦力的作用方式，进而改善摇床的分选效果，是可行的。但是，如前所述，影响摇床分选效果的因素是多方面的，改善摇床分选效果不能依靠单单调节某一个因素来实现，需要多个条件的紧密配合。相信通过业界专家学者的潜心研究，定能大幅度改观摇床的分选效果，弥补摇床自身的缺陷，扩大摇床的应用范围。