一种往复摆动的螺旋溜槽及其分选方法

本发明涉及矿山机械设备领域，具体涉及一种往复摆动的螺旋溜槽及其分选方法。

背景技术：

1、螺旋溜槽选矿机是一种流膜类重力选矿设备，矿物颗粒在流体动力、离心惯性、摩擦力以及自身重力的共同作用下在螺旋槽面上发生分层、分带，不同比重的矿物颗粒最终形成从内缘到外缘的精矿带、中矿带和尾矿带，实现矿物有效分离。分选时矿浆沿螺旋槽做三维螺旋回转运动，当矿浆沿螺旋槽向下运动时，底层液流由于受到槽底摩擦作用大，流速几乎为零，而表层液流受重力作用大，流速最大，即流膜内上下液流层之间存在流速差异而形成剪切作用，使矿粒松散分层。然而，在静止螺旋溜槽中，流膜内液流剪切速率完全由设备固定的几何参数（螺旋直径、螺距、横向倾角等）决定，无法根据矿石性质主动调节，导致分选流体稳定性不足、床层松散不充分、分选精度受限。

2、部分现有技术针对该问题做出了一些改进，如公开号为cn209333946u、cn221157120u的中国专利，均公开了一种旋转螺旋溜槽，上述方案均利用旋转电机带动螺旋溜槽持续匀速正转或反转，借助外力叠加离心力以增强剪切作用。然而，上述方案中螺旋溜槽施加的均为单一方向的旋转运动，对矿物的松散分层效果仍较为有限，且单向旋转运动容易导致螺旋溜槽内侧矿物堆积，反而劣化分选效果。在此基础上，申请人在承担的国家自然科学基金（基于滚波理论的螺旋斜面流失稳发生机理及调控机制）项目研究中发现，通过特定振幅和频率的剪切可以提升螺旋分选流体的稳定性和分选效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种往复摆动的螺旋溜槽及其分选方法，以解决现有技术中存在的以下技术问题：现有静止螺旋溜槽流膜内液流剪切速率完全由设备固定几何参数决定，无法主动调节，导致分选流体稳定性不足、床层松散不充分、分选精度受限；以及现有旋转螺旋溜槽采用单一方向旋转运动，对矿物松散分层效果有限，容易导致螺旋溜槽内侧矿物堆积；以及现有技术中摆动参数选取依赖经验取值，需要反复调整的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供一种往复摆动的螺旋溜槽，包括螺旋溜槽主体、驱动机构；其特征在于，所述驱动机构与所述螺旋溜槽主体传动连接，驱动所述螺旋溜槽主体绕中心轴线以摆动幅度a、摆动频率f往复摆动；所述摆动频率f满足，所述摆动幅度a与所述摆动频率f满足，其中a的单位为度（°），f的单位为hz；r为所述螺旋溜槽主体的半径，单位为m，且。

4、其中，所述中心轴线是指螺旋溜槽主体的几何中心轴线，所述摆动幅度为螺旋溜槽主体从零位向单侧偏转的最大角度，所述摆动频率为每秒往复摆动的周期数。通过驱动机构驱动螺旋溜槽主体绕中心轴线做周期性正反向往复摆动，使螺旋溜槽主体相对于槽内矿浆产生附加切向运动，在流膜内形成叠加于基础二次环流剪切之上的附加剪切速率，从而主动强化矿物颗粒松散分层；参数约束关系由流膜稳定性临界条件（上限）和有效剪切阈值条件（下限）共同确定，确保附加剪切速率在增强分选效果的同时不破坏流膜稳定性。

5、进一步地，所述螺旋溜槽主体的半径r为，所述摆动频率满足。该优选参数范围对应工业最常用规格螺旋溜槽，在该范围内往复摆动的强化分选效果更为稳定可靠。

6、在一些实施例中，所述螺旋溜槽主体为单头螺旋溜槽或多头螺旋溜槽。本发明所提供的往复摆动技术方案对单头和多头螺旋溜槽均适用，不受螺旋头数限制。

7、在一些实施例中，所述螺旋溜槽主体固定安装于旋转轴上，所述旋转轴通过轴承座安装于机架上，所述驱动机构与所述旋转轴传动连接，通过驱动所述旋转轴往复摆动带动所述螺旋溜槽主体绕中心轴线往复摆动。旋转轴作为螺旋溜槽主体与驱动机构之间的中间传动件，将驱动机构输出的往复摆动运动可靠传递至螺旋溜槽主体。

8、在一些实施例中，所述驱动机构包括旋转电机和曲柄摇杆机构，所述曲柄摇杆机构包括曲柄、连杆和摇杆，所述旋转电机的输出轴与所述曲柄的一端固定连接，所述曲柄的另一端与所述连杆的一端铰链连接，所述连杆的另一端与所述摇杆的一端铰链连接，所述摇杆的另一端与所述旋转轴固定连接。当旋转电机匀速旋转时，曲柄做圆周运动，通过连杆带动摇杆往复摆动，摇杆再带动旋转轴及螺旋溜槽主体绕中心轴线往复摆动，实现将旋转运动转换为往复摆动运动。

9、进一步地，所述摇杆为可调杆长摇杆，通过调节所述摇杆的杆长设定所述摆动幅度a；所述旋转电机通过变频器调节转速以设定所述摆动频率f。可调杆长摇杆使摆动幅度a的调节操作简便，变频器调速使摆动频率f的设定灵活可控，两者配合可将摆动参数精确设定在约束关系所限定的有效区域内。

10、在一些实施例中，所述驱动机构包括液压马达、比例阀、液压站和控制器，所述液压马达的输出轴与所述旋转轴固定连接，所述比例阀的进油口与所述液压站连接，所述比例阀的出油口与所述液压马达连接，控制器与所述比例阀电连接，通过向所述比例阀发送控制信号控制阀芯开口方向和开口面积，以设定所述摆动幅度a和所述摆动频率f。液压马达输出力矩大，适用于大型、重型螺旋溜槽的往复摆动驱动场景，通过控制器向比例阀发送电流信号或pwm波信号，可精确控制液压马达的往复旋转运动。

11、在一些实施例中，所述驱动机构包括伺服电机、伺服驱动器、减速器、联轴器和控制单元，所述伺服电机的输出轴与所述减速器固定连接，所述减速器的输出轴通过所述联轴器与所述旋转轴固定连接，所述伺服驱动器与所述伺服电机电连接，用于向所述伺服电机输出驱动信号；所述伺服电机设有编码器，所述编码器与所述伺服驱动器电连接，用于向所述伺服驱动器反馈所述伺服电机的转动位置信号；所述控制单元与所述伺服驱动器电连接，并通过所述伺服驱动器对所述伺服电机进行闭环位置控制，以驱动所述旋转轴往复摆动。伺服电机带编码器可实时反馈旋转轴的实际角位移，形成闭环位置控制，使摆动幅度和摆动频率的控制精度更高，适用于对分选参数精度要求较高的应用场景。

12、本发明还提供一种螺旋溜槽往复摆动分选方法，包括以下步骤：设定螺旋溜槽主体的摆动幅度和摆动频率，所述摆动频率满足，所述摆动幅度a与所述摆动频率f满足，其中r为所述螺旋溜槽主体的半径；驱动所述螺旋溜槽主体绕中心轴线以所述摆动幅度a和所述摆动频率f往复摆动；矿浆从所述螺旋溜槽主体的给矿端持续给入，矿物颗粒在重力、离心力、摩擦力以及螺旋溜槽主体槽面往复摆动产生的剪切力和振动力的复合作用下松散分层，不同比重和粒度的矿物粒子在螺旋槽面上形成稳定的精矿带、中矿带和尾矿带，经分矿块流向不同排矿口排出。

13、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

14、1、通过驱动机构驱动螺旋溜槽主体绕中心轴线做周期性正反向往复摆动，使螺旋溜槽主体相对于矿浆产生附加切向运动，在流膜内形成叠加于基础剪切速率之上的附加剪切速率，总剪切速率显著提升，拜格诺剪切应力随之增大，有效强化了矿物颗粒的松散分层效果，提升了分选流体的稳定性和分选精度，克服了现有静止螺旋溜槽剪切速率由固定几何参数决定、无法主动调节的缺陷；

15、2、通过将摆动幅度与摆动频率约束在有效参数区域内，上限约束确保附加切向惯性力的横向分量不超过重力横向分力，防止液膜脱离槽底或产生飞溅；下限约束确保附加剪切速率不低于有效分选阈值，保证分选强化效果；两者共同作用使往复摆动在不破坏流膜稳定性的前提下实现有效分选强化，解决了摆动参数选取缺乏理论依据的问题；

16、3、往复摆动采用周期性正反向交替运动方式，矿浆在正反向交替的附加切向力作用下受到对称周期性扰动，有效打破矿物颗粒团簇，避免了现有单向旋转螺旋溜槽因持续单方向旋转导致内侧矿物堆积的缺陷，改善了内缘精矿区域的分选质量；

17、4、驱动机构可采用旋转电机与曲柄摇杆机构组合、液压马达或伺服电机等多种实现方式，适用于不同规格和工况的螺旋溜槽选矿机，具有较强的工程适应性；其中曲柄摇杆机构方案结构简单、总能耗和成本低，液压马达方案适用于大型重型设备，伺服电机方案具备高精度闭环控制能力，可根据实际需要灵活选择。