煤炭采样器的设计与开发

2022-07-04胡念慈

武汉工程职业技术学院学报 2022年2期

何波付宇刘洋胡念慈

(1.武汉钢铁有限公司条材总厂一炼钢分厂湖北武汉：430080；2.武汉国创科光电装备有限公司湖北武汉：430081；3.宝钢股份中央研究院(武钢有限技术中心) 湖北武汉：430080)

中国一直是煤炭使用大国。据国家能源总局统计数据显示，2019-2021年，中国一直保持着每年40亿吨以上的煤炭消耗量。随着我国工业化进程的不断加快，对于煤炭的需求量与日俱增。由于煤炭供应日趋市场化、多元化，造成煤炭质量波动幅度增大，因此对于煤炭质量的检验和控制十分必要。

采样机是煤矿企业用于商品煤采样的机械[1]，从上世纪80年代起，入炉煤采制样设备得到高速发展[2]。自动化技术在入场煤采制样设备的广泛运用，把工人从繁杂的体力劳动和不安全的工作环境中解放出来，提高了工作效率。但是从目前数据显示，国内10%以上的煤炭仍采用人工采样方式采样，人工劳动强度大，因而研发自动采样头装置市场前景很大。

1 国内外现有采样头技术分析

无论是固定式采样器，还是可移动式采样器，其基础结构、运行方式与普通的起重机械相差无几，而采样头的结构形式和工作原理，不仅决定了采样粒度的大小、采样深度，而且还决定了采样物料的种类以及对物料水分的要求，并且如果采取的煤样没有代表性，采样将失去意义[3]，因此采样器的研究核心在于采样头的研发。

目前，市场上使用较广的采样头主要包括短螺旋采样头、长螺旋采样头和外螺旋双筒内运动爪式采样头三种，但由于其结构形式的不同，其优缺点各不相同。

1.1 短螺旋采样头

短螺旋式采样头主要包括锥形破碎头、螺旋切割提升器、筒状圆周切割器、中心轴下段、空心轴下段和物料排出口[4](见图1)。

图1 短螺旋采样头结构图

采样头采样时，驱动装置带动中心轴和中心轴上的圆盘切割提升器旋转，这样随着采样头采样深度的加大，采样头底部物料不断进入采样头内，从而使表层物料沿着螺旋式切割提升器上升，最终从物料排出口排出，这样有效保证了取样的代表性，避免了表层物料进入采样头内导致取样混料的情况发生，但是该采样头存在以下缺陷：

(1)采样器开口尺寸小，而且采样头中间有螺旋切割提升器，所以对于大粒度的物料无法直接采入；(2)在物料水分含量较小、装载较松散的情况下，大粒度物料无法破碎；(3)采样器的螺旋切割提升器与筒状圆周切割器中间有间隙，这样物料在移动或提升过程中，样料丢失情况严重；(4)螺旋切割提升器的螺旋叶片经常与物料受压摩擦，耐用度较低；(5)采样器采集的字样量不能调节，不能及时适应物料运输总量变化的要求。

1.2 长螺旋采样头

长螺旋采样头主要由电机、中间轴、监视窗、钻套体、出料溜槽、泄煤口和螺旋钻头组成[5](见图2)。其采样原理与短螺旋相似，都是通过螺旋钻头的旋转，使表层物料从螺旋钻头底部进入钻套体内，然后从泄煤口排除来，从而保证采样物料的准确性，其区别在在于长螺旋采样头的钻头和钻套体的长度要比短螺旋的长，能进行一定范围内的全深度采样，而且其采样头的出料口在采样器的上部，故采样过程中没有样料洒落的现象，但是该采样头存在一定的缺陷：

图2 长螺旋采样头结构图

(1)钻套体与螺旋钻头有一定的间隙，采集湿物时，会因粘附而形成料衬，造成样品污染；(2)在物料水分含量较小、装载较松散的情况下，大粒度物料无法破碎；(3)水分适应能力较低，容易出现粘堵或卡塞故障，且不便于观察，难于维护；(4)螺旋钻头的螺旋叶片经常与物料受压摩擦，耐用度较低；(5)因采样过程中就进行了缩分，所以样料代表性较低。

1.3 外螺旋双筒内运动爪式采样头

采样头主要由拉杆、外筒、内筒、连杆、螺旋、爪子等组成[6](见图3)。

图3 外螺旋爪式采样头结构图

采样头采样时，由旋转机构，升降机构使采样头旋转下行，由于采样头端部有螺旋，故其下行阻力减小，可使车辆受力较轻；到须采取煤样处，拉杆推动内筒下行，通过连杆使爪子张开，继续下行，将须采取煤样装入筒内，然后拉杆拉动内筒上行，通过连杆使爪子关闭，采取煤样后，卸煤时，由拉杆推动内筒下行，通过连杆使爪子张开，煤或矿石由自重落下，同时外筒内壁粘附的煤由内筒清除掉。该采样头的采样粒度很大，能够将小于内筒直径粒度的样品直接采入，而且由于采样密闭空间储存料，所以能杜绝撒样、漏样现象，但是该采样头也存在一定的问题：(1)价格昂贵，后期维护成本高；(2)连杆和铰接部位容易卡死，故障率较高。

通过分析发现，爪式采样头的各种性能要优越于短螺旋和长螺旋式采样头，但三种采样头均存在一定的问题，详表1，所以必须研发一种新型采样头。

表1 采样头优缺点比较

2 新型采样头设计方案

针对前期调研和分析的结果，为了克服现有采样头的设计缺陷，研发了一种新型采样头(如图4)，该采样头主要包括采样头升降机构、旋转机构和采样装置。

图4 新型采样头结构示意图

2.1 升降装置结构设计

升降导向装置包括主升降油缸和四根升降导向杆。

2.1.1 主升降油缸的设计

主升降油缸采用大行程油缸，其中一端固定在小车顶端，另一端与采样头相连，油缸伸缩时带动采样头升降，实现采样头的主升降功能，并使采样头到达预定采样深度。由于采用单个升降油缸来控制采样头的主升降，可控制性强，并且其传动方式比以往采用汽缸、齿轮齿条、链条等升降传动方式的传动精度高；并且油缸外层设计有防尘套，能有效避免因杂物卡阻而导致升降装置无法动作的现象发生，减少了升降装置故障率；除此之外，液压缸比电机等其它形式升降装置的推力大，更有利于采样头向下切割物料。

2.1.2 升降导向杆的设计

为避免基座或采样头在升降过程中发生偏摆或倾斜，实现基座和采样头升降动作的一致性，以主升降油缸为中心，设计了四根垂直安装的升降导向杆，这样当升降油缸升降时，定位杆在定位套筒内升降，从而保证基座和采样头升降过程中不至于发生倾斜或偏摆；其中每一根导向杆由定位杆和套筒组成，结构简单、安装方便，并且筒内有润滑油能实现导向杆的自润滑功能(见图5、图6)；除此之外，升降导杆外面设计有可伸缩式防尘罩，能有效避免润滑油被粉尘污染的情况发生，保证了升降导向的精确性和准确性。

图5 导向杆主视结构示意图

图6 导向杆俯视图

2.2 旋转装置结构设计

采样头旋转装置主要由旋转油马达、小齿轮和大齿圈组成(见图4)。当油马达旋转时，小齿轮同步旋转，进而带动与小齿轮啮合的大齿圈旋转。由于大齿圈固定在外筒上，所以外筒同步旋转。外筒与钻头之间采用定位块连接，因而外筒与钻头之间可实现同步旋转，这样，当油马达启动时，整个采样头装置均能实现同步旋转。

该旋转装置结构简单，只需要一套传动装置就可实现采样头的旋转，去除了以往旋转装置中离合器等多种控制元件，减少了设备故障点和故障率，而且控制流程方便，只需控制油马达旋转方向，即可实现采样头的正反转需求；除此之外，采用外齿轮式结构，便于观察旋转装置的使用情况，降低了旋转装置故障处理的难度。

2.3 采样头结构设计

2.3.1 采样头结构简介

新型采样头的整体结构见图7，主要包括基座、伸缩油缸、旋转油马达、防尘罩、小齿轮、下筒体、定位块、硬质合金、钻头、采样间、心轴、卸料板、轴承盖、活塞杆、轴承定位块、轴承、外齿圈、上筒体等部件构成。

图7 新型采样头的结构图

其具体的特点及优点如下：

(1)由卸料板、钻头上表面和下筒体组成的密闭采样间在物料运输或提升过程中不会发生物料丢失的情况；

(2)采样方式为直接将物料收集到采样间内，而采样间内没有其它部件，所以采样头可以采取物料粒度大(最大粒度仅比采样间的直径略小)，大幅度提升了采样头采样粒度的范围；

(3)该采样头没有螺旋叶片，成功解决了短螺旋和长螺旋采样头螺旋叶片耐用度低的问题；

(4)钻头下降的深度(采样间的采样高度)由伸缩油缸的控制。根据需要控制伸缩油缸活塞杆的伸长量，即可实现采样间不同的取样深度，达到采集字样量的不同，满足现场不同取样量的要求；

(5)采样头下筒体上设置有齿形硬质合金，能对大粒度物料进行破碎，而且钻头上也设计有螺旋硬质合金，不仅增加了钻头的耐磨性，更有效减小了钻头下旋过程中的运行阻力；

(6)采样头内设计有卸料板。当卸料时，采样间下端打开，活塞杆带动心轴上的卸料板向下运动，并对下筒体内筒壁上粘附的物料进行刮扫，保障了每次卸料的完整性和完全性，避免了多次取样混料或样品污染的情况发生；

(7)采样过程中只是利用采样间对物料进行收集，没有对物料进行缩分，有效保障了物料的原始形态，样料的代表性高；

(8)采样头结构简单、安装方便，并且能够通过定位孔对卸料板的使用情况进行观察，能够随时了解采样头使用情况；

(9)采样头外筒设计为上筒体和下筒体两部分，更换采样头时仅需更换下筒体，进一步降低了采样头的安装难度；

(10)针对不同物料采样粒度和水分的需求，设计了五种不同结构形式的采样头，而且仅需更换下筒体和钻头，即可完成不同结构采样头的快速安装，满足取样要求；

(11)整个采样头与物料接触的部分均为钢制结构，不存在连杆或铰接部位，强度大，故障率低。

综上所述，该新型采样头不仅有效克服目前市场上现有“短螺旋式采样头”、“长螺旋式采样头”、“螺旋爪式采样头”的所有设计缺陷，而且具有结构简单、安装方便、采样物料粒度大、对物料水分含量要求低等优点。

2.3.2 采样头工作原理

采样头依靠主升降油缸和采样头伸缩油缸来实现采样深度的精确控制，并利用旋转油马达来实现采样头的旋转，整个采样头的控制简单便捷，具体步骤如下：

启动旋转油马达，让采样头旋转；控制主升降油缸的活塞杆慢慢伸出，推动基座和采样头下降；此时采样头在油马达和主升降油缸的双重作用下做下旋运动，切割采样物料；采样头到达设定采样深度，活塞杆停止动作，采样头继续旋转；采样头在伸缩油缸的作用下使钻头继续做下旋运动，此时采样间打开；根据采样量的需求，选择伸缩油缸活塞杆的伸长量。当伸缩油缸活塞杆到达设定伸长量时，钻头继续旋转，伸缩油缸活塞杆伸长量保持不变20秒钟；钻头继续旋转，伸缩油缸活塞杆收回，使物料进入到密闭的采样间内；采样头继续旋转，主升降油缸活塞杆收回，整个采样头回到初始位置。移动采样头，使采样头到达物料收集器上方，控制伸缩油缸活塞杆伸出，在卸料板刮扫的作用下，以及采样头旋转离心力的作用下，物料完全被收集到采样头下方的物料收集器中；收回伸缩油缸的活塞杆，移动采样头使采样头回到初始位置，完成整个采样工作。

采样头工作流程详见图8。

图8 采样头的工作流程图

3 采样头结构尺寸设计及强度校核

在采样头的设计和制造过程中，所有参数均可按实际需求进行设计。根据某单位实际情况，结合采样头必须满足采样物料允许粒度≤10mm和采样头单次可采样1kg的两大要求，项目组对采样头的结构尺寸进行了优化设计，并对关键部件进行了强度校核。

3.1 采样头外筒结构尺寸设计

基于以上设计要求，设计采样头外筒的外径Ф1为200mm(见图9)，内径Ф2为160mm(即外筒的壁厚为20mm)，采样头心轴直径Ф3为80mm，这样采样物料最大允许粒度为(160-80)/2=40mm,满足最大允许粒度不小于10mm的要求。

图9 采样头实际尺寸图

3.2 采样间结构尺寸设计

为了使卸料板能够到达外筒底面以下，实现完全卸料，其定位孔的长度L2必须大于L5的长度，因此设计定位孔的长度L2为300mm。除此之外还设计采样头外筒底端距定位孔下端的距离L1为1200mm，采样筒的整体高度L3为2000mm，下筒体的长度L4为1600mm，卸料板与钻头上表面的距离L5为150mm，钻头的高度L6为50mm,卸料板的厚度d为20mm。材质选用45#钢，密度为7850kg/m3。

3.3 采样头伸缩油缸设计

采样头伸缩油缸在下降过程中必须克服3kN的煤炭阻力，而在上行过程中必须克服心轴、钻头和采样物料所产生重力，因此必须根据相关物体重力来确定油缸型号。

3.3.1 心轴及钻头的质量

心轴及钻头的质量可以分为一个钻头质量、两个卸料板的质量(近视将连接板与卸料板看成质量一样)和一根圆柱形心轴的质量之和。

根据计算公式(1)—(5)计算：

V=V钻头+V心轴+2V卸料板

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，V钻头为钻头的体积，m3；V心轴为心轴的体积，m3；V卸料板为卸料板的体积，m3；R2为采样头外筒内径，m；R3为采样头心轴直径，m；d为卸料板的厚度，m；

通过计算可得心轴及钻头的总质量M心轴为62.64kg,重力G心轴为613.9N。

3.3.2 伸缩油缸的选择

由于伸缩油缸有一定冲击，而且工作环境有粉尘，所以选用UY型液压缸。选取伸缩油缸活塞直径为40mm，活塞杆直径为28mm。则其活塞面积为12.57cm2，杆端承压面积为6.41cm2，最大伸长量250mm(大于L5的长度，也就是说当活塞杆完全伸出时，卸料板可以达到下筒体底面100mm的位置。当卸料时，活塞杆完全伸出，可以实现卸料板对残留在外筒内表面物料的刮扫，完全实现保证清洗效果，杜绝混料情况发生)。由于选用工作压力为10MPa,则推力可达12.57kN，拉力为6.41kN。这样当伸缩油缸收缩时，许用拉力6.41kN，远远大于心轴和钻头的自重613.9N，满足伸缩油缸收缩的要求。当伸缩油缸伸出时，其推力为许用推力和心轴的自重之和，为13.18kN，能够有效克服3kN的下行阻力，满足现场要求。

3.4 采样头大轴承选型与寿命校核

大轴承所承受的最大载荷是轴向方向上的力，而其大小主要来源于外筒所产生的重力，因此必须对外筒重力进行计算，并以此来对大轴承进行选型。

3.4.1 外筒的质量

采用填补法，将上下筒体连接法兰部分的质量可以用来抵消定位孔被挖去的质量，近似的将采样头筒体当成一个圆柱筒体来计算。根据公式(6)—(10)计算：

S=πR2

(6)

S环=S大圆-S小圆

(7)

V=S环×L3

(8)

M=ρ×V

(9)

G=M×g

(10)

式中，S环为采样头外筒实体的环状面积(截面积)，m2；S大圆为采样头外筒外圆的面积，m2；S小圆为采样头外筒内圆的面积，m2；ρ为45#钢的密度，为7850kg/m3；V为外筒的体积，m3；

通过计算可得：

S环=π×(0.1×0.1-0.08×0.08)=0.0113(m2)

V=0.0113×2=0.0226(m3)

M=0.0226×7850=177.4(kg)

G=177.4×9.8=1738.6(N)

由此可见,外筒的质量M外为177.4kg,所受重力G外为1783.6N，因此轴承轴向力Fa为1783.6N。

3.4.2 轴承选型及寿命校核

轴承的当量载荷根据公式(11)进行计算：

P=fp(XFr+YFa)

(11)

式中，径向载荷系数X=0.66；径向力Fr=100N；轴向力Fa=1783.6N；接触角a=45°；由于外筒在下旋过程中由一定的冲击载荷，所以按中等冲击载荷进行计算，负荷系数fp=1.5；判断系数e=1.25；轴向载荷系数Y=1。

通过计算可得当量动载荷P=2774.4N，额定动载荷计算值C′=7020.059N。

轴承使用寿命根据公式(12)、(13)和(14)进行计算：

(12)

(13)

Lna=a1a2a3L10

(14)

式中，额定动载荷C=96500N；当量动载荷P=2774.4N；轴承转速n=60r/min；工作温度T≤120℃(温度系数ft=1)；可靠度系数a1=0.9；材料系数a2=1；运转条件系数a3=1；

则实际寿命L10=42080×106转，实际寿命Lh=11688861h，

修正后寿命Lna=42080×106转。

从计算结果显示，51310型推力球轴承的实际寿命远远大于额定寿命，满足现场实际需求。

3.5 采样头小轴承选型与寿命校核

轴承的当量载荷根据公式(15)进行计算：

P=fp(XFr+YFa)

(15)

式中，径向载荷系数X=0.66；径向力Fr=100N；轴向力Fa=12570N；接触角a=45°；由于外筒在下旋过程中由一定的冲击载荷，所以按中等冲击载荷进行计算，负荷系数fp=1.5；判断系数e=1.25；轴向载荷系数Y=1。

通过计算可得当量动载荷P=18954N，额定动载荷计算值C′=47959.3N。

由于额定动载荷C=55500N；当量动载荷P=18954N；轴承转速n=60r/min；工作温度T≤120℃(温度系数ft=1)；可靠度系数a1=0.9；材料系数a2=1；运转条件系数a3=1；根据公式(12)-(14)进行计算：

轴承实际寿命L10=25×106转，实际寿命Lh=6974h，

修正后寿命Lna=25×106转。

从计算结果显示，51405型推力球轴承的实际寿命远远大于额定寿命，满足现场实际需求。

综上所述，采样头的结构尺寸满足现场采样的需求，而且通过强度校核，采样头各零部件强度均设计合理。

4 使用效果分析

根据采样器整体结构设计方案，完成了新型采样器的加工制造，并与2019年7月上线使用。截止到目前为止，新型采样头已上线稳定运行2年以上，故障率为0，单次取样物料可达3.5kg以上，最大允许采样粒度达到30mm以上，满足了现场各项要求。同时通过测试发现采样头下行力达到12kN以上，实现了极寒天气条件下的破冰和自动取样，与国内外现有采样头指标相比，性能最优。