火車入廠煤采制樣裝置機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

孫永

(華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電廠，江蘇 句容 212413)

0 引言

火電廠中燃煤費用占發(fā)電成本的70%左右，隨著煤炭采購的市場化，煤質(zhì)管理顯得越來越重要［1-3］。煤質(zhì)管理的一個基本要求是化驗結(jié)果應真實地反映煤質(zhì)，而理論上，采樣不合理對煤質(zhì)檢驗總誤差的影響極大，樣本的代表性決定了煤質(zhì)檢驗的準確性。目前，靠鐵路運煤的電廠大多采用了自動采樣裝置，進一步提高采制樣裝置的可靠性及穩(wěn)定性、提高裝置的投用率顯得尤為迫切。

本文結(jié)合某電廠QCZ-Ⅰ型火車入廠煤采制樣裝置的改造情況，對在QCZ-Ⅰ型裝置基礎(chǔ)上改進而成的QCZ-Ⅲ型火車入廠煤采制樣裝置的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能、特點以及在裝置研制開發(fā)、改造過程中所碰到的技術(shù)難點、改進措施等進行了簡要分析與闡述。

1 概述

QCZ型火車入廠煤采制樣裝置是一種具備采樣和制樣功能的全自動機械化采制樣裝置。該裝置涉及機電一體化過程中的機械、電氣、氣動、計算機控制4個方面的技術(shù)，另外還需考慮生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝要求，因此，系統(tǒng)各方面必須具有較高的可靠性及較好的協(xié)調(diào)性。QCZ-Ⅲ型火車入廠煤采制樣裝置是在QCZ-Ⅰ型裝置基礎(chǔ)上改進、研發(fā)而成的，主要性能參數(shù)見表1［4］，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化

機械部分是裝置整體性能及運行可靠性得以保證的重要基礎(chǔ)，各機械部件設(shè)計的合理性及適用性將直接關(guān)系到整機運行的可靠性及設(shè)備壽命，是整個裝置設(shè)計中尤為重要的一環(huán)。

表1 主要性能參數(shù)

圖1 QCZ－Ⅲ型入廠煤采制樣裝置結(jié)構(gòu)示意

2.1 總體結(jié)構(gòu)

采制樣裝置由大車、小車、采樣系統(tǒng)、制樣系統(tǒng)、操作室、氣壓系統(tǒng)、計算機及電氣控制系統(tǒng)組成(如圖1所示)［4-7］，由計算機實現(xiàn)自動程序控制，采樣點位由紅外探測器和光電編碼器探測定位，按照子樣提取→煤樣均勻傳送→破碎→縮分→集樣→余煤自動棄除的工藝過程采、制煤樣。大車可沿大車軌道縱向運行，小車上懸掛著采樣系統(tǒng)、制樣系統(tǒng)，可沿大車大梁上的小車軌道橫向運行，小車上的采樣頭可上下垂直運行，從而可對煤車車廂內(nèi)任意點進行采樣。

采制樣裝置為橋架式結(jié)構(gòu)，因此整臺設(shè)備的總體布置是否合理將會影響裝置的穩(wěn)定性和運行壽命。QCZ-I型裝置的操作室同小車固定在一起隨小車移動，一方面增大了橋架的整體載荷，另一方面會使整機的振動加大。為此，優(yōu)化了整臺設(shè)備的總體布置方式:操作室改為固定布置，減小了電氣控制設(shè)備的振動，增強了系統(tǒng)的可靠性;另外，為了便于運行人員觀察采樣過程，將采樣頭布置在靠近操作室的一側(cè)，從而使整個結(jié)構(gòu)布置達到最優(yōu)。

2.2 大車系統(tǒng)

大車為箱形橋架式結(jié)構(gòu)，采用螺栓連接，端梁上裝有主動車輪和被動車輪，大梁上設(shè)置有小車運行軌道。大車行走由2套獨立的傳動機構(gòu)分別進行驅(qū)動，傳動機構(gòu)由繞線式電機、圓柱齒輪減速機、液壓推桿式制動器及柱銷聯(lián)軸器組成(如圖2所示)。大車的1只車輪上安裝的光電編碼器及大車右側(cè)大梁下安裝的2對對射式布置的紅外線探測器，用于對大車進行行走定位，其原理為:大車行走中，當紅外線探測器對射軸線被車廂遮擋時，可編程序控制器接收到此信號，即開始接收光電編碼器的脈沖信號，對大車縱向行程進行計數(shù)，當達到程序中預設(shè)的計數(shù)值時，停止大車行走，從而達到對大車定位的目的。

圖2 大車傳動示意

每節(jié)煤車采樣點縱向距離的確定以該節(jié)車廂的頭部為基準(車廂頭部的確定由取樣方向而定:由東往西取樣，東端為頭部;反之，西端為頭部)。原設(shè)計中該基準的確定由反射式超聲波探測器來實現(xiàn)，利用兩車聯(lián)接處的空擋對聲波無反射及車廂旁板對聲波的反射來判斷定位［1］。但在實際試驗中，由于車廂板的完整情況不同且高低不平，對聲波反射強度的影響很大，致使大車的縱向定位經(jīng)常發(fā)生誤判斷而造成定位不準。為此，改用了對射式紅外探測器來代替原有裝置，實踐證明，其工作可靠、定位準確。

2.3 小車系統(tǒng)

小車為整體箱形框架結(jié)構(gòu)，上面懸掛有采樣、制樣系統(tǒng)。小車行走由1套傳動機構(gòu)集中驅(qū)動，傳動機構(gòu)由電機、立式圓柱齒輪減速機、液壓推桿式制動器及齒輪聯(lián)軸箱組成，小車車輪上安裝的光電編碼器用于小車定位［4］，小車傳動示意如圖3所示。

圖3 小車傳動示意

裝置改造中，為了提高小車制動的可靠性及定位的精度，將小車的制動器由原來的? 100 mm交流制動器改成? 160 mm的液壓推桿式制動器，效果良好。

2.4 采樣系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)由采樣頭、采樣頭升降傳動機構(gòu)、框架、導向機構(gòu)、安全限位機構(gòu)及管線拖鏈組成。

2.4.1 采樣頭

采樣頭是整個裝置的關(guān)鍵部件，根據(jù)螺旋垂直輸送物料原理設(shè)計，為螺旋鉆取式結(jié)構(gòu)，適用于煤面以下較大深度及全斷面采樣［8］。采樣頭由旋轉(zhuǎn)電機、行星減速機、聯(lián)軸器、螺旋鉆、鋼管套筒、煤面探測開關(guān)、儲料斗和料門開關(guān)氣缸等組成(如圖4所示)。鉆頭主體采用合金鋼，刀刃采用高速鋼，具有耐磨損、強度高、能破碎大煤塊甚至石塊的特點。螺旋鉆由鉆桿、螺旋片和鉆頭構(gòu)成，外面由鋼管套筒護定，可使煤樣沿螺旋葉片提升到位，并提高螺旋鉆的剛度。

采樣頭所采的原煤向上提升送入進料口后，又經(jīng)水平輸送進入破碎機，所采用的輸送均為螺旋輸送方式［9］。輸送量的計算說明如下。

理想狀況下，假設(shè)螺旋輸送無空隙，煤樣與螺旋片之間無軸向滯后，則螺旋輸送煤量qm(kg/h)為

式中:D為螺旋體外徑，m;d為螺桿直徑，m;p為壓力螺旋體最后一圈螺距，m;n為螺旋體轉(zhuǎn)速，r/min;α為終端壓力螺旋面的平均螺旋角，(°);β為物料對鋼的摩擦角，(°);ρ為物料單位堆積密度，t/m3。

圖4 采樣頭傳動示意

實際上，輸送不同的煤樣體時，需要選擇最合適的充滿系數(shù)Kd，充滿系數(shù)太大或太小都不能保證送煤樣的穩(wěn)定性;另外，螺旋體螺旋面與煤樣之間摩擦因數(shù)較小，存在一定的滑移，需引入軸向滯后系數(shù)Kh來修正;當輸送螺旋體傾斜呈一定角度時，還需考慮傾斜對送煤樣的影響，用傾斜輸送系數(shù)Kt加以修正:因此，實際螺旋輸送機給煤樣量為

原采樣頭旋轉(zhuǎn)矩偏小，如遇來煤中塊煤較多、煤層密實、溫度較高或來煤黏性偏大等情況時，采樣頭的11 kW主傳動電機常發(fā)生過載堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，加大了采樣頭的扭矩。將電機更換為22 kW后，提高了采樣頭的鉆采能力;另外，通過更換采樣頭行星齒輪減速機，增大了行星減速機的過載能力。

2.4.2 采樣頭升降傳動機構(gòu)

在電氣系統(tǒng)的控制下，升降傳動機構(gòu)可使采樣頭實現(xiàn)如下自動循環(huán)工作:快速下降→接觸煤面后轉(zhuǎn)慢速下降→停留→再繼續(xù)慢速下降→快速向上回到原位。整套升降傳動機構(gòu)由電機、擺線針輪減速機、液壓推桿式制動器、套筒滾子鏈、鏈輪、滾筒、傳動鋼絲繩、配重及滑輪等組成，如圖5所示。

原QCZ-I型采樣裝置采樣頭的升降和進采是通過摩擦滾筒驅(qū)動和鋼絲繩牽引來實現(xiàn)的，若采樣中遇到特大矸石或凍結(jié)煤層，采樣頭進采受阻，采樣頭的進采速度小于摩擦滾筒的驅(qū)動線速度，滾筒與牽引鋼絲繩之間打滑，導致驅(qū)動滾筒和鋼絲繩磨損嚴重。原采樣升降傳動機構(gòu)如圖6所示。

針對此情況，將2只摩擦滾筒驅(qū)動改為1只驅(qū)動滾筒驅(qū)動(如圖5所示)，使?jié)L筒驅(qū)動線速度與采樣頭進采速度同步，確保滾筒不打滑;同時，將原采樣頭升降驅(qū)動所采用的滑差電機調(diào)速改成變頻調(diào)速，使采樣頭的升降進采平穩(wěn)、可靠。

圖5 采樣升降傳動機構(gòu)傳動示意

圖6 改造前采樣升降傳動機構(gòu)傳動示意

2.5 制樣系統(tǒng)

制樣系統(tǒng)由破碎機、縮分器、集樣器、機架等4個部件組成。

2.5.1 破碎機

破碎機由螺旋式給料機和立式環(huán)錘破碎機組成，如圖7所示。

圖7 破碎機傳動示意

在螺旋給料機頭部設(shè)有氣缸控制的喂料門，采樣頭將煤樣提升到位后，喂料門和采樣頭上的儲料斗開關(guān)門同時打開，待煤樣全部卸入喂料口后，喂料門立即關(guān)閉。一方面可以實現(xiàn)對破碎機均勻喂料，使破碎機負荷不致突然增大;另一方面可以減少破碎時煤樣中的水分損失。

2.5.2 縮分器

縮分器通過法蘭與破碎機下部法蘭連成一體，它是制樣系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，其縮分精度對分析煤樣的代表性有著非常重要的影響。縮分器由擺線針輪減速機、行星齒輪減速箱、筒體、余煤排出葉輪、縮分比調(diào)節(jié)機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)集樣斗和棄煤管等組成，如圖8所示。

圖8 縮分器傳動示意

通過計算機對縮分比調(diào)節(jié)機構(gòu)中的步進電機進行控制，使縮分比在1/60～1/10的范圍內(nèi)自動無級調(diào)節(jié)，從而保證每列煤車中不同產(chǎn)地或不同煤種的累積采樣量不同，而經(jīng)破碎縮分后留樣量大致相同［6］。在縮分器筒體上設(shè)有快開檢修門，集樣斗由不易黏煤的拋光不銹鋼制成，同時在縮分器的筒體上設(shè)置了一套振打機構(gòu)，對集樣斗進行振打［5］。

改造試運行期間，常發(fā)生集樣罐留樣量不足甚至留不到煤樣的問題，通過專門研究分析，發(fā)現(xiàn)問題主要集中在縮分器上。因縮分器結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，常常導致堵煤、積煤現(xiàn)象發(fā)生，從而影響了縮分及留樣效果。為此，對縮分器進行改造，主要包括以下幾點(如圖9所示):(1)把導向筒A縮短為A'，從而為縮分筒的增高提供了空間;(2)把縮分筒B的高度增高為B'的高度，增大了其內(nèi)壁與水平面的夾角(由原來的60°增大為67°)，有利于煤樣的通過;(3)把縮分筒B及縮分調(diào)節(jié)擋板C的形狀結(jié)構(gòu)分別改成B'，C'所示結(jié)構(gòu)，在同一縮分比要求下，改進后的結(jié)構(gòu)開口D'大于原開口D，有利于煤樣通過，減少發(fā)生堵塞的幾率;(4)為盡量減少或避免縮分筒壁上積煤，將振打錘的數(shù)量增加為2個。

2.5.3 集樣器

圖9 縮分器改造前、后對比

集樣器安裝在縮分器下部，與縮分器中的集樣斗相連接，它由步進電機、蝸輪減速機、集樣盤和6個集樣罐組成(如圖10所示)，可以在1次采樣過程中收集6種不同產(chǎn)地或不同煤種的煤樣，每個集樣罐可存放煤樣10 kg。在可編程控制器的控制下，步進電機輸出一定的轉(zhuǎn)角，通過蝸輪減速機帶動集樣盤回轉(zhuǎn)一個相應的角度，讓集樣罐口對準縮分器中的集樣斗，并利用步進電機的鎖相特性使集樣盤周向定位，從而將不同產(chǎn)地、不同煤種的煤樣收集到指定編號的集樣罐中。

圖10 集樣器傳動示意

2.5.4 氣壓系統(tǒng)

在計算機系統(tǒng)控制下，氣壓系統(tǒng)控制儲料斗的卸料門開、閉，螺旋給料機進料門的開、閉以及探測器的升降。氣壓系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、氣閥站A、氣閥站B、氣缸以及氣路管道等組成，如圖11所示。

圖11 氣動系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)束語

火車入廠煤采制樣裝置是機電一體化程度較高的全自動采制樣裝置，本文通過對原QCZ-I型裝置的系統(tǒng)研究分析，找到了系統(tǒng)存在的設(shè)計缺陷及不足，給出了優(yōu)化、改進方案。該電廠優(yōu)化、改進后的采制樣裝置目前已連續(xù)運行多年，實踐證明，采制樣裝置整體結(jié)構(gòu)布置合理，各機械部件運行穩(wěn)定，采樣煤種的適用性得到增強，整機的運行可靠性及設(shè)備壽命大大提高，滿足了電廠燃料科學管理的要求，提供了可靠、準確的煤質(zhì)檢測依據(jù)。

［1］別如煒，徐長福.入廠煤機械采制樣裝置控制系統(tǒng)的研制［J］.華東電力，1997(7):39-41.

［2］曹長武.火電廠煤質(zhì)檢測技術(shù)［M］.北京:中國標準出版社，2006.

［3］曹長武.火電廠煤質(zhì)監(jiān)督與檢測技術(shù)［M］.北京:中國標準出版社，2010.

［4］邵晨鐘.火車移動機械化采制樣系統(tǒng)在濟三煤礦的應用［J］.山東煤炭科技，2011(2):57-58.

［5］陳冰山，錢超美.MMC型火車用門式煤采樣裝置的研制［J］.煤炭科學技術(shù)，2009(10):61-64.

［6］煤炭機械化采樣:GB/T 19494—2004［S］.

［7］發(fā)電用煤機械采制樣裝置性能驗收導則:DL/T 747—2001［S］.

［8］袁福全，石曉艷.陡河發(fā)電廠火車入廠煤采制樣機的應用［J］.華北電力技術(shù)，2006(12):33-35.

［9］田風，王懷宇.入廠煤機械化采樣裝置的優(yōu)化改造［J］.華電技術(shù)，2011，33(7):52-55.