煤炭皮帶輸送采樣裝置的設(shè)計(jì)*

張 佳，高彥軍

（新疆工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023）

我國(guó)煤炭的運(yùn)輸以皮帶輸送方式為主[1]。目前對(duì)入廠煤以及輸送帶上半成品煤塊的采樣大多是通過人工來完成，人工采樣需要每隔1 h到達(dá)采樣位置，用小鐵揪等工具在輸送皮帶上適量采集，因人工操作引入的誤差較多，不易準(zhǔn)確按照采樣布點(diǎn)進(jìn)行取樣，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力[2-3]。

相比于人工采樣，機(jī)械采樣不僅采樣精密度高，采樣更具有代表性，而且可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，避免人工采樣中的人為主觀因素影響，杜絕采制樣中可能發(fā)生的人身安全事故，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值[4-6]。目前市場(chǎng)上先后也出現(xiàn)一些煤炭皮帶輸送采樣機(jī)械，主要有皮帶端部采樣裝置以及皮帶中部采樣裝置兩種類型[7]，皮帶端部采樣裝置雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)γ禾窟M(jìn)行自動(dòng)采樣，但由于其采樣原理為依靠煤炭的拋物運(yùn)動(dòng)將煤炭收集至采樣斗，使得采樣斗承受的沖擊力較大；皮帶中部采樣裝置依靠刮煤板刮取煤流作為煤樣，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，但現(xiàn)有的皮帶中部采樣裝置設(shè)計(jì)中，往往將輸煤皮帶截面當(dāng)成圓弧處理，這就導(dǎo)致采樣裝置在進(jìn)行采樣時(shí)很難實(shí)現(xiàn)全斷面采樣，采得的煤樣缺少代表性[8-10]。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

煤炭皮帶輸送全斷面采樣裝置主要由集樣斗、采樣鏟、采樣桿、曲柄、減速機(jī)、聯(lián)軸器以及電機(jī)等部分組成（見圖1），可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采樣作業(yè)，具有自動(dòng)化程度高、不損傷皮帶的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

本設(shè)計(jì)中擬將整個(gè)采樣裝置由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制，裝置在采樣時(shí)按照預(yù)先編寫好的程序每隔一段時(shí)間對(duì)皮帶輸送的煤流進(jìn)行一次采樣。

設(shè)計(jì)時(shí)考慮到采樣裝置采樣的前提是皮帶輸送機(jī)上有煤通過，因此在皮帶輸送機(jī)的托輥上裝有壓力傳感器用于檢測(cè)皮帶輸送機(jī)上是否輸送有煤，當(dāng)傳感器檢測(cè)到皮帶輸送機(jī)上有煤通過并且采樣裝置預(yù)設(shè)定的定時(shí)完成時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，裝置開始一個(gè)采樣周期，曲柄旋轉(zhuǎn)一周，帶動(dòng)采樣桿完成一次來回?cái)[動(dòng)，采樣桿下的采樣鏟對(duì)皮帶輸送機(jī)上的煤流進(jìn)行一次刮煤取樣，樣品煤經(jīng)采樣鏟刮至一側(cè)的集樣斗內(nèi)，煤樣進(jìn)入集煤槽后，下落進(jìn)行灌裝。

此外，為了能夠準(zhǔn)確控制曲柄的位置，防止曲柄在不采樣時(shí)下落導(dǎo)致采樣鏟干擾皮帶輸送機(jī)正常工作，設(shè)計(jì)中在減速機(jī)輸出軸正上方裝有一磁感應(yīng)式接近開關(guān)，此接近開關(guān)用于檢測(cè)曲柄的位置，當(dāng)接近開關(guān)檢測(cè)到曲柄運(yùn)動(dòng)到減速機(jī)的正上方位置后，電機(jī)停止，并且保持曲柄不再轉(zhuǎn)動(dòng)，采樣裝置到此完成一個(gè)采樣周期，PLC進(jìn)入計(jì)時(shí)狀態(tài)，等待下次采樣，依次循環(huán)，直到下次進(jìn)入采樣周期。

2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)

2.1 采樣鏟和采樣桿的設(shè)計(jì)

2.1.1 采樣鏟的設(shè)計(jì)要求

采樣鏟是整個(gè)采樣裝置的主體采樣執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中，將采樣鏟分為鏟桿和鏟斗兩部分。

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[11-12]，企業(yè)單位在對(duì)煤流進(jìn)行采樣時(shí)所用到的采樣鏟的長(zhǎng)度和寬度應(yīng)該不小于所采煤樣的最大粒度的2.5~3.0倍。因此，本設(shè)計(jì)中采樣鏟的長(zhǎng)度和寬度應(yīng)不小于100~120 mm。實(shí)際設(shè)計(jì)中，采樣鏟的長(zhǎng)度和寬度分別為159 mm和140 mm，既滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)159 mm的長(zhǎng)度和140 mm的寬度也滿足采樣質(zhì)量要求。

采樣機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作中，采樣鏟是直接與輸煤皮帶接觸的，采樣時(shí)為了實(shí)現(xiàn)全斷面對(duì)煤流進(jìn)行采樣，采樣鏟的端部要貼在輸送皮帶上刮取煤樣，為了不刮傷皮帶，設(shè)計(jì)時(shí)在采樣鏟擋板端部設(shè)計(jì)有仿形輪，其作用是將擋板與皮帶之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，以此來避免采樣鏟刮損輸送皮帶，減少采樣鏟對(duì)皮帶輸送機(jī)輸送工作的影響。

2.1.2 采樣鏟及采樣桿長(zhǎng)度的計(jì)算

在采樣過程中，采樣鏟刮取皮帶上的煤，其運(yùn)動(dòng)軌跡在設(shè)計(jì)分析時(shí)可近似認(rèn)為是圓周運(yùn)動(dòng)。其中R表示采樣桿和采樣鏟的長(zhǎng)度和，B表示皮帶輸送機(jī)的帶寬，H表示最大過煤高度，a表示輸送機(jī)托輥槽角30°，θ表示煤炭輸送過程的動(dòng)堆積角25°，各尺寸關(guān)系見圖2。

圖2 皮帶輸送機(jī)截面圖

在設(shè)計(jì)采樣桿時(shí)，可將采樣桿和采樣鏟運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)化為圓弧軌跡，圓弧半徑就是采樣桿和采樣鏟的總長(zhǎng)。根據(jù)圖中幾何關(guān)系可得

由于采樣鏟的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡并非圓弧，計(jì)算分析時(shí)將其近似看作圓弧，因此實(shí)際尺寸應(yīng)比計(jì)算出的尺寸稍長(zhǎng)，參照后期裝置仿真結(jié)果，取采樣桿和采樣鏟總長(zhǎng)為610 mm。

采樣鏟鏟桿在采樣過程中既要通過曲柄和曲柄銷子進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，又要和滑塊配合完成導(dǎo)軌滑塊結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，因此在采樣桿頂部打一銷孔用于與曲柄連接，在桿上位置打一銷孔與滑塊連接，其下開的孔為采樣鏟與鏟桿連接的銷的導(dǎo)槽，結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 采樣鏟及采樣桿結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是采樣裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中曲柄與采樣桿使用曲柄銷子連接，采樣桿與滑塊之間使用設(shè)計(jì)的帶有銷結(jié)構(gòu)的板件連接，見圖4。設(shè)計(jì)中曲柄旋轉(zhuǎn)中心與滑塊運(yùn)動(dòng)軌跡共線，急回夾角為0°，因此整個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)無急回特性[13-15]。

圖4 最大刮取角度位置

設(shè)計(jì)中，曲柄有效長(zhǎng)度要大于最大過煤高度，這樣才可以避免曲柄在采樣回程時(shí)拖動(dòng)采樣鏟不會(huì)刮取到煤流，同時(shí)曲柄的長(zhǎng)度還應(yīng)小于采樣桿的長(zhǎng)度，如果曲柄長(zhǎng)度比采樣桿長(zhǎng)度長(zhǎng)，就容易出現(xiàn)頂死現(xiàn)象。綜合上述分析，曲柄有效長(zhǎng)度初步選取為150 mm，滑塊的上下行程是曲柄有效長(zhǎng)度的兩倍，滑塊與曲柄之間連桿的長(zhǎng)度決定了采樣鏟采樣時(shí)刮取的弧度范圍。采樣鏟的刮取角度為60°，則∠b為30°，根據(jù)圖4所示的幾何關(guān)系，可以算出當(dāng)曲柄運(yùn)動(dòng)至圖示位置時(shí)，滿足如下關(guān)系

由于曲臂長(zhǎng)度D的長(zhǎng)度已確定為150 mm，則

采樣鏟在實(shí)際工作時(shí)，刮取范圍應(yīng)盡可能大，因此連桿長(zhǎng)度應(yīng)適當(dāng)縮短，取連桿長(zhǎng)度為250mm。

3 其他部件的選型

3.1 電機(jī)的選型

電機(jī)是整個(gè)采樣裝置的動(dòng)力來源，電機(jī)的種類繁多，但在實(shí)際工廠中由于工業(yè)上電源一般為三相交流電源，因此在無特殊要求的情況下，電機(jī)一般選用三相異步電機(jī)，最常用的電機(jī)類型為Y系列籠式三相異步交流電機(jī)，這種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)很多，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、工作可靠、維護(hù)方便且造價(jià)低，比較適用于作為采樣裝置的選用電機(jī)。結(jié)合采樣裝置實(shí)際所處的工作環(huán)境，選用臥式封閉型Y（IP44）系列電機(jī)，電機(jī)型號(hào)為Y90S-6。

3.2 減速器的選型

本設(shè)計(jì)中，要求采樣裝置在采集煤樣的同時(shí)盡可能不影響皮帶輸送機(jī)的輸煤運(yùn)作，在對(duì)煤流截面進(jìn)行刮煤采樣時(shí)，采樣鏟截取煤流會(huì)阻礙皮帶輸送機(jī)輸送煤樣，為了減小這種影響，可以在控制采樣鏟兩側(cè)擋板面積的同時(shí)，縮短采樣的時(shí)間。對(duì)于采樣鏟而言，縮短采樣鏟一個(gè)周期內(nèi)刮取煤流的時(shí)間，就可以減小采樣鏟對(duì)皮帶輸煤機(jī)的影響。在設(shè)計(jì)中，由于國(guó)標(biāo)對(duì)采樣頭采樣時(shí)的切割速度暫時(shí)沒有相應(yīng)的規(guī)定，因此初步以曲柄旋轉(zhuǎn)速度來衡量采樣的速度，選取曲柄轉(zhuǎn)速為30 r/min，則電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為910 r/min，可計(jì)算出減速機(jī)的傳動(dòng)比為

依據(jù)計(jì)算得出的減速機(jī)傳動(dòng)比，查閱《減速機(jī)選型手冊(cè)》，選取BW10-D80N型號(hào)減速機(jī)。

4 結(jié)束語

煤炭皮帶輸送采樣裝置市場(chǎng)需求量較大，根據(jù)輸送帶以及煤炭結(jié)構(gòu)的物理特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種煤炭皮帶輸送全斷面采樣裝置，具有自動(dòng)化程度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采樣效果好的特點(diǎn)，目前雖已完成了各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，原理可行，但還需進(jìn)一步理論分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化改進(jìn)成市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。