輸送帶輸煤采樣技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張 佳，尹君馳，王 宏，李川江，馬 博，肖 萍

(新疆工程學院 機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830023)

0 引 言

煤炭采樣，是指從一批原煤中，通過科學的方法取出一小部分煤樣，保證該煤樣在成分和性質(zhì)上都能代表原批煤炭的取樣的過程[1]。作為對煤炭質(zhì)量檢測的第一環(huán)節(jié)，煤炭采樣在實際生產(chǎn)運用中有著十分重要的作用。對一個用煤單位而言，原煤質(zhì)量很大程度上影響著企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。一批原煤質(zhì)量究竟如何，依靠的是質(zhì)檢部門的檢測，根據(jù)實踐統(tǒng)計，在整個煤炭檢測流程中，若以方差來反映誤差，則在對整個流程誤差分析中，采樣誤差占80%，制樣誤差占16%，化驗誤差占4%。不難看出，在整個煤炭質(zhì)檢過程中，采樣是影響煤炭檢測精度的重要因素[2]。

當前，我國對于煤炭采樣的方式主要分為2類：人工采樣和機械采樣。2種采樣方式在現(xiàn)行的國家標準中都有相應的規(guī)定。傳統(tǒng)的人工采樣方式采樣結(jié)果容易受到很多因素的影響，例如：采樣操作人員的專業(yè)素質(zhì)、采取煤樣的顆粒粒度、采樣工具的尺寸規(guī)格以及采樣環(huán)境位置等因素[3]。這極易造成采得的煤樣代表性差，質(zhì)檢結(jié)果誤差大的情況。相比于人工采樣，機械化采樣能夠很好地避免這些因素的影響，并且機械化采樣能夠代替人工，適應于許多危險、嘈雜等惡劣的工作環(huán)境。機械化采樣能有效地降低工人勞動強度和勞動成本，機械化采樣儼然已成為未來采樣技術(shù)領域的發(fā)展主題[4]。機械化采樣依據(jù)其應用場合可分為汽車煤采樣、火車煤采樣、溜管輸煤采樣和輸送帶輸煤采樣等。目前，在我國的絕大多數(shù)煤礦、選煤廠以及活性炭公司中，對煤炭的運輸采用輸送帶輸送方式為主，這就決定了煤炭輸送帶輸煤采樣的應用逐漸增加。因此，輸送帶輸煤采樣技術(shù)的研究對于我國煤炭產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)有著十分重要的應用價值。

1 輸送帶輸煤采樣技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 輸送帶輸煤采樣的標準和依據(jù)

為提高煤炭采樣結(jié)果的代表性，2001年12月國際標準化組織制定了國際標準ISO13909:2001《硬煤和焦煤機械采樣》,該標準為首次頒布的較為完整的標準[5]。該標準為當時煤炭采樣方法，采樣機的設計、采樣性能評價提供主要參考依據(jù)。

隨著采樣標準的應用以及完善，我國目前采用的煤炭采樣標準有2個：

1)GB/T 19494—2004《煤炭機械化采樣》[6]。該標準參照國際標準ISO13909:2001《硬煤和焦煤機械采樣》，并結(jié)合我國實際情況，于2004年頒布，主要介紹了采樣的基本原則以及采樣方案如何選取，采樣設備的技術(shù)要求，以及煤樣制備和制樣裝置的設計原則，近些年，我國煤炭機械化采樣主要以標準進行參考。

2)GB 475—2008《商品煤樣人工采取方法》[7]。該標準結(jié)合國外先進理念以及我國采樣現(xiàn)狀，于2008年頒布，其中規(guī)定了煤炭人工采樣的定義和專業(yè)術(shù)語，人工采樣的一般原則，采樣方法以及人工采樣工具的選擇，給人工采樣作業(yè)提供技術(shù)指導。

1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外對于煤炭采樣技術(shù)的研究起步較早，早在20世紀60年代初期，以美國、英國等為代表的西方國家就開展了對煤炭開采及燃煤系統(tǒng)的采樣技術(shù)研究，之后在制定了一系列煤質(zhì)標準的同時，對煤炭采樣方法、工具及煤炭分析儀器也做了相應的規(guī)定。

在輸送帶輸煤采樣技術(shù)領域，國外研究起步也是早于我國，世界上許多煤炭出口及使用大國高度重視輸送帶輸煤采樣技術(shù)，對此開展了深入的研究，發(fā)展至今，相應的煤炭輸送帶輸送過程采樣裝置產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟。在諸多國外生產(chǎn)輸送帶輸煤采樣裝置的廠家中，尤其以美國的江比郎公司為代表，其下的煤炭采樣系統(tǒng)，體系眾多，功能龐大，其產(chǎn)品更是遠銷世界上多個國家和地區(qū)，江比郎公司也因此一度成為美國輸送帶輸煤采樣設備重要的制造商。圖1為江比郎公司生產(chǎn)的輸送帶中部采樣裝置[8]。

圖1 江比郎公司生產(chǎn)的輸送帶中部采樣裝置Fig.1 Sampling device for the middle of thebelt produced by Ebirou Company

該采樣裝置主要包括一次采樣器、下料管、物料輸送帶、破碎器、二次采樣器、縮分器、集樣器、余料返回機構(gòu)以及電控系統(tǒng)組成，采樣時，一次采樣器的鏟斗與運行輸送帶成90°，鏟斗起動將輸送帶上的物料全斷面截取，并將物料通過下料管輸送至物料輸送帶上，隨后經(jīng)破碎器將物料進一步破碎，達到相應的粒度要求后，再由二次采樣器進行第二次采樣，最后由縮分器分成4份裝入集料器中，多余出來的物料通過余料返回機構(gòu)輸送至原輸送帶上，該采樣裝置功能全面，采樣后的物料粒度均勻，缺點是一次采樣器再進行采樣時，鏟斗的運行軌跡為整圓，容易刮傷輸送帶或者造成劃痕。

1.3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

煤炭作為我國的主體能源之一，其采樣制樣技術(shù)發(fā)展一直以來都深受重視。相比于國外，雖然我國煤炭輸送采樣設備的研究起步較晚，但經(jīng)過不斷的努力也取得了長足的發(fā)展。新中國成立初期，我國煤炭生產(chǎn)基本依靠人力和畜力，在對煤炭的采樣中更是完全依靠于人工采樣[9]。20世紀60年代后，我國開始從國外引進大批煤炭生產(chǎn)機械設備，一些國外較為簡易的輸送帶輸煤采樣技術(shù)也被引進到國內(nèi)。在見證了國外機械采樣設備的高精度、高效率采樣后，雖然國內(nèi)許多用煤企業(yè)都想引進這些采樣設備，但由于國外機械化采樣設備造價不菲，引進成本高，許多企業(yè)只能望而卻步。進入70年代，國內(nèi)已經(jīng)有了一套完整的采樣體系，相應的采樣設備也能夠滿足一般的煤堆采樣，但輸送帶輸煤采樣機械的研發(fā)仍舊存在一些問題，例如沒有明確的參考標準，采樣設備功能單一等。

80年代后，國內(nèi)生產(chǎn)煤炭機械化采樣設備的逐漸增多，輸送帶輸煤采樣技術(shù)的研究人員增多，出現(xiàn)了很多研發(fā)生產(chǎn)廠家。

圖2 輸送帶中部采樣裝置Fig.2 Sampling device in the middle of the belt

中國礦業(yè)大學孟慶春等[10]研制了一種輸送帶中部煤樣自動采集裝置，主要包括機架、電機、減速器、主軸以及采樣鏟，電機通過減速器驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸帶動采樣鏟旋轉(zhuǎn)，采樣時，采樣鏟采樣鏟停在輸送帶的一側(cè)，采樣開始，電機驅(qū)動采樣鏟旋轉(zhuǎn)，沿煤流橫斷面刮掃一次，將輸送帶上的樣煤刮掃至輸送帶一側(cè)的集樣槽中。再次采樣時，采樣鏟到達到輸送帶另一側(cè)，控制器可控制電機反向旋轉(zhuǎn)，采樣鏟沿相反方向再次采樣一次。該采樣裝置結(jié)構(gòu)簡單，采樣效果較好，但采樣鏟在運動過程中容易刮傷輸送帶。

徐州宇克稱重技術(shù)有限公司的YKTC規(guī)格的輸送帶頭部采樣機，如圖3所示，以及徐州赫斯頓測控技術(shù)有限公司的HSD-YD型輸送帶端部采樣裝置，如圖4所示。兩者的采樣原理大致相同，都是在旋轉(zhuǎn)式頭部采樣機按所編程序，每隔一定時間間隔采樣頭旋轉(zhuǎn)一周，從輸送帶機頭部下落的物料流中采集一次子樣，子樣經(jīng)過溜管進入樣品給料機，給料機將初級樣品連續(xù)均勻地輸入破碎機，破碎機按規(guī)定的粒度要求進行破碎，破碎后的子樣經(jīng)過次級采樣機進行二次采樣縮分，最終樣品進入收集罐內(nèi)，余料輸入斗提機或螺旋輸送機等設備返回到主物料流中[11]。

圖3 YKTC型輸送帶端部采樣機Fig.3 YKTC belt end sampling machine

圖4 HSD-YD型輸送帶端部采樣機Fig.4 HSD-YD belt end sampling machine

賽摩公司的S70型初級刮板式采樣機，如圖5所示，S70型初級刮板式采樣機由采樣頭、驅(qū)動裝置、位置檢測裝置和帶防塵罩的鋼結(jié)構(gòu)件組成。采樣頭由不銹鋼材料制成，并配有平衡塊，裝在鋼結(jié)構(gòu)架上，它由制動馬達通過減速機驅(qū)動，帶動一個扇形切割器形采樣機旋轉(zhuǎn)一周，從運動的輸送帶上刮取寬度與切割器開口相同的一個完整的橫斷面的樣品，進而完成整個采樣過程。

圖5 S70型初級刮板式采樣機Fig.5 S70 primary scraper sampling machine

2 輸送帶輸煤采樣裝置分類

根據(jù)采樣設備在輸送機上的采樣位置的不同，可將輸送帶輸煤采樣裝置分為輸送帶端部采樣裝置和輸送帶中部采樣裝置兩大類[12-13]。

2.1 輸送帶端部采樣裝置

輸送帶端部采樣裝置安裝于輸送機的端部位置，常見的輸送帶端部采樣機可分為以下兩類：

1)斗子提升式采樣機。斗子提升式采機結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示，整個裝置由采樣斗、斗子提升機和集樣槽組成，在采樣時采樣斗運動至A點位置，原煤通過落體運動進入采樣斗中，之后，斗子提升機將采樣斗提升至B點，并將采得的煤樣倒入采樣槽中完成采樣過程。

1—輸送機;2—采樣斗;3—斗子提升機;4—集樣槽圖6 斗子提升式采樣裝置示意Fig.6 Schematic of bucket lifting sampling device

2)旋轉(zhuǎn)漏斗式采樣裝置。旋轉(zhuǎn)漏斗式采樣裝置主要由旋轉(zhuǎn)電機、旋轉(zhuǎn)采樣斗以及溜管等組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。工作時，旋轉(zhuǎn)電機帶動旋轉(zhuǎn)采樣斗轉(zhuǎn)至煤流下端接收原煤進行采樣，達到采樣質(zhì)量后，旋轉(zhuǎn)采樣斗旋轉(zhuǎn)至一端位置，結(jié)束采樣[14]。

1—旋轉(zhuǎn)采樣斗;2—輸送機;3—旋轉(zhuǎn)電機;4—防塵罩;5—溜管圖7 旋轉(zhuǎn)漏斗式采樣裝置示意Fig.7 Schematic of rotating funnel sampling device

對比2類常見的輸送帶端部采樣裝置可以看出，輸送帶端部采樣裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，但由于其安裝位置為輸送機的端部，所以往往占用的空間較大，并且在這類端部采樣裝置中，工作的原理大都是通過接收做斜拋運動的煤流來實現(xiàn)采樣，這就導致采樣接收裝置承受的沖擊大，相應傳動部件承受的負載也大。

2.2 輸送帶中部采樣裝置

輸送帶中部采樣裝置種類很多，常用的可分為兩類：液壓式采樣裝置和旋轉(zhuǎn)刮板式采樣裝置。

1)液壓式采樣裝置。液壓式采樣裝置由2個液壓缸A、B以及機架、刮板輸送機槽等部分組成，裝置采用雙液壓缸驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。工作時液壓缸B拉動液壓缸A向上左運動，此時液壓缸A處于伸出狀態(tài)，其端部刮煤板刮取輸送帶截面煤樣，煤樣通過左側(cè)滑槽進入集煤裝置。當液壓缸A被拉至左側(cè)限位時，液壓缸A內(nèi)部進入回油狀態(tài)端部縮回，縮到設定長度后液壓缸B伸出推動液壓缸A回到最初采樣位置[15]。

1—刮板輸送機槽;2—伸縮液壓缸A;3—伸縮液壓缸B;4—機架;5—輸送帶圖8 液壓式采樣裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.8 Schematic of hydraulic sampling device structure

液壓式采樣裝置結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，能夠完成煤炭采樣工作，但由于其推動方式為液壓推動，所以刮煤板運動速度較低，這樣的采樣速度對煤樣的代表性有一定影響。

2)旋轉(zhuǎn)刮板式采樣裝置。旋轉(zhuǎn)刮板式采樣裝置由采樣頭、驅(qū)動裝置、位置檢測裝置和帶防塵罩的鋼結(jié)構(gòu)件組成。其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1—輸送機;2—采樣頭;3—防塵罩;4—刮板輸送機槽圖9 旋轉(zhuǎn)刮板式采樣裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.9 Schematicof the structure of the rotating scrapersampling device

旋轉(zhuǎn)刮板式采樣裝置采樣方式為通過旋轉(zhuǎn)采樣刮板進行取樣，這類裝置出現(xiàn)較晚，技術(shù)較為成熟，采用PLC控制，工作時按照所編好的程序，每隔一定時間段電機帶動采樣頭旋轉(zhuǎn)一周，采樣頭上的刮煤板刮取整個煤流截面作為煤樣，當采樣頭運動到刮板輸送機槽位置時，行程開關檢測到并發(fā)出信號，電機稍作停頓，等煤樣完全通過刮板輸送機槽后，電機返回初始停止位置，煤樣則通過刮板輸送機槽進入儲煤罐，以此完成整個采樣過程。這類采樣裝置采樣造價低，能完成相應的采樣，但由于在實際的輸送帶輸煤過程中，輸送帶截面并非標準圓形，因而這類采樣裝置很難做到全斷面采樣，這對采樣的精度有一定的影響[16]。

3 存在問題

1)大多數(shù)采樣作業(yè)未嚴格按照采樣標準進行采樣。目前，我國現(xiàn)行的商品煤采樣相關標準主要有GB 475—2008《商品煤樣人工采取方法》以及GB/T 19494—2004《煤炭機械化采樣》，《煤炭機械化采樣》標準規(guī)范了采樣的一般原則，采樣方案以及采樣裝備的設計，通過輸送帶輸煤采樣技術(shù)的研究現(xiàn)狀看出，大多數(shù)輸送帶輸煤采樣設備沒有嚴格按照采樣標準進行規(guī)范采樣，未對采樣時間間隔以及采樣數(shù)量精確確定，從而導致后期制樣以及化驗階段存在誤差，導致采樣結(jié)果不精確[17]。此外，隨著不同產(chǎn)業(yè)對煤炭采樣需求量增加，現(xiàn)行國家采樣標準未能及時更新，沒有根據(jù)不同產(chǎn)業(yè)進行細化，不能滿足不同產(chǎn)業(yè)的煤炭采樣需求。

2)采樣設備結(jié)構(gòu)原理簡單，不夠優(yōu)化。通過上述2類輸送帶輸煤采樣裝置原理對比可以看出：輸送帶端部采樣裝置雖然結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)γ禾窟M行自動采樣，但由于其采樣原理為依靠煤炭的拋物運動將煤炭收集至采樣斗，使得采樣斗承受的沖擊較大，相應的機械負載也就較大，并且輸送帶端部采樣裝置對于采取煤樣的量不宜進行控制。輸送帶中部采樣裝置依靠刮煤板刮取煤流作為煤樣，設計結(jié)構(gòu)緊湊，但現(xiàn)有的輸送帶中部采樣裝置的設計中，往往將輸送帶截面當成圓弧處理，這就導致采樣裝置在進行采樣時并很難實現(xiàn)全斷面采樣，采得的煤樣缺乏代表性。此外，輸送帶中部采樣裝置采樣時由于需要接觸輸送帶刮取煤樣，這就容易刮傷輸送帶，并且刮煤板兩側(cè)的刮板也容易影響輸送機的正常工作，對于帶速較高的輸送機以及最大過煤高度較大的輸送機，輸送帶中部采樣裝置顯然不太適合。

3)采樣設備智能化、自動化程度低。近些年來，隨著眾多需煤企業(yè)對于煤炭質(zhì)量要求的提高，煤炭質(zhì)檢越來越嚴格，傳統(tǒng)的人工采樣由于其采樣精度不能得到保證，因此正逐步被機械化采樣所取代，但在一些特殊場合，由于不具備安裝機械采樣裝置的條件，人工采樣依靠其采樣靈活的方式仍發(fā)揮著很大的作用。一方面人工采樣受到采樣的方式方法、樣品粒度、人員素質(zhì)、工具規(guī)格以及環(huán)境位置等因素的影響，極易造成采得的煤樣代表性差，誤差大的情況；另一方面人工采樣對工人而言勞動強度大，勞動風險也較高?，F(xiàn)有的機械化采樣裝置能夠?qū)用哼M行采樣，在樣品收集，罐裝方面還需要人工進行參與，自動化，智能化程度不高。隨著自控化控制技術(shù)的飛速發(fā)展，自動化，智能化逐漸應用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等各個領域，現(xiàn)有的機械化采樣技術(shù)很難適應現(xiàn)實需要。

4)采樣設備管理人員專業(yè)素質(zhì)低，管理不夠完善。輸送帶采樣方式由于采樣代表性好，結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便等優(yōu)點，在用煤企業(yè)采樣作業(yè)中應用越來越多，然而，在采樣設備的管理上存在疏忽，且管理人員的通常未經(jīng)過專業(yè)培訓，對采樣的標準和要求理解不深，不重視批次留樣量，采樣間隔不做調(diào)整，從而影響總采樣的準確性[18]。此外，管理人員通常只對采樣設備的可靠性和穩(wěn)定性進行觀察，不注重采樣設備的采樣性能以及采樣準確性，不利于采樣技術(shù)的改進以及長遠發(fā)展[19]。

4 展 望

近年來，通過國內(nèi)用煤企業(yè)以及科研單位的不懈努力，我國輸送帶輸煤采樣技術(shù)已經(jīng)由被動仿制進入自主創(chuàng)新研發(fā)的新階段，隨著眾多需煤企業(yè)對于煤炭質(zhì)量要求越來越高，需求越來越多，未來我國輸送帶輸煤采樣技術(shù)重點應放在以下幾個方面：

1)完善采樣標準，規(guī)范采樣技術(shù)要求。近些年，隨著用煤企業(yè)對煤炭質(zhì)量要求更高，相關科技工作者主要開展采樣技術(shù)以及設備研究，以實現(xiàn)高質(zhì)量的采樣效果?？茖W的采樣標準是采樣質(zhì)量的關鍵因素之一，但目前的采樣標準、采樣技術(shù)要求已經(jīng)不能滿足不同產(chǎn)業(yè)實際生產(chǎn)需求，實現(xiàn)煤炭采樣技術(shù)不斷發(fā)展，必須進一步完善更新國家采樣標準，以及根據(jù)不同產(chǎn)業(yè)制定不同采樣技術(shù)要求，為各產(chǎn)業(yè)采樣設備的發(fā)展提供理論指導，對采樣設備技術(shù)參數(shù)提供設計依據(jù)，同時對采樣管理人員進行規(guī)范要求。

2)結(jié)合機械電子、自動化控制等技術(shù)，提高皮帶采樣技術(shù)智能化作業(yè)水平。目前，輸送帶輸煤采樣技術(shù)還停留在半自動化、自動化作業(yè)層面，初步能夠完成定時采樣作業(yè)，如果結(jié)合智能化控制、機電液驅(qū)動等技術(shù)，以及借鑒成熟的機械視覺以及智能檢測技術(shù)，一方面可提高采樣機械的作業(yè)效率以及采樣精度，另一方面有效降低了管理人員的勞動強度[20]。

3)提高輸送帶輸煤采樣機械適應能力，滿足多種型號輸送帶采樣需求。輸送機的種類較多，各用煤企業(yè)因需求不同，選擇不同型號的輸送機，在安裝采樣設備時，通常需要根據(jù)用煤企業(yè)所選用輸送機型號進行定制，皮帶采樣機械適應能力不強，在后續(xù)研發(fā)生產(chǎn)中，因注重采樣機械適應能力的提升，調(diào)整采樣機架以及采樣器的結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足不同型號尺寸的輸送機需求。

5 結(jié) 語

1)煤炭采樣是煤樣檢驗的先期基礎性作業(yè)，發(fā)展煤炭采樣技術(shù)與裝備是相關產(chǎn)業(yè)的需求，也是提升煤炭工業(yè)高質(zhì)量的重要支撐。通過系統(tǒng)收集梳理相關資料，目前我國目前采用的煤炭采樣標準有兩個：國家標準GB/T 19494—2004《煤炭機械化采樣》和國家標準GB 475—2008《商品煤樣人工采取方法》，隨著不同產(chǎn)業(yè)的用煤需求，煤炭采樣的國家標準還需要根據(jù)不同產(chǎn)業(yè)、不同采樣方式進一步細化和完善。

2)介紹了國內(nèi)外輸送帶輸煤采樣技術(shù)及設備發(fā)展概況，歸納了輸送帶輸煤采樣裝置按采樣位置不同分為輸送帶端部采樣裝置和輸送帶中部采樣裝置，分析了輸送帶端部采樣裝置和輸送帶中部采樣裝置的幾種類型，以及不同類型的結(jié)構(gòu)和工作原理。

3)目前，我國輸送帶輸煤采樣技術(shù)雖然已取得一定進展，但仍然存在一些問題，如采樣標準更新不及時，采樣設備智能化、自動化程度低，采樣裝置管理人員專業(yè)素質(zhì)不高等，隨著用煤企業(yè)需求量增加，煤炭采樣設備應結(jié)合計算機、自動化控制等技術(shù)，提高采樣設備自動化作業(yè)水平；從理論上突破，提高輸送帶輸送采樣機械適應能力，根據(jù)不同產(chǎn)業(yè)用需求，細化和完善采樣標準，對于加快我國自動化智能化采樣機械的研發(fā)，促進煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。