毕 业 设 计(论文) `
题
目：多工况下煤质采样机设计
院 系 机械工程系
专业班级 机械设计专业0802班 学生姓名 张衍
指导教师 花广如
二○一二年六月
目 录
第一章 绪论 ................................................................. 1
1.1 研究的目的和意义 .................................................... 1
1.2 采样机的种类 ........................................................ 2
1.3 国内外研究现状 ...................................................... 3
1.4 本文主要设计内容 .................................................... 4
1.4.1 设计任务要求 ................................................... 4
1.4.2 设计内容 ....................................................... 4
第二章 工作原理 ............................................................. 5
2.1 设计提出 ............................................................ 5
2.2 方案比较 ............................................................ 5
2.3采样机结构 ........................................................... 6
2.4工作原理 ............................................................ 11
第三章 液压系统设计 ........................................................ 12
3.1 液压系统设计原则 ................................................... 12
3.2 龙门液压系统的设计 ................................................. 12
3.2.1 液压缸设计中应注意的问题 ...................................... 13
3.2.2 工况分析 ...................................................... 13
3.2.3 龙门液压系统保压回路 .......................................... 13
3.3 采样机构液压系统设计 ............................................... 15
3.3.1 工况分析 ...................................................... 15
3.3.2 采样机液压系统 ................................................ 16
3.3.3 采样液压系统工作原理 .......................................... 17
3.3.4 采样液压系统特点 .............................................. 18
第四章 采样头设计 .......................................................... 19
4.1 采样头的设计要求 ................................................... 19
4.2 采样头结构设计 ..................................................... 19
4.2.1 楔形采样头 .................................................... 19
4.2.2 破碎头 ........................................................ 20
4.2.3 双拉门结构 .................................................... 20
第五章 总结及展望 .......................................................... 21
5.1 总结 ............................................................... 21
5.2 展望 ............................................................... 21
参考资料： ................................................................. 22
致谢： ..................................................................... 22
多工况下煤质采样机设计
摘 要
随着现代化工业的发展,各水泥厂、电厂等用煤大户为了达到生产过程自动控制入炉煤水分、灰分、发热量的高精确度要求,对原煤需要采样化验成分。以前，通常的采样手段为人工采样，但人工采样时，往往受采样工具、人为因素等影响，不但浪费了大量的劳动力，所采煤样代表性也不是很强。用自动机械化采样机代替人工采样，则能保证采样的及时、准确、代表性。
本文中，首先进行了采样机的结构设计。由于考虑到采样机的灵活性和适应性，本采样机的主体结构为车载可移动式龙门采样机。工作时，采样机龙门横跨载煤车厢，龙门导轨上装有可移动的小车，小车承载的采样机构对车厢的任意位置进行采样。 本采样机的最大特色为，多工况一体化拉门式采样头。能分别满足在干燥、雨雪天、和煤湿度较大等工况下都可以对煤质进行采样的要求，即主控制系统能控制在不同工况下采样头拉开不同的拉门，每个拉门的材料根据不同工况下采样头的受力特性选择。且采样点可以是载煤车厢内的任意位置。
关键字：煤；采样机；结构设计；多工况；采样头。
Multi-condition coal sampling
machine design
Abstract
With the development of modern industry, cement plants, power plants and other coal big into the furnace in order to achieve the automatic control of the production process of coal moisture, ash, heat, high accuracy requirements, raw coal sampling laboratory component. Previously, the usual sampling means for manual sampling, manual sampling, often subject to sampling tools, human factors, not only wasting a lot of labor, the coal sample representativeness is not strong. Automatic mechanical sampling machine instead of manual sampling, to ensure timely, accurate and representative sampling.
This article, the structural design of the sampling machine. Take into account the flexibility and adaptability of the sampler, the sampler, the main structure of the vehicle movable gantry sampling machine. Work, sampling machine gantry across the board coal compartment, removable car is equipped with a gantry rail car carrying the sample institutions anywhere compartment sampled.
The most prominent feature of this sampler for the integration of multiple loading conditions the sliding door sampling head. Can satisfy the sampling requirements of coal in dry, rain and snow, and coal, humidity and other conditions, that is the main control system can control the sampling head pulled in different conditions of different sliding door a sliding door of the material characteristics according to different operating conditions by sampling the first choice. And the sampling point can be anywhere in the carrier of coal inside.
Keywords: coal; sampling machine; structural design; multiple loading conditions; sampling head.
第一章 绪论
1.1 研究的目的和意义
随着现代化工业的发展,各水泥厂、电厂等用煤大户为了达到生产过程自动控制入炉煤水分、灰分、发热量的高精确度要求,推动自动采样制样系统的快速发展。采样机是自动采样制样系统中最关键的设备,直接影响系统的成功与否。
钢铁生产需要多种原燃料，如铁矿粉(精粉、粗粉)、铁合金(硅铁、锰铁、妮铁、钒铁等)、各种辅料(石灰石、白云石、萤石、蛇纹石)及燃料(煤、焦炭)等。这些原燃料的质量，特别是原燃料的品位，不仅是制定冶炼生产工艺参数的重要依据，也决定着该产品的价格。可见，任何偏差都会造成生产工艺参数和采购成本的变化。因此，原燃料的检验和管理，是冶金生产过程的先导。科学管理原燃料的检验过程，是提高原燃料检验水平、控制生产成本、指导生产过程的重要措施。
煤炭是一种极不均匀的大宗物料,怎样采集到具有代表性的样品进行质检,这对于大宗物料的煤炭质量作出准确的评估是至关重要的。由于技术水平的关系, 20世纪,燃煤发电厂多采用人工采集煤样,但随煤炭商品市场化进程的加速,商品的交易渠道日益多元化,使得消除人为参与的机械化采样装置越来越受广大电厂的青睐,自动化机械采样机越来越普遍,但至今为止还未有有关机械采样机的国家级验收规程颁布。故对于占整个煤炭质检误差80%的采样系统的性能评价自然就成为人们关注的焦点。
随着煤炭商品市场化程度的提高,有关商品煤质量的仲裁事件逐渐增多。通过分析认为,导致供需双方发生纠纷的焦点在于对GB 475—1996《商品煤样采取方法》的不同理解和执行方面。商品煤的采样、制样、化验整个煤质检验过程中,产生误差率最高的是采样,其次是制样,最后是化验。在煤质检验过程中,采样是最基础的工作,也是最重要的工作。因此,使用自动采样机采取商品煤的煤样方法显得尤为重要。自动采样机与手工采样相比,具有规范、快捷、安全、可靠、减轻劳动强度等优点,实现了人工采样向自动化采样的重大转变。 国家煤炭质量监督检验中心(原煤炭科学研究总院煤炭分析实验室)是目前国际上为数不多的规模大并具有雄厚技术实力和权威的煤炭检验机构;是全国煤炭标准化技术委员会检测方法分技术委员会秘书处和国际标准化组织固体燃料技术委员会(ISO /TC 27)国内技术归口单位,每两年代表中国参加ISO /TC 27标准化会议。从20世纪50年代初开始一直从事煤炭检验及其相关标准的制、修订及煤炭检验仪器的性能鉴定工作。
国家标准GB /T 19494—2004《煤炭机械化采样》参照国际标准ISO 13909《硬煤和焦炭-机械化采样》起草制定的,已于2004年10月1日实施。该标准分三个部分:采样方法、煤样的制备、精密度测定和偏倚试验。
煤炭采样机系统的普遍使用,一方面大大降低人工采制样的劳动强度,同时也在一定程
度上消除了煤炭采制过程中的人为因素,理论上使煤炭贸易更加公平公正。但采样机系统如果不进行偏倚试验和精密度测定试验,可能会产生较大的采样偏倚,且无法确立科学合理的采样方案。
采样精密度表征采样机所采样品的随机误差,而采样偏倚表征采样机所采样品的系统误差;在某些情况下,采样偏倚更为重要。若采样精密度符合贸易各方或国家标准要求,只有当采样机系统采样无实质性偏倚时,采样机才能采取到具有代表性的煤样,才能保证煤质分析结果科学、准确。
1.2 采样机的种类
采样机（自动取样机）是为了从一批物料中获得一个其试验结果能代表整批被采样物料的试样，所采用的一种装置。采样机的种类很多，不同的行业、不同的场所采用采样机的结构形式也不同。一般按照结构形式及使用场合，大体可分为：车厢（汽车、火车）采样机、管道采样机、皮带采样机（头部、中部）等。一般用于散装物料（如煤炭、矿石、粮食等）输送、转运过程中的取样。
在煤样的采制化过程中，煤样的采取是采制化中的重要环节，煤样是否有代表性，煤样的采取是关键。人工采样时，往往受采样工具、人为因素等影响，所采煤样代表性不是很强，用自动机械化采样机代替人工采样，完全满足国标要求。既保证了采样时间、子样数目、子样重量等，又确保了横截煤流全断面的采取，使煤样具有代表性。同时消除了人工采样的安全隐患，减轻了职工的劳动强度，解决了人为因素等的影响，提高了产品质量检验的准确度，为及时指导生产，保证煤产品质量，发挥煤质技术检查“及时、准确、有代表性”起重要作用。
采样器械可分为人工采样机和机械采样机2类,与人工采样机相比,机械采样机不仅可以节省人力、物力,更主要的是采样时间间隔短,频率高,样品更具代表性,目前所采用的机械采样机都是按照断流取法原则,从全断面物料中采出试样,按其截流方式可分为:直线运动式采样机、钟摆运动式采样机、回转运动式采样机。
采样机（自动取样机）是为了从一批物料中获得一个其试验结果能代表整批被采样物料的试样，所采用的一种装置。此类设备一般根据现场条件具体设计、成套使用，通常由采样机、样品输送设备、破碎设备、缩分设备、弃料处理设备、电控系统等组成[5]。
采样机的种类很多，不同的行业、不同的场所采用采样机的结构形式也不同。目前所采用的机械采样机都是按照断流取法[6]原则,从全断面物料中采出试样,按其截流方式可分为:直线运动式采样机、钟摆运动式采样机、回转运动式采样机。按照结构形式及使用场合，大体可分为：车厢（汽车、火车）采样机、管道采样机、皮带采样
机（头部、中部）等。一般用于散装物料（如煤炭、矿石、粮食等）输送、转运过程中的取样。
● 车厢（汽车、火车）采样机
汽（火）车入厂煤采样机是针对运煤汽车、火车采样而设计的机械化采样设备。该设备集采样、破碎、缩分、集样于一体、结构合理、运行可靠、操作方便。采样制样工艺过程符合GB19494（对于煤炭）国家标准。适用于电厂、煤矿、煤码头等进行煤质检验采样的场合[7]。
汽车入厂煤采样机主要由采样头（螺旋钻取式采样机）、给料机、破碎机、缩分集样器、余煤处理系统组成。首先由钻取式螺旋采样机提取煤样，通过密闭式给料送入破碎机，破碎后进入缩分集样器，通过缩分的煤样进入集样器，多余的煤样由余煤处理系统返排回汽车或直接排回煤场[8,9]。
● 管道采样机
一般安装在管道侧壁用于从管道中采取一定量的流动的物料作为样品。有螺旋式、活塞式、插管式等等。常用语小颗粒物料或者粉料、浆液的取样。
● 皮带采样机
由中部（头部）采样机、给料皮带机、破碎机、缩分器、样品收集器、弃料返回系统、控制系统组成。 皮带中部、头部自动采样机完全满足国标要求。对所采煤样的水分、粒度无特殊要求；采样间隔（时间、质量）可由定时控制器或程序设定。为安全起见，皮带中部采样机一般用于物料堆比重1.6t/m3以下的散装物料[10]。
采样装置按设定的时间从皮带上做全断面刮扫，采取的子样通过溜槽进入初级送料皮带机，同时把样品均匀送入破碎机破碎到一定的粒度（一般6~13mm），再通过次级皮带及缩分器分成留样和弃料，留样被自动收集在储料罐中，弃料被斗式提升机返回到皮带。
1.3 国内外研究现状
最近几年来，随着国家宏观经济政策的调整，煤炭作为焦化厂最主要的原材料，其价格一直居高不下。同时由于电煤供应日趋市场化、多元化，造成煤质波动幅度增大，煤种杂、入炉煤质控制难度加大，使发电厂锅炉燃煤偏离设计煤种，锅炉稳定燃烧受到破坏，引发的设备缺陷明显增多，严重影响了锅炉安全经济稳定运行。火力发电行业的煤炭逐步全面推向市场，价格也随之开放，煤炭的费用在火力发电厂的成本已占70-80%的份额。因此，对煤炭的管理，已也引起火力发电行业的高度重视。因此，煤的经济性成了国内各燃煤企业重点考核指标。
为了考评燃煤经济性，对入厂煤进行采样后以质论价几乎成了所有厂家的最常用的控制措施。从80年代起，入炉煤采制样设备得到了高速发展;进入90年代，入场煤采制样设备(汽车入场煤，火车入场煤)从无到有，从不完善正走向定型和完美。自
动化技术在入场煤采制样设备的广泛运用，极大地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，显著地改善了工人的工作环境和提高了工人的工作效率。
目前国内自行设计的采样装置大致分为龙门式和悬臂式[3]两种, 且国内专利仅有两家。通过对多个厂家的考察,发现我国自制的采样装置普遍存在采样深度不够,从而造成煤样含水量指标检测不准的缺陷,因此国内许多厂家仍以使用国外引进的采煤样机为主,如:湖北青山电厂采用美国进口的PSI螺旋煤样取样系统,丹东华能电厂采用澳大利亚MCI的全元素在线分析系统等[4]。而国外的采样设备存在功能多、造价昂贵、使用后浪费大量功能、容易形成大马拉小车等弊端。
过去人工采样时，往往受采样工具、人为因素等影响，所采煤样代表性不是很强[1]，用自动机械化采样机代替人工采样，完全满足国标要求。既保证了采样时间、子样数目、子样重量等，又确保了横截煤流全断面的采取，使煤样具有代表性。同时消除了人工采样的安全隐患，减轻了职工的劳动强度，解决了人为因素等的影响，提高了产品质量检验的准确度，为及时指导生产，保证煤产品质量，发挥煤质技术检查“及时、准确、有代表性”起重要作用。
1.4 本文主要设计内容
1.4.1 设计任务要求
本论文题目为《多工况下煤质采样机设计》，主要对汽车运输煤的采样机设计。针对目前汽运煤在入场前进行采样时，通常采样机只能对较干燥的煤进行取样，当湿度过大或雨天就只能由人工来进行采样的问题，进行改进性设计，新设计的采样机必须能够满足在干燥、雨雪天、和煤湿度较大等工况下都可以对煤质进行采样要求，采样可以在卡车车厢内任意位置进行。在完成系统整体设计的基础上，重点完成采样头的选材和结构设计等；如果单一采样头不能实现全天候工况，可以考虑设计多个采样头，分别适应不同的工况，但需要考虑采样头更换的快捷性。
1.4.2 设计内容
首先确定车载采样机的形式，经比较，选择龙门式采样机。
设计采样机的三相移动方式，以便实现采样可以在卡车车厢内任意位置进行采样，确保采样的全面性。
设计每相移动的驱动方式，如螺旋驱动，液压驱动，电机驱动，丝杠驱动，涡轮蜗杆驱动等，进行方案比较。
进行采样头设计，以满足多工况下煤质采样的要求，是否设计多个采样头以及其更换形式，抑或设计多功能单个采样头。
进行液压控制系统设计，PLC控制系统设计等，形成完整的采样系统。
绘制多工况车载采样机的整体PROE设计图。
第二章 工作原理
2.1 设计提出
随着我国经济的飞速发展, 能源供应日益紧张, 各火力发电厂满荷运行, 大量燃煤需要进行入厂检验, 为此急需研制汽车入场煤采样机, 替代目前国内汽车入场煤人工采样, 即装满煤的汽车进入电厂后, 不再由人工进行采样检验, 而是由“汽车入场煤采样机”进行随机采用, 自动检验。该产品在降低工人劳动强度的同时, 极大的提高了物料采制样工作效率, 保证检验结果的客观公正性。机械采样与人工采样比较, 不但安全可靠, 劳动强度小, 工作效率高, 而且采样随机性强, 更符合国家标准的要求, 不会受人为因素的影响。车载煤采样机的设计研发势在必行。
现代焦化厂往往由多个供应商供应全厂的各种用煤，供应商多数采用汽车进煤。精确的确定煤的发热量、水份、灰份和其他杂质尤其重要，因为即使是很小的差别也有可能在一段时间内造成很大的损失。同时，采样机也是煤矿企业用于商品煤采样的机械，要求从煤流中，火车，汽车，船上以及煤堆上采取煤样，然后加以分析，以确定煤的各种特性，用此分析结果确定合同价格，并根据要求将采样机进行了运动动作分析，对其进行了整机的结构设计。在设计采样时，不但注意了如何使物料连续通过采样设备，注意了如何保持水分不损失，并且还注意了如何避免粉尘的散失，在设计采样装置时要充分考虑到以上因素。
为了保证采样的全面性和公正性，使得采样点必须覆盖整个车载煤的任意坐标，即采样头可以上下左右前后三相移动；为了使采样机简单方便，操作灵活，需要设计三相的运动装置。为了适应多工况下的煤粉采样，即干燥状态下和潮湿状态下都能准确的采样，必须设计采样头换刀装置或多功能一体采样头。
2.2 方案比较
当今车载煤采样机大多数都为固定式采样机，即采样机安装在固定的导轨上，载煤车行驶入采样机下方，采样机大车可沿车道导轨前后移动，大车顶部有横梁可供小车左右移动，搭载采样头升降移动实现对车载煤的任意位置采样。固定式采样机有其优点，操作简单方便但缺乏灵活性，有些时候载煤车厢行驶困难，增加了采样时间并且增大了采样费用，
效率不高。为此，本论文设计了可移动式的采样机，采样机大小可调，适应不同车厢，灵活方便。
车载煤采样机的采样装置主要分为龙门式和悬臂式两种，考虑到龙门式车载煤采样机的力学性能以及机械性能好，本例中选用龙门式采样机，龙门上端为一横梁，同时有可供小车移动的轮槽，使小车在龙门中左右移动定位。龙门两端的支架为可升降支架，初始状态为最低点，节省空间；当工作时可根据载煤的车型高低升降龙门。
龙门中小车的驱动形式主要分为液压传动和螺纹传动。由于小车的行驶范围为整个车厢，若选择液压传动，由液压缸带动活塞推动小车左右移动，则龙门的宽度必须为小车行程的2倍，这增加了龙门的宽度，浪费了空间，不可取。所以本例中选取螺纹传动，由伺服电机连接齿轮减速器，安装在龙门架的一端，减速器的输出轴与龙门架间通过轴承连接涡轮，再与小车螺纹连接，驱动小车并带动左右移动。
本论文设计题目为多工况下车载煤采样机设计，即对采样头有了新的要求，能适应干燥状态下对煤粉采样，也能适用于对潮湿状态下的煤粉采样。当干燥状态时，煤粉间的摩擦力大，就会对采样头有更大的阻力，这要求了采样头必须有高的硬度和耐磨性；而当对潮湿状态下煤粉采样时，煤粉对采样头的阻力变小，但粘度增大，同时煤粉中的许多酸碱性物质溶于水中后会对采样头腐蚀。为了适应两种不同工况下的煤粉采样，就需要设计出两种不同性能的采样头。这就涉及到了换刀式采样头，工作时根据需要更换采样头，但这样做不但使得整个机械的整体变复杂，增加了额外的工作量，而且工作时两个采样头会彼此影响，并且有时会对人和环境造成危险。因此，本文提出了多功能一体化采样头（详见
第四章）。
2.3采样机结构
采样机的整体尺寸：长6米，宽4米，高4米。其中，采样机的宽度为4米，此设计宽度一般能包容下普通车厢，方便龙门驶入车厢采样。车载煤采样机的长度为6米，高度4米，底座上安装有小型电机，驱动前轮承载的龙门沿车道方向移动，范围在6~10米，能覆盖载煤车厢的任意位置。而高4米的龙门因为有液压活塞机构使得龙门可承载小车在4~6米的范围内上下移动，适应了不同高度的车厢采样。同时当采样机不工作的时候可以把小车放到最小状态，节省了占地空间，维护方便。
采样机主要由大车、龙门、小车、采样机构四部分组成。
大车的主要结构部件为：1—主控制室、2—底座、3—后轮（采样机定位）、4—前轮（采样头定位）、5—推杆、6—法兰盘。每个构件的具体作用如下：
1—主控制室的作用为：驾驶多工况采样车定位到指定地点采样；控制龙门支架液压系统使龙门高度变化以适应不同载煤车的大小；并且控制采样头的X/Y/Z三方向运动，即控制底座电机驱动前轮定位采样头Y坐标，控制龙门伺服电机正反转带动小车定位采样头X
坐标，控制采样机构采样头的运动的液压系统定位采样头Z坐标；控制采样头主运动电机带动采样头旋转。2—底座的作用为承载主控制室、龙门以及连接前后轮。3—后轮是整个采样车的驱动轮，主控制室控制后轮行驶，移动到待采样的车厢，使得龙门横跨整个车厢。4—前轮的作用是定位采样头的Y坐标。5—推杆的作用是驱动前轮。6—法兰盘的作用是连接龙门与底座。大车PROE模型如下图2-1：
图2-1 大车结构图
龙门的主要结构部件为：7—机架、8—液压缸、9—伺服电机、10—减速器、11—轴承、12—丝杠、13—导轨。
7—机架的作用是支撑龙门及其附件。8—液压缸的作用是调整龙门的高度以适应对不同高度的车厢进行采样。9—伺服电机的作用是带动丝杠旋转以控制小车延X轴方向运动以定位采样点。10—减速器的作用是调节伺服电机主轴的转速输出给丝杠。11—轴承的作用是连接机架和转动的丝杠。12—丝杠的作用是传递转速，螺旋传动带动小车移动。13—导轨作用为使小车的车轮平稳的运动。龙门PROE模型如下图2-2：
图2-2 龙门结构图
小车的主要结构部件为：14—小车轮、15—车架、16—轮轴、17—螺旋传动孔、18—端盖。
14—小车轮的作用是带动小车平稳移动并减少摩擦力。15—车架的作用是支承整个小车的所有部件。16—轮轴的作用是连接车架与小车轮。17—螺旋传动孔的作用是连接丝杠并传递旋转带动小车移动。18—端盖的作用是连接小车与采样头的连板。小车结构PROE模型如下图2-3：
图2-3 小车结构图
采样机构的主要部件有：19—主运动电机、20—齿轮减速器、21—液压缸、22—推杆、23—法兰、24—主螺旋杆、25—保护箱、26—轴承、27—采样头、28—拉杆、29—拉门、30—连杆。
19—主运动电机的作用是带动主螺旋杆旋转。20—齿轮减速器的作用与元件10相同。21—液压缸的作用是控制采样头延Z方向的运动并定位。22—推杆为液压缸的活塞，传递位移。23—法兰的作用是连接推杆与主螺旋杆。25—保护箱的作用为容纳并保护主运动电机以及齿轮减速器避免碰撞及粉尘污染。26—轴承的作用为连接主螺旋杆与推杆。27—采样头的作用为采集煤样。28、30—拉杆、连杆的作用为控制拉门的开关。29—拉门的作用为控制采样头的开关。采样头PROE模型如下图2-4,采样机构模型如下图2-5：
图2-4 采样头
图2-5 采样机构
采样机整体PROE结构图如下图2-6：
图2-6 采样机整体结构图
2.4工作原理
1）根据待采样车厢的高度大小，在主控制室调节8—液压缸的升降，使得采样机的龙门能跨过整个车厢，并且持续保持此液压工作压力，维持此高度直至采样结束。
2）操作人员进入1—主控制室，驾驶大车至整个龙门和底座延车道方向横跨整个车厢。
3）确定车厢内采样点的个数及每个采样点的三维坐标并输入主控制系统。其中，规定延车道方向为y轴，横向即龙门导轨方向为x轴，竖直向上方向为z轴方向。
4）主控制系统根据输入坐标定位采样点。其中y坐标通过控制底座上的5—驱动电机驱动前轮前后移动定位；x坐标通过控制9—伺服电机的正反转带动小车移动定位；z坐标通过控制22—采样手的液压活塞系统的上下移动定位。
5）由采样头上的19—主运动电机带动20—减速齿轮，使24—主螺旋杆转动，同时控制22—液压活塞下推。采样头运动过程分：启动，快进，工进，停留，慢退，快退；六个阶段，每个阶段采样头的速度不一，当快进时，采样头的速度大，负载小；当工进时，采样机的负载大，则速度小。
6）采样头在车厢煤层中停留期间，主控制系统控制拉门式采样手28—拉杆上提，使得29—采样手拉门被打开，由于主螺旋杆的旋转，则煤样自动进入采样手中，再控制采样
手的拉门关闭，即煤样采集完成。注意，当在干燥工况下应控制干燥拉门采样，当在潮湿工况下应控制潮湿拉门采样。
7）采集完成一个采样点后，小车复位，运行到指定位置倾卸煤样。重复上述步骤直至所有采样点都完成采样。
8)采样手复位，小车复位，大车驶离载煤车厢，龙门高度复位，整个采样完成。
第三章 液压系统设计
3.1 液压系统设计原则
在国内现有的煤质采样机中,其采样头的进给和旋转大多采用机械传动,配合电机的变频调速来调节进给和旋转速度,这种传动方式尽管存在各种问题,但总体上还是能满足采样的基本要求。但是当遇到冻煤、树枝、孤石等物质时,其采样工作就不能正常进行,这是因为遇到不同的采样介质时,对采样头的进给速度和旋转速度有不同的要求,如遇到冻煤和孤石时,需要减小进给速度而提高旋转速度;而当遇到树根时则需自动提高切割头的扭矩;另外煤粒的尺寸和含水量变化时也需要采样头的进给速度和旋转速度做出相应的调整,而这一切在机械传动时是不可能方便实现的。另外因为电流与进给力和扭矩之间的不确定性,也使得其无法用闭环控制来实现二者之间的匹配。
为此,我们认为对采样头的进给和旋转采用液压传动是十分必要的,同时也是一种科学的选择。因为其宽广的无级调速范围、宽广的负载调节能力、平稳的启停要求、低进给力下的强破冻煤能力。这一系列的要求代表了当前煤质采样机的最高水平。只有采用闭环控制的液压传动才能满足使用要求。
3.2 龙门液压系统的设计
在本设计中，采样机为了适合对不同高度的车载煤进行采样，必须对龙门支架的高度可以进行调节，承载龙门横梁的升降，所以在龙门支架上有液压装置控制龙门升降。
液压缸是液压系统中的执行元件，它是一种把液体的压力能转换成机械能以实现直线往复运动的能量转换装置。液压缸机构简单，工作可靠，在液压系统中得到了广泛应用。液压缸按其结构形式，可分为活塞缸，柱塞缸两类。活塞缸和柱塞缸的输入为压力和流量，输出为推力和速度。由于本设计中的液压缸都是一端固定一端移动的，所以选择单杆活塞液压缸。
3.2.1 液压缸设计中应注意的问题
液压缸的设计和适用正确与否，智杰影响到它的性能和易否发生故障。在这方面，经常碰到的液压缸安装不当、活塞杆承受偏载、液压缸或活塞杆的压杆失稳等问题。所以，在设计液压缸时，必须注意以下几点：
1）尽量使活塞杆在受拉状态下承受最大负载，或在受压状态下具有良好的纵向稳定性。
2）考虑液压缸行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题。
3）正确确定液压缸的安装、固定方式。
4）液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽可能做到简单、紧凑，加工、装配和维修方便。
3.2.2 工况分析
欲设计一个液压系统，首先得明确提出系统设计要求。如本设计中的龙门液压系统，它的设计要求便是，在工作期间，龙门支架上的液压缸能平稳的升高到任意规定高度，并且能在一定时间段内保证龙门支架的高度不变，即输出一定的承载力，在一段时间内保持系统一定的压力不变；当工作停止时，液压缸平稳降低回原位。
设计要求明确之后，便是对系统进行工况分析。对液压系统进行工况分析，就是要查明它的每个执行元件在各自工作过程中的运动速度和负载的变化规律。这是满足主机规定的动作要求和承载能力所必须具备的。液压系统承受的负载可由主机规格规定，可由样机通过实验测定，也可以由理论分析确定。当用理论分析确定系统的实际负载时，必须仔细考虑它所有的组成项目，例如本例中的龙门液压系统负载为：工作负载（龙门支架以及采样系统重力），惯性负载和阻力负载（采样过程受到摩擦力）等，并且把它们绘制成图。当然，此液压系统由于仅仅是实现压力保持作用的，速度平稳，负载平稳，可以省略不画。
3.2.3 龙门液压系统保压回路
根据系统设计要求以及工况分析，拟定本液压系统为保压回路。保压回路的功用是使系统在液压缸不动或仅有极微小的位移下稳定的维持住压力。即在一定时间内使龙门导轨稳定的保持在一定高度上。
最简单的保压回路是使用密封性能较好的液控单向阀的回路，但是阀类元件处的泄漏使这种回路的保压时间不能维持很久。而本系统为采样机的龙门液压系统，通常情况下，一次采样工作会对整个车厢的数十个不同深度不同位置的采样点进行采样，总工作时间包括：采样点定位时间、采样时间以及由于突发事件（采样头遇异物，机械故障灯）耽误的
时间，少则几十分钟，多则一两个小时。因而，应根据要求设计一个能长久保持压力的液压回路。综上所述，本液压系统回路图如图3-1：
图3-1 龙门液压系统
该系统是一种采用液控单向阀和电接触式压力表的自动补油式保压回路。其中元件5为单作用缸，其活塞控制龙门支架升降；1为溢流阀，溢流阀是通过阀口的溢流，使该回路的压力维持恒定，实现稳压的作用，当系统因为油路堵塞或其他原因而导致压力增大时，溢流阀打开，使液压油回流入油箱而保护回路。3为液控单向阀，当控制口X处无压力油通入时，它的工作机制和普通单向阀一样，压力油只能从A通口流向B通口，不能反向倒流；当控制口X有控制压力油时，会把单向阀的阀芯上顶，使得油液可以再两个方向自由流通。
当采样机开始工作时，主控制系统控制该液压回路启动。该液压回路的工作原理为：回路启动后，首先2—换向阀接入回路，7—液压缸的下腔成为压力腔，在压力到达预订上限值时（该压力预订上限值为主控制系统中由载煤车厢高度计算而得到），电接触式压力表4发出信号，使换向阀切换成中位；这时液压泵卸荷，液压缸由3—液控单向阀保压。当液压缸上腔压力由于泄漏等原因，下降到预订下限值时，电接触式压力表又发出信号，使换向阀右位接入回路，这时液压泵重新给液压缸下腔补油，使其压力回升到原值。当预
订的压力下限值与标准值之间的差值设定的很小时，就能实现无极保压，也就是稳压，维持压力很定，维持住采样机龙门导轨的高度恒定。此过程液压油流经6液压泵—2换向阀右位—液控单向阀（A口流向B口）—5单作用缸下腔—2换向阀右位—油箱。
当采样机工作结束时，需要降下活塞，使龙门导轨回复原位。这是只需由主控制系统控制换向阀左位接入回路，液压油路流经6液压泵—2换向阀左位—5单作用缸上腔—液控单向阀（B口流向A口）—油箱。
3.3 采样机构液压系统设计
本设计中,采样机的采样机构的液压系统设计无疑是最重要的一环。由于本论文有对多种工况下的采样需求，即不论在干燥天气和潮湿天气下，采样机都能顺利进行采样，这就对采样机的采样机构液压系统提出了新的要求。根据不同煤质，相应设定进给速度和旋转速度，方能适应不同工况下对煤的采样。其中，采样头的旋转速度可以由主控制系统控制主运动电机的转速调节，而进给速度则需要通过液压系统进行调节。
3.3.1 工况分析
本设计为控制采样机构的采样头伸入煤粉中进行采样，然后收回采样头的液压系统。它的工作过程分为共六部分：快进，工进，停留，慢退，快退，停止。当确定好采样位置后，首先由主控制系统控制小车和前轮的移动定位好了采样点X、Y坐标，并把采样机构移动到了相应位置。液压系统启动后，首先由主液压缸推动活塞下移，带动旋转中的采样头下降到煤层表面，此过程中因为没有阻力，采样头的进给速度和旋转速度均很快，为“快进”阶段；当采样头继续向下移动时，由于采样头已经深入了煤层，将会受到煤层的阻力，则此时采样头的进给速度将会变慢，同时旋转速度也变慢，此过程为“工进”；当采样头下降到预定的采样点Z坐标时，采样头会在此处停留一段时间，此时会完成打开采样头的拉门，并采集煤样的过程，当煤样采集完成后关闭拉门，此过程为“停留”阶段；当采样完成后，由于此时采样头依然深入在煤层中，受到的阻力会很大，所以采样头依然会以很小的进给速度上移（注：由于P=fv，当输出功率一定时，进给力越大，进给速度越小），此过程为“慢退”阶段；而当采样头完全脱离煤层表面时，由于采样头周围没有了煤粉的阻力，所以采样头的进给速度将会增大，旋转速度亦增大，此过程为“快退”阶段。
以上每个阶段的始末，都由主控制系统控制，并且液压系统中会有很多行程开关，压力传感器，位置传感器等控制元件。
3.3.2 采样机液压系统
根据系统设计要求及工况分析，本液压系统为速度换接回路。速度换接回路的功用是使液压执行机构在一个工作循环中从一种运动速度变换成另一种运动速度的回路。本设计中，分别在在快进变换工进的过程中，慢退变换快退的过程中涉及到速度换接。速度换接回路的控制元件通常为行程阀，活塞碰到行程阀后会改变液压回路路线；执行元件当然是调速阀，通过改变流入液压缸中的流量来控制液压缸推动活塞的速度。
本液压系统要求有快速运动过程，包括快进和快退两个部分，快进回路的功用是加快工作机械空载运行时的速度，以提高效率，而通常快进回路都是由液压缸差动连接来实现的。差动连接的特点在于出油口的油能流回进油口而加大活塞缸的流量以达到提高速度的目的。
综上所述，本次设计的采样机构液压系统回路图如图3-2：
图3-2 采样机构液压系统
元件名称：1—背压阀 2—顺序阀 3—单向阀 4—工进调速阀（工况1）
5—慢退调速阀 6—单向阀 7—液压缸 8—行程阀
9—电磁阀 10—工进调速阀（工况2） 11—先导阀
12—换向阀 13—单向阀 14—液压泵 15—过滤器
16—行程阀 17、18—单向阀
1—背压阀的作用是控制系统压力，当系统压力过大时自动打开卸荷。
2—顺序阀的作用是根据系统压力控制油路。当系统压力不大时，顺序阀关闭，一旦系统压力升高，则顺序阀打开。
3、6、13、18—单向阀的作用均为使油路单向导通。
4、5、10—工进调速阀的作用是通过调节流量来改变速度。当采样工况为干燥条件时，煤样的阻力增大，则需要调节进给力增大，这就需要在回路中接入2个调速阀使进给速度变小；当采样工况潮湿时，煤阻力减小，则进给力可相应调小，进给速度增大，只接入4—调速阀一个即可。
11、12—先导阀和换向阀，二者组合在一起使用即为电液动换向阀，并且二者换位机能相同。电磁铁先导控制，液压驱动，阀芯移动速度可分别由两端的节流阀调节，能使系统中执行元件得到平稳的换向，达到平稳换接速度的目的。
8、16—行程阀的作用即为控制改变回路路线。
采样液压系统动作循环表见表3-1:
表3-1 采样液压系统动作循环表
3.3.3 采样液压系统工作原理
当采样头快速进给时，电磁铁1YA通电，换向阀12左位接入系统，顺序阀2因为系统压力不高，仍然处于关闭状态。这时液压缸7作差动连接，变量泵14输出最大流量。系统中油液流动的情况为：
进油路： 变量泵14—单向阀13—换向阀12（左位）—行程阀8（左位）—液压缸7
左腔；
回油路： 液压缸7右腔—单向阀17—换向阀12（左位）—单向阀3—行程阀8（左位）—液压缸7左腔。
一次工作进给到煤层表面处，挡块压下行程阀8时开始。这时系统压力升高，顺序阀2打开；变量泵14自动减小其输出流量，以便与调速阀4的开口相适应。系统中油液流动情况为：
进油路： 变量泵14—单向阀13—换向阀12（左位）—调速阀4—电磁阀9（左位）—液压缸7左腔；
回油路： 液压缸7右腔—单向阀17—换向阀（左位）—顺序阀2—背压阀1—油箱。 当采样头到达预定采样点时，不再前进，系统压力升高，此时系统设定一个压力值，停留一段时间采样完成后，系统到达指定压力值时，电磁铁1YA断电，2YA通电开始。这时系统压力会下降，采样头慢慢上升。此时油液流动情况为：
进油路： 变量泵14—单向阀13—换向阀12（右位）—单向阀18—行程阀16（左位）—调速阀5—液压缸7右腔；
回油路； 液压缸7左腔—单向阀6—换向阀12（右位）—油箱。
当采样头上升至煤层表面时，挡块压下行程开关16，右位接入回路，由于少了调速阀，变量泵流量自动增大。此时油液流动情况为：
进油路： 变量泵14—单向阀13—换向阀12（右位）—单向阀18—行程阀16（右位）—液压缸7右腔；
回油路； 液压缸7左腔—单向阀6—换向阀12（右位）—油箱。
当采样头回到原位时，挡块压下终点开关，电磁铁2YA和3YA同时断电，此时换向阀12处于中位，液压缸7两端封闭，采样头停止运动。此时，液压回路为：
卸荷油路： 变量泵14—单向阀13—换向阀12（中位）—油箱。
3.3.4 采样液压系统特点
1）系统采用了“限压式变量叶片泵—调速阀—背压阀”式调速回路，能保证系统稳定的低速运动和较好的速度刚性和较大的调速范围。
2）系统采用了限压式变量泵和差动连接式液压缸来实现快进，能量利用比较合理。采样头停止运动时，换向阀使液压泵在低压下卸荷，减少能量损耗。
3）系统采用了行程阀和顺序阀实现速度换接，不仅简化了油路，且动作可靠，换接精度亦比电器控制式高。
第四章 采样头设计
4.1 采样头的设计要求
我们知道，欲采取表层的煤样并不困难，而我们想要所采样品的代表性好，就必须考虑到各种因素，所设计的机械必须能够采取到整个车厢的任一点深度的煤样，这也是采样头设计中最为重要，同时也是最为基本的问题。同时，因为当采样头在煤表层插入时，不可避免地肯定会接触煤表层的煤样，当采样头继续下降到指定高度进行采样时，所采取的煤样中或许就包含了表层的煤样。如一些螺旋叶片采样头，设计时把叶片延螺旋杆方向成一定角度，靠叶片与螺旋杆组成的采样头结构就会不可避免的出现采样不准确的问题。如何保证采样头能避开表层乃至中途的煤样，完全采集指定采样点的煤样，这为本设计提出了重要的要求。
本设计中的最重要的要求为，在多工况下对煤样的采集。因为现在市面上的采样机，大多数只适应一种工况，即正常气温条件下，对干燥状态的煤样进行采集。这种采样机的适应范围小，实用性差，一旦遇到阴雨天气，煤样潮湿多水的情况，采样机便由于采样头对煤样的大黏度而不适应导致无法正常工作，继而换由人工采样。这样既耽误了劳动力，降低了生产效率，失去了自动采样机的意义。
为了适应对多工况下的煤粉进行采样，有些设计中增添了采样头的更换装置。其中有的是手动更换采样头，有的是自动转换采样头。手动更换采样头，由于耗费的劳动力大，而且有一定的危险，此方法不合适。自动更换采样头的装置，虽然完全自动化，但其采样头的结构会变得复杂，会增大采样机构液压系统的负载。这又是采样头设计过程中面临的一大问题。
4.2 采样头结构设计
4.2.1 楔形采样头
欲采取汽车车厢顶部表面以下某一深度处的煤，且所采的煤样不能包括煤表层部分的煤样，这时一个难点。为了解决这一问题，我们设计了一楔形液压驱动的采样头，避免了上述的问题。采样头的主运动为由液压缸驱动的上下进给以及由主运动电机驱动的旋转。 当采样头进给到煤层表面时，由于受到煤的阻力，所以进给力变大，进给速度变小，同时由于受到水平方向的阻力，旋转速度也将变小。由于采样头的楔形结构，当它旋转时，楔形拉门两侧的煤粉将会被排挤到楔形体的两侧，被排挤煤粉延拉门楔形表面向上移动，此过程中楔形拉门受到比较大的摩擦阻力和压力，应采取相应措施增大其耐磨性能。
4.2.2 破碎头
采样头的端部安装破碎头装置是十分必要的。当遇到冻煤或大块煤、矸石等高硬度的块状物体，其头部镶嵌有多种形状的合金刀刃的破碎头,不仅能适应冻煤采样,而且能将遇到的大块煤破碎采出,进一步保证了所采煤样的代表性。对破碎头的要求，最基本的是其必须有高的硬度和强度，并且可以每一段时间进行更换，保证其顺利的工作。
由于采样头在进给过程中有旋转动作，在其端部安装有破碎头后，不仅能增大采样头的破坏力，减小煤样对采样头的阻力，减小液压系统的负载。如有需要，可另外在采样头的楔形拉门出安装多个破碎头。
4.2.3 双拉门结构
本设计中最大的特色便为此双拉门结构的采样头。对于多工况下煤粉采样机的设计，显然单一功能的采样头难以达到此要求，所以解决的办法就两种，采样头更换装置以及多功能一体采样头。由于采样头的更换装置结构复杂，实用性不强，推荐选用多功能一体化采样头。采样头模型如下图4-1：
图4-1 双拉门式采样头
1—拉杆 2—连杆 3—拉门一 4—破碎头 5—拉门二 6—储样室
此采样头为左右对称结构，两个拉门由不同材料形成，具有不同的功能。拉门一为高强度高硬度合金材料拉门，适应在干燥天气，对湿度不大的煤进行采样。拉门二为耐磨性，耐腐蚀性，防滑性能好的复合材料拉门，适合在潮湿天气时，对湿度大，黏度大的煤样进行采样。每次采样时，当采样头下降到预定的采样点位置，主螺旋杆旋转速度降低，然后由主控制系统控制拉杆下移，带动连杆下移，能把拉门拉开，并且由于采样头的旋转，使得煤样会自动进入储样室，并且其中煤样仅仅为此采样点附近的煤样（由于其他时间采样头都保持全封闭状态），保证采集的煤样的代表性与准确性。而当潮湿天气，煤样湿度大时，则只需采样时，拉门二打开而保持拉门一关闭即可。每次采样必须保持有且仅有一个拉门开启。
第五章 总结及展望
5.1 总结
本文中设计的车载煤采样机有如下特点：
一、采样车摒弃了从前的半固定模式采样机，操作灵活方便
二、本采样车的长度和高度可调，工作时按需要调整到最适合的大小采样，平时回复到最小状态，节省空间，提高效率。
三、本文中设计的多功能一体化双拉门式采样头可适应在多种工况下对煤粉的采样，包括干燥条件下，对高硬度的煤块采样，以及潮湿条件下对高粘度的煤粉采样，而且不需要更换采样头。
四、本采样机的液压系统能保证系统稳定的低速运动和较大的调速范围。
五、本采样机的主控制系统集中在主控制室，既能控制采样机的移动定位，同时也能控制采样点的定位，方便了操作人员的统一操作。
5.2 展望
以前,由于受科学技术发展程度的限制,煤矿生产的机械化和自动化程度不高,绝大部分工作要靠人力来完成。煤矿上工作条件艰苦,环境恶劣,工作强度大,而且采样的科学性,即所采样品的代表性不高。随着科学技术的发展,特别是机械技术的发展,煤矿在开采、运输、检验等环节中的机械化、自动化程度不断得到提高,自动化煤粉采样机的使用将会越来越普遍，其结构、形式、用途也将越来越多样化。
本设计为多工况煤粉采样车，虽然采样的自动化程度已经比较高，替代了以前人工采样，单依然需要有人在主控制室对采样的整个过程进行操控。并且，采集到的煤样还需要
运送到其他地方进行样品的化验以确定其各项指标。相信，随着科学技术的发展，未来采样机一定能完全脱离人的操作，全部由计算机程序操作整个采样过程，由机械部件执行，并且能实现采样、制样、化验分析一体化的全自动煤粉采样机，更快推动整个国民经济的发展。
参考资料：
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[3] 《车载精煤自动连续采样机的研制》曹鸣等 （山西机械 1999年 增刊）。
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University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China。
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[8] 《火车煤采样机性能分析》郭铁桥 （煤矿机械 2003年 第4期）。
[9] 《采样机的整机设计》陈秀梅等 （煤矿机械 2005年 第4期）。
[10] 《自动带式采样机的设计》王欣等 （矿山机械 2005年 第11期）。
[11] 《自动采样机在入厂原煤采制中的应用》王红燕等 （煤质技术 2008年 第6期）。
[12] GB 475—1996,商品煤样采取方法[S]。
[13] CHEN Tian-sheng, QIU Jia-yan,etc. Discussion on checking of mechanical
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Boiler.[R]. Datang International Zhangjiakou Power Plant, Zhangjiakou 075133, China。
[15] 《自动采样机在邯郸洗选厂的应用》李国生等 （煤质技术 2007年 第6期）。
[16] ZHAO Wei-feng,etc. Application of Automatic Sampler in Zhangji Coal
Preparation Plant.[R]. Zhangji Coal Mine, Huainan Mining Industry Group, Huainan 232100, China.
致谢：
四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。本文是在我的导师花广如老
师的谆谆教诲和悉心指导下完成。花老师在学术上有着严谨的科研作风，实事求是的治学态度，并时刻能够把握最新科技的前沿，了解当今世界顶级研究动态，让我受益匪浅，花老师生活上平易近人，和蔼可亲，令我钦佩不已，是我学习和生活中的榜样；花老师渊博的知识、严谨的作风、高度的责任感以及忘我的工作热情，将永远激励我在以后的学习科研中开拓进取、奋发向上。在毕业设计研究之中，花老师给了我最及时和最有效的指导，这使得我最终克服各种困难，顺利地完成了论文。花老师一直鼓励我提高自己的综合素质，并给我创造了许多锻炼的机会，让我在实际锻炼中不断进步。在此，谨向我的导师表示最崇高的敬意和最衷心的感谢。
在此尤其要感谢魏星同学，感谢他不厌其烦的帮助我进行细节设计，感谢他为我推荐参考书籍、论文。同时，我还要感谢我的舍友，感谢他们在我进行毕业设计过程中不断给我无私的关怀和帮助，对我遇到的迷惑和不解给充分的解答和说明，使我的知识面和科研能力得到很大的提高。她们对本文的完成以及修订提供了很多的宝贵的指导意见，并提出了修改方案，感谢她们所做的工作。
感谢我的所有朋友，多年来一直对我进行鼓励和支持，使我端正了学习和生活的态度，使我有恒心有毅力在学习和科研的道路上不断进步。感谢机械系所有的同学，四年来对我无微不至的照顾和的关怀，伴我度过充实而美好的大学时光。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。
最后，深深感谢我的亲人对我的一贯关心、爱护和帮助，他们的支持、理解和鼓励是我努力完成学业的精神支柱，父母的殷切期望是我前进的最大动力。
毕业设计结束了，通过设计，我深刻领会到基础的重要性，毕业设计不仅仅能帮助我们检验大学四年的学习成果，更多的是毕业设计可以帮助我们更加清楚的认识自我，磨练意志与耐性，这会为我们日后的工作和生活带来很大的帮助。
毕 业 设 计(论文) `
题
目：多工况下煤质采样机设计
院 系 机械工程系
专业班级 机械设计专业0802班 学生姓名 张衍
指导教师 花广如
二○一二年六月
目 录
第一章 绪论 ................................................................. 1
1.1 研究的目的和意义 .................................................... 1
1.2 采样机的种类 ........................................................ 2
1.3 国内外研究现状 ...................................................... 3
1.4 本文主要设计内容 .................................................... 4
1.4.1 设计任务要求 ................................................... 4
1.4.2 设计内容 ....................................................... 4
第二章 工作原理 ............................................................. 5
2.1 设计提出 ............................................................ 5
2.2 方案比较 ............................................................ 5
2.3采样机结构 ........................................................... 6
2.4工作原理 ............................................................ 11
第三章 液压系统设计 ........................................................ 12
3.1 液压系统设计原则 ................................................... 12
3.2 龙门液压系统的设计 ................................................. 12
3.2.1 液压缸设计中应注意的问题 ...................................... 13
3.2.2 工况分析 ...................................................... 13
3.2.3 龙门液压系统保压回路 .......................................... 13
3.3 采样机构液压系统设计 ............................................... 15
3.3.1 工况分析 ...................................................... 15
3.3.2 采样机液压系统 ................................................ 16
3.3.3 采样液压系统工作原理 .......................................... 17
3.3.4 采样液压系统特点 .............................................. 18
第四章 采样头设计 .......................................................... 19
4.1 采样头的设计要求 ................................................... 19
4.2 采样头结构设计 ..................................................... 19
4.2.1 楔形采样头 .................................................... 19
4.2.2 破碎头 ........................................................ 20
4.2.3 双拉门结构 .................................................... 20
第五章 总结及展望 .......................................................... 21
5.1 总结 ............................................................... 21
5.2 展望 ............................................................... 21
参考资料： ................................................................. 22
致谢： ..................................................................... 22
多工况下煤质采样机设计
摘 要
随着现代化工业的发展,各水泥厂、电厂等用煤大户为了达到生产过程自动控制入炉煤水分、灰分、发热量的高精确度要求,对原煤需要采样化验成分。以前，通常的采样手段为人工采样，但人工采样时，往往受采样工具、人为因素等影响，不但浪费了大量的劳动力，所采煤样代表性也不是很强。用自动机械化采样机代替人工采样，则能保证采样的及时、准确、代表性。
本文中，首先进行了采样机的结构设计。由于考虑到采样机的灵活性和适应性，本采样机的主体结构为车载可移动式龙门采样机。工作时，采样机龙门横跨载煤车厢，龙门导轨上装有可移动的小车，小车承载的采样机构对车厢的任意位置进行采样。 本采样机的最大特色为，多工况一体化拉门式采样头。能分别满足在干燥、雨雪天、和煤湿度较大等工况下都可以对煤质进行采样的要求，即主控制系统能控制在不同工况下采样头拉开不同的拉门，每个拉门的材料根据不同工况下采样头的受力特性选择。且采样点可以是载煤车厢内的任意位置。
关键字：煤；采样机；结构设计；多工况；采样头。
Multi-condition coal sampling
machine design
Abstract
With the development of modern industry, cement plants, power plants and other coal big into the furnace in order to achieve the automatic control of the production process of coal moisture, ash, heat, high accuracy requirements, raw coal sampling laboratory component. Previously, the usual sampling means for manual sampling, manual sampling, often subject to sampling tools, human factors, not only wasting a lot of labor, the coal sample representativeness is not strong. Automatic mechanical sampling machine instead of manual sampling, to ensure timely, accurate and representative sampling.
This article, the structural design of the sampling machine. Take into account the flexibility and adaptability of the sampler, the sampler, the main structure of the vehicle movable gantry sampling machine. Work, sampling machine gantry across the board coal compartment, removable car is equipped with a gantry rail car carrying the sample institutions anywhere compartment sampled.
The most prominent feature of this sampler for the integration of multiple loading conditions the sliding door sampling head. Can satisfy the sampling requirements of coal in dry, rain and snow, and coal, humidity and other conditions, that is the main control system can control the sampling head pulled in different conditions of different sliding door a sliding door of the material characteristics according to different operating conditions by sampling the first choice. And the sampling point can be anywhere in the carrier of coal inside.
Keywords: coal; sampling machine; structural design; multiple loading conditions; sampling head.
第一章 绪论
1.1 研究的目的和意义
随着现代化工业的发展,各水泥厂、电厂等用煤大户为了达到生产过程自动控制入炉煤水分、灰分、发热量的高精确度要求,推动自动采样制样系统的快速发展。采样机是自动采样制样系统中最关键的设备,直接影响系统的成功与否。
钢铁生产需要多种原燃料，如铁矿粉(精粉、粗粉)、铁合金(硅铁、锰铁、妮铁、钒铁等)、各种辅料(石灰石、白云石、萤石、蛇纹石)及燃料(煤、焦炭)等。这些原燃料的质量，特别是原燃料的品位，不仅是制定冶炼生产工艺参数的重要依据，也决定着该产品的价格。可见，任何偏差都会造成生产工艺参数和采购成本的变化。因此，原燃料的检验和管理，是冶金生产过程的先导。科学管理原燃料的检验过程，是提高原燃料检验水平、控制生产成本、指导生产过程的重要措施。
煤炭是一种极不均匀的大宗物料,怎样采集到具有代表性的样品进行质检,这对于大宗物料的煤炭质量作出准确的评估是至关重要的。由于技术水平的关系, 20世纪,燃煤发电厂多采用人工采集煤样,但随煤炭商品市场化进程的加速,商品的交易渠道日益多元化,使得消除人为参与的机械化采样装置越来越受广大电厂的青睐,自动化机械采样机越来越普遍,但至今为止还未有有关机械采样机的国家级验收规程颁布。故对于占整个煤炭质检误差80%的采样系统的性能评价自然就成为人们关注的焦点。
随着煤炭商品市场化程度的提高,有关商品煤质量的仲裁事件逐渐增多。通过分析认为,导致供需双方发生纠纷的焦点在于对GB 475—1996《商品煤样采取方法》的不同理解和执行方面。商品煤的采样、制样、化验整个煤质检验过程中,产生误差率最高的是采样,其次是制样,最后是化验。在煤质检验过程中,采样是最基础的工作,也是最重要的工作。因此,使用自动采样机采取商品煤的煤样方法显得尤为重要。自动采样机与手工采样相比,具有规范、快捷、安全、可靠、减轻劳动强度等优点,实现了人工采样向自动化采样的重大转变。 国家煤炭质量监督检验中心(原煤炭科学研究总院煤炭分析实验室)是目前国际上为数不多的规模大并具有雄厚技术实力和权威的煤炭检验机构;是全国煤炭标准化技术委员会检测方法分技术委员会秘书处和国际标准化组织固体燃料技术委员会(ISO /TC 27)国内技术归口单位,每两年代表中国参加ISO /TC 27标准化会议。从20世纪50年代初开始一直从事煤炭检验及其相关标准的制、修订及煤炭检验仪器的性能鉴定工作。
国家标准GB /T 19494—2004《煤炭机械化采样》参照国际标准ISO 13909《硬煤和焦炭-机械化采样》起草制定的,已于2004年10月1日实施。该标准分三个部分:采样方法、煤样的制备、精密度测定和偏倚试验。
煤炭采样机系统的普遍使用,一方面大大降低人工采制样的劳动强度,同时也在一定程
度上消除了煤炭采制过程中的人为因素,理论上使煤炭贸易更加公平公正。但采样机系统如果不进行偏倚试验和精密度测定试验,可能会产生较大的采样偏倚,且无法确立科学合理的采样方案。
采样精密度表征采样机所采样品的随机误差,而采样偏倚表征采样机所采样品的系统误差;在某些情况下,采样偏倚更为重要。若采样精密度符合贸易各方或国家标准要求,只有当采样机系统采样无实质性偏倚时,采样机才能采取到具有代表性的煤样,才能保证煤质分析结果科学、准确。
1.2 采样机的种类
采样机（自动取样机）是为了从一批物料中获得一个其试验结果能代表整批被采样物料的试样，所采用的一种装置。采样机的种类很多，不同的行业、不同的场所采用采样机的结构形式也不同。一般按照结构形式及使用场合，大体可分为：车厢（汽车、火车）采样机、管道采样机、皮带采样机（头部、中部）等。一般用于散装物料（如煤炭、矿石、粮食等）输送、转运过程中的取样。
在煤样的采制化过程中，煤样的采取是采制化中的重要环节，煤样是否有代表性，煤样的采取是关键。人工采样时，往往受采样工具、人为因素等影响，所采煤样代表性不是很强，用自动机械化采样机代替人工采样，完全满足国标要求。既保证了采样时间、子样数目、子样重量等，又确保了横截煤流全断面的采取，使煤样具有代表性。同时消除了人工采样的安全隐患，减轻了职工的劳动强度，解决了人为因素等的影响，提高了产品质量检验的准确度，为及时指导生产，保证煤产品质量，发挥煤质技术检查“及时、准确、有代表性”起重要作用。
采样器械可分为人工采样机和机械采样机2类,与人工采样机相比,机械采样机不仅可以节省人力、物力,更主要的是采样时间间隔短,频率高,样品更具代表性,目前所采用的机械采样机都是按照断流取法原则,从全断面物料中采出试样,按其截流方式可分为:直线运动式采样机、钟摆运动式采样机、回转运动式采样机。
采样机（自动取样机）是为了从一批物料中获得一个其试验结果能代表整批被采样物料的试样，所采用的一种装置。此类设备一般根据现场条件具体设计、成套使用，通常由采样机、样品输送设备、破碎设备、缩分设备、弃料处理设备、电控系统等组成[5]。
采样机的种类很多，不同的行业、不同的场所采用采样机的结构形式也不同。目前所采用的机械采样机都是按照断流取法[6]原则,从全断面物料中采出试样,按其截流方式可分为:直线运动式采样机、钟摆运动式采样机、回转运动式采样机。按照结构形式及使用场合，大体可分为：车厢（汽车、火车）采样机、管道采样机、皮带采样
机（头部、中部）等。一般用于散装物料（如煤炭、矿石、粮食等）输送、转运过程中的取样。
● 车厢（汽车、火车）采样机
汽（火）车入厂煤采样机是针对运煤汽车、火车采样而设计的机械化采样设备。该设备集采样、破碎、缩分、集样于一体、结构合理、运行可靠、操作方便。采样制样工艺过程符合GB19494（对于煤炭）国家标准。适用于电厂、煤矿、煤码头等进行煤质检验采样的场合[7]。
汽车入厂煤采样机主要由采样头（螺旋钻取式采样机）、给料机、破碎机、缩分集样器、余煤处理系统组成。首先由钻取式螺旋采样机提取煤样，通过密闭式给料送入破碎机，破碎后进入缩分集样器，通过缩分的煤样进入集样器，多余的煤样由余煤处理系统返排回汽车或直接排回煤场[8,9]。
● 管道采样机
一般安装在管道侧壁用于从管道中采取一定量的流动的物料作为样品。有螺旋式、活塞式、插管式等等。常用语小颗粒物料或者粉料、浆液的取样。
● 皮带采样机
由中部（头部）采样机、给料皮带机、破碎机、缩分器、样品收集器、弃料返回系统、控制系统组成。 皮带中部、头部自动采样机完全满足国标要求。对所采煤样的水分、粒度无特殊要求；采样间隔（时间、质量）可由定时控制器或程序设定。为安全起见，皮带中部采样机一般用于物料堆比重1.6t/m3以下的散装物料[10]。
采样装置按设定的时间从皮带上做全断面刮扫，采取的子样通过溜槽进入初级送料皮带机，同时把样品均匀送入破碎机破碎到一定的粒度（一般6~13mm），再通过次级皮带及缩分器分成留样和弃料，留样被自动收集在储料罐中，弃料被斗式提升机返回到皮带。
1.3 国内外研究现状
最近几年来，随着国家宏观经济政策的调整，煤炭作为焦化厂最主要的原材料，其价格一直居高不下。同时由于电煤供应日趋市场化、多元化，造成煤质波动幅度增大，煤种杂、入炉煤质控制难度加大，使发电厂锅炉燃煤偏离设计煤种，锅炉稳定燃烧受到破坏，引发的设备缺陷明显增多，严重影响了锅炉安全经济稳定运行。火力发电行业的煤炭逐步全面推向市场，价格也随之开放，煤炭的费用在火力发电厂的成本已占70-80%的份额。因此，对煤炭的管理，已也引起火力发电行业的高度重视。因此，煤的经济性成了国内各燃煤企业重点考核指标。
为了考评燃煤经济性，对入厂煤进行采样后以质论价几乎成了所有厂家的最常用的控制措施。从80年代起，入炉煤采制样设备得到了高速发展;进入90年代，入场煤采制样设备(汽车入场煤，火车入场煤)从无到有，从不完善正走向定型和完美。自
动化技术在入场煤采制样设备的广泛运用，极大地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，显著地改善了工人的工作环境和提高了工人的工作效率。
目前国内自行设计的采样装置大致分为龙门式和悬臂式[3]两种, 且国内专利仅有两家。通过对多个厂家的考察,发现我国自制的采样装置普遍存在采样深度不够,从而造成煤样含水量指标检测不准的缺陷,因此国内许多厂家仍以使用国外引进的采煤样机为主,如:湖北青山电厂采用美国进口的PSI螺旋煤样取样系统,丹东华能电厂采用澳大利亚MCI的全元素在线分析系统等[4]。而国外的采样设备存在功能多、造价昂贵、使用后浪费大量功能、容易形成大马拉小车等弊端。
过去人工采样时，往往受采样工具、人为因素等影响，所采煤样代表性不是很强[1]，用自动机械化采样机代替人工采样，完全满足国标要求。既保证了采样时间、子样数目、子样重量等，又确保了横截煤流全断面的采取，使煤样具有代表性。同时消除了人工采样的安全隐患，减轻了职工的劳动强度，解决了人为因素等的影响，提高了产品质量检验的准确度，为及时指导生产，保证煤产品质量，发挥煤质技术检查“及时、准确、有代表性”起重要作用。
1.4 本文主要设计内容
1.4.1 设计任务要求
本论文题目为《多工况下煤质采样机设计》，主要对汽车运输煤的采样机设计。针对目前汽运煤在入场前进行采样时，通常采样机只能对较干燥的煤进行取样，当湿度过大或雨天就只能由人工来进行采样的问题，进行改进性设计，新设计的采样机必须能够满足在干燥、雨雪天、和煤湿度较大等工况下都可以对煤质进行采样要求，采样可以在卡车车厢内任意位置进行。在完成系统整体设计的基础上，重点完成采样头的选材和结构设计等；如果单一采样头不能实现全天候工况，可以考虑设计多个采样头，分别适应不同的工况，但需要考虑采样头更换的快捷性。
1.4.2 设计内容
首先确定车载采样机的形式，经比较，选择龙门式采样机。
设计采样机的三相移动方式，以便实现采样可以在卡车车厢内任意位置进行采样，确保采样的全面性。
设计每相移动的驱动方式，如螺旋驱动，液压驱动，电机驱动，丝杠驱动，涡轮蜗杆驱动等，进行方案比较。
进行采样头设计，以满足多工况下煤质采样的要求，是否设计多个采样头以及其更换形式，抑或设计多功能单个采样头。
进行液压控制系统设计，PLC控制系统设计等，形成完整的采样系统。
绘制多工况车载采样机的整体PROE设计图。
第二章 工作原理
2.1 设计提出
随着我国经济的飞速发展, 能源供应日益紧张, 各火力发电厂满荷运行, 大量燃煤需要进行入厂检验, 为此急需研制汽车入场煤采样机, 替代目前国内汽车入场煤人工采样, 即装满煤的汽车进入电厂后, 不再由人工进行采样检验, 而是由“汽车入场煤采样机”进行随机采用, 自动检验。该产品在降低工人劳动强度的同时, 极大的提高了物料采制样工作效率, 保证检验结果的客观公正性。机械采样与人工采样比较, 不但安全可靠, 劳动强度小, 工作效率高, 而且采样随机性强, 更符合国家标准的要求, 不会受人为因素的影响。车载煤采样机的设计研发势在必行。
现代焦化厂往往由多个供应商供应全厂的各种用煤，供应商多数采用汽车进煤。精确的确定煤的发热量、水份、灰份和其他杂质尤其重要，因为即使是很小的差别也有可能在一段时间内造成很大的损失。同时，采样机也是煤矿企业用于商品煤采样的机械，要求从煤流中，火车，汽车，船上以及煤堆上采取煤样，然后加以分析，以确定煤的各种特性，用此分析结果确定合同价格，并根据要求将采样机进行了运动动作分析，对其进行了整机的结构设计。在设计采样时，不但注意了如何使物料连续通过采样设备，注意了如何保持水分不损失，并且还注意了如何避免粉尘的散失，在设计采样装置时要充分考虑到以上因素。
为了保证采样的全面性和公正性，使得采样点必须覆盖整个车载煤的任意坐标，即采样头可以上下左右前后三相移动；为了使采样机简单方便，操作灵活，需要设计三相的运动装置。为了适应多工况下的煤粉采样，即干燥状态下和潮湿状态下都能准确的采样，必须设计采样头换刀装置或多功能一体采样头。
2.2 方案比较
当今车载煤采样机大多数都为固定式采样机，即采样机安装在固定的导轨上，载煤车行驶入采样机下方，采样机大车可沿车道导轨前后移动，大车顶部有横梁可供小车左右移动，搭载采样头升降移动实现对车载煤的任意位置采样。固定式采样机有其优点，操作简单方便但缺乏灵活性，有些时候载煤车厢行驶困难，增加了采样时间并且增大了采样费用，
效率不高。为此，本论文设计了可移动式的采样机，采样机大小可调，适应不同车厢，灵活方便。
车载煤采样机的采样装置主要分为龙门式和悬臂式两种，考虑到龙门式车载煤采样机的力学性能以及机械性能好，本例中选用龙门式采样机，龙门上端为一横梁，同时有可供小车移动的轮槽，使小车在龙门中左右移动定位。龙门两端的支架为可升降支架，初始状态为最低点，节省空间；当工作时可根据载煤的车型高低升降龙门。
龙门中小车的驱动形式主要分为液压传动和螺纹传动。由于小车的行驶范围为整个车厢，若选择液压传动，由液压缸带动活塞推动小车左右移动，则龙门的宽度必须为小车行程的2倍，这增加了龙门的宽度，浪费了空间，不可取。所以本例中选取螺纹传动，由伺服电机连接齿轮减速器，安装在龙门架的一端，减速器的输出轴与龙门架间通过轴承连接涡轮，再与小车螺纹连接，驱动小车并带动左右移动。
本论文设计题目为多工况下车载煤采样机设计，即对采样头有了新的要求，能适应干燥状态下对煤粉采样，也能适用于对潮湿状态下的煤粉采样。当干燥状态时，煤粉间的摩擦力大，就会对采样头有更大的阻力，这要求了采样头必须有高的硬度和耐磨性；而当对潮湿状态下煤粉采样时，煤粉对采样头的阻力变小，但粘度增大，同时煤粉中的许多酸碱性物质溶于水中后会对采样头腐蚀。为了适应两种不同工况下的煤粉采样，就需要设计出两种不同性能的采样头。这就涉及到了换刀式采样头，工作时根据需要更换采样头，但这样做不但使得整个机械的整体变复杂，增加了额外的工作量，而且工作时两个采样头会彼此影响，并且有时会对人和环境造成危险。因此，本文提出了多功能一体化采样头（详见
第四章）。
2.3采样机结构
采样机的整体尺寸：长6米，宽4米，高4米。其中，采样机的宽度为4米，此设计宽度一般能包容下普通车厢，方便龙门驶入车厢采样。车载煤采样机的长度为6米，高度4米，底座上安装有小型电机，驱动前轮承载的龙门沿车道方向移动，范围在6~10米，能覆盖载煤车厢的任意位置。而高4米的龙门因为有液压活塞机构使得龙门可承载小车在4~6米的范围内上下移动，适应了不同高度的车厢采样。同时当采样机不工作的时候可以把小车放到最小状态，节省了占地空间，维护方便。
采样机主要由大车、龙门、小车、采样机构四部分组成。
大车的主要结构部件为：1—主控制室、2—底座、3—后轮（采样机定位）、4—前轮（采样头定位）、5—推杆、6—法兰盘。每个构件的具体作用如下：
1—主控制室的作用为：驾驶多工况采样车定位到指定地点采样；控制龙门支架液压系统使龙门高度变化以适应不同载煤车的大小；并且控制采样头的X/Y/Z三方向运动，即控制底座电机驱动前轮定位采样头Y坐标，控制龙门伺服电机正反转带动小车定位采样头X
坐标，控制采样机构采样头的运动的液压系统定位采样头Z坐标；控制采样头主运动电机带动采样头旋转。2—底座的作用为承载主控制室、龙门以及连接前后轮。3—后轮是整个采样车的驱动轮，主控制室控制后轮行驶，移动到待采样的车厢，使得龙门横跨整个车厢。4—前轮的作用是定位采样头的Y坐标。5—推杆的作用是驱动前轮。6—法兰盘的作用是连接龙门与底座。大车PROE模型如下图2-1：
图2-1 大车结构图
龙门的主要结构部件为：7—机架、8—液压缸、9—伺服电机、10—减速器、11—轴承、12—丝杠、13—导轨。
7—机架的作用是支撑龙门及其附件。8—液压缸的作用是调整龙门的高度以适应对不同高度的车厢进行采样。9—伺服电机的作用是带动丝杠旋转以控制小车延X轴方向运动以定位采样点。10—减速器的作用是调节伺服电机主轴的转速输出给丝杠。11—轴承的作用是连接机架和转动的丝杠。12—丝杠的作用是传递转速，螺旋传动带动小车移动。13—导轨作用为使小车的车轮平稳的运动。龙门PROE模型如下图2-2：
图2-2 龙门结构图
小车的主要结构部件为：14—小车轮、15—车架、16—轮轴、17—螺旋传动孔、18—端盖。
14—小车轮的作用是带动小车平稳移动并减少摩擦力。15—车架的作用是支承整个小车的所有部件。16—轮轴的作用是连接车架与小车轮。17—螺旋传动孔的作用是连接丝杠并传递旋转带动小车移动。18—端盖的作用是连接小车与采样头的连板。小车结构PROE模型如下图2-3：
图2-3 小车结构图
采样机构的主要部件有：19—主运动电机、20—齿轮减速器、21—液压缸、22—推杆、23—法兰、24—主螺旋杆、25—保护箱、26—轴承、27—采样头、28—拉杆、29—拉门、30—连杆。
19—主运动电机的作用是带动主螺旋杆旋转。20—齿轮减速器的作用与元件10相同。21—液压缸的作用是控制采样头延Z方向的运动并定位。22—推杆为液压缸的活塞，传递位移。23—法兰的作用是连接推杆与主螺旋杆。25—保护箱的作用为容纳并保护主运动电机以及齿轮减速器避免碰撞及粉尘污染。26—轴承的作用为连接主螺旋杆与推杆。27—采样头的作用为采集煤样。28、30—拉杆、连杆的作用为控制拉门的开关。29—拉门的作用为控制采样头的开关。采样头PROE模型如下图2-4,采样机构模型如下图2-5：
图2-4 采样头
图2-5 采样机构
采样机整体PROE结构图如下图2-6：
图2-6 采样机整体结构图
2.4工作原理
1）根据待采样车厢的高度大小，在主控制室调节8—液压缸的升降，使得采样机的龙门能跨过整个车厢，并且持续保持此液压工作压力，维持此高度直至采样结束。
2）操作人员进入1—主控制室，驾驶大车至整个龙门和底座延车道方向横跨整个车厢。
3）确定车厢内采样点的个数及每个采样点的三维坐标并输入主控制系统。其中，规定延车道方向为y轴，横向即龙门导轨方向为x轴，竖直向上方向为z轴方向。
4）主控制系统根据输入坐标定位采样点。其中y坐标通过控制底座上的5—驱动电机驱动前轮前后移动定位；x坐标通过控制9—伺服电机的正反转带动小车移动定位；z坐标通过控制22—采样手的液压活塞系统的上下移动定位。
5）由采样头上的19—主运动电机带动20—减速齿轮，使24—主螺旋杆转动，同时控制22—液压活塞下推。采样头运动过程分：启动，快进，工进，停留，慢退，快退；六个阶段，每个阶段采样头的速度不一，当快进时，采样头的速度大，负载小；当工进时，采样机的负载大，则速度小。
6）采样头在车厢煤层中停留期间，主控制系统控制拉门式采样手28—拉杆上提，使得29—采样手拉门被打开，由于主螺旋杆的旋转，则煤样自动进入采样手中，再控制采样
手的拉门关闭，即煤样采集完成。注意，当在干燥工况下应控制干燥拉门采样，当在潮湿工况下应控制潮湿拉门采样。
7）采集完成一个采样点后，小车复位，运行到指定位置倾卸煤样。重复上述步骤直至所有采样点都完成采样。
8)采样手复位，小车复位，大车驶离载煤车厢，龙门高度复位，整个采样完成。
第三章 液压系统设计
3.1 液压系统设计原则
在国内现有的煤质采样机中,其采样头的进给和旋转大多采用机械传动,配合电机的变频调速来调节进给和旋转速度,这种传动方式尽管存在各种问题,但总体上还是能满足采样的基本要求。但是当遇到冻煤、树枝、孤石等物质时,其采样工作就不能正常进行,这是因为遇到不同的采样介质时,对采样头的进给速度和旋转速度有不同的要求,如遇到冻煤和孤石时,需要减小进给速度而提高旋转速度;而当遇到树根时则需自动提高切割头的扭矩;另外煤粒的尺寸和含水量变化时也需要采样头的进给速度和旋转速度做出相应的调整,而这一切在机械传动时是不可能方便实现的。另外因为电流与进给力和扭矩之间的不确定性,也使得其无法用闭环控制来实现二者之间的匹配。
为此,我们认为对采样头的进给和旋转采用液压传动是十分必要的,同时也是一种科学的选择。因为其宽广的无级调速范围、宽广的负载调节能力、平稳的启停要求、低进给力下的强破冻煤能力。这一系列的要求代表了当前煤质采样机的最高水平。只有采用闭环控制的液压传动才能满足使用要求。
3.2 龙门液压系统的设计
在本设计中，采样机为了适合对不同高度的车载煤进行采样，必须对龙门支架的高度可以进行调节，承载龙门横梁的升降，所以在龙门支架上有液压装置控制龙门升降。
液压缸是液压系统中的执行元件，它是一种把液体的压力能转换成机械能以实现直线往复运动的能量转换装置。液压缸机构简单，工作可靠，在液压系统中得到了广泛应用。液压缸按其结构形式，可分为活塞缸，柱塞缸两类。活塞缸和柱塞缸的输入为压力和流量，输出为推力和速度。由于本设计中的液压缸都是一端固定一端移动的，所以选择单杆活塞液压缸。
3.2.1 液压缸设计中应注意的问题
液压缸的设计和适用正确与否，智杰影响到它的性能和易否发生故障。在这方面，经常碰到的液压缸安装不当、活塞杆承受偏载、液压缸或活塞杆的压杆失稳等问题。所以，在设计液压缸时，必须注意以下几点：
1）尽量使活塞杆在受拉状态下承受最大负载，或在受压状态下具有良好的纵向稳定性。
2）考虑液压缸行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题。
3）正确确定液压缸的安装、固定方式。
4）液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽可能做到简单、紧凑，加工、装配和维修方便。
3.2.2 工况分析
欲设计一个液压系统，首先得明确提出系统设计要求。如本设计中的龙门液压系统，它的设计要求便是，在工作期间，龙门支架上的液压缸能平稳的升高到任意规定高度，并且能在一定时间段内保证龙门支架的高度不变，即输出一定的承载力，在一段时间内保持系统一定的压力不变；当工作停止时，液压缸平稳降低回原位。
设计要求明确之后，便是对系统进行工况分析。对液压系统进行工况分析，就是要查明它的每个执行元件在各自工作过程中的运动速度和负载的变化规律。这是满足主机规定的动作要求和承载能力所必须具备的。液压系统承受的负载可由主机规格规定，可由样机通过实验测定，也可以由理论分析确定。当用理论分析确定系统的实际负载时，必须仔细考虑它所有的组成项目，例如本例中的龙门液压系统负载为：工作负载（龙门支架以及采样系统重力），惯性负载和阻力负载（采样过程受到摩擦力）等，并且把它们绘制成图。当然，此液压系统由于仅仅是实现压力保持作用的，速度平稳，负载平稳，可以省略不画。
3.2.3 龙门液压系统保压回路
根据系统设计要求以及工况分析，拟定本液压系统为保压回路。保压回路的功用是使系统在液压缸不动或仅有极微小的位移下稳定的维持住压力。即在一定时间内使龙门导轨稳定的保持在一定高度上。
最简单的保压回路是使用密封性能较好的液控单向阀的回路，但是阀类元件处的泄漏使这种回路的保压时间不能维持很久。而本系统为采样机的龙门液压系统，通常情况下，一次采样工作会对整个车厢的数十个不同深度不同位置的采样点进行采样，总工作时间包括：采样点定位时间、采样时间以及由于突发事件（采样头遇异物，机械故障灯）耽误的
时间，少则几十分钟，多则一两个小时。因而，应根据要求设计一个能长久保持压力的液压回路。综上所述，本液压系统回路图如图3-1：
图3-1 龙门液压系统
该系统是一种采用液控单向阀和电接触式压力表的自动补油式保压回路。其中元件5为单作用缸，其活塞控制龙门支架升降；1为溢流阀，溢流阀是通过阀口的溢流，使该回路的压力维持恒定，实现稳压的作用，当系统因为油路堵塞或其他原因而导致压力增大时，溢流阀打开，使液压油回流入油箱而保护回路。3为液控单向阀，当控制口X处无压力油通入时，它的工作机制和普通单向阀一样，压力油只能从A通口流向B通口，不能反向倒流；当控制口X有控制压力油时，会把单向阀的阀芯上顶，使得油液可以再两个方向自由流通。
当采样机开始工作时，主控制系统控制该液压回路启动。该液压回路的工作原理为：回路启动后，首先2—换向阀接入回路，7—液压缸的下腔成为压力腔，在压力到达预订上限值时（该压力预订上限值为主控制系统中由载煤车厢高度计算而得到），电接触式压力表4发出信号，使换向阀切换成中位；这时液压泵卸荷，液压缸由3—液控单向阀保压。当液压缸上腔压力由于泄漏等原因，下降到预订下限值时，电接触式压力表又发出信号，使换向阀右位接入回路，这时液压泵重新给液压缸下腔补油，使其压力回升到原值。当预
订的压力下限值与标准值之间的差值设定的很小时，就能实现无极保压，也就是稳压，维持压力很定，维持住采样机龙门导轨的高度恒定。此过程液压油流经6液压泵—2换向阀右位—液控单向阀（A口流向B口）—5单作用缸下腔—2换向阀右位—油箱。
当采样机工作结束时，需要降下活塞，使龙门导轨回复原位。这是只需由主控制系统控制换向阀左位接入回路，液压油路流经6液压泵—2换向阀左位—5单作用缸上腔—液控单向阀（B口流向A口）—油箱。
3.3 采样机构液压系统设计
本设计中,采样机的采样机构的液压系统设计无疑是最重要的一环。由于本论文有对多种工况下的采样需求，即不论在干燥天气和潮湿天气下，采样机都能顺利进行采样，这就对采样机的采样机构液压系统提出了新的要求。根据不同煤质，相应设定进给速度和旋转速度，方能适应不同工况下对煤的采样。其中，采样头的旋转速度可以由主控制系统控制主运动电机的转速调节，而进给速度则需要通过液压系统进行调节。
3.3.1 工况分析
本设计为控制采样机构的采样头伸入煤粉中进行采样，然后收回采样头的液压系统。它的工作过程分为共六部分：快进，工进，停留，慢退，快退，停止。当确定好采样位置后，首先由主控制系统控制小车和前轮的移动定位好了采样点X、Y坐标，并把采样机构移动到了相应位置。液压系统启动后，首先由主液压缸推动活塞下移，带动旋转中的采样头下降到煤层表面，此过程中因为没有阻力，采样头的进给速度和旋转速度均很快，为“快进”阶段；当采样头继续向下移动时，由于采样头已经深入了煤层，将会受到煤层的阻力，则此时采样头的进给速度将会变慢，同时旋转速度也变慢，此过程为“工进”；当采样头下降到预定的采样点Z坐标时，采样头会在此处停留一段时间，此时会完成打开采样头的拉门，并采集煤样的过程，当煤样采集完成后关闭拉门，此过程为“停留”阶段；当采样完成后，由于此时采样头依然深入在煤层中，受到的阻力会很大，所以采样头依然会以很小的进给速度上移（注：由于P=fv，当输出功率一定时，进给力越大，进给速度越小），此过程为“慢退”阶段；而当采样头完全脱离煤层表面时，由于采样头周围没有了煤粉的阻力，所以采样头的进给速度将会增大，旋转速度亦增大，此过程为“快退”阶段。
以上每个阶段的始末，都由主控制系统控制，并且液压系统中会有很多行程开关，压力传感器，位置传感器等控制元件。
3.3.2 采样机液压系统
根据系统设计要求及工况分析，本液压系统为速度换接回路。速度换接回路的功用是使液压执行机构在一个工作循环中从一种运动速度变换成另一种运动速度的回路。本设计中，分别在在快进变换工进的过程中，慢退变换快退的过程中涉及到速度换接。速度换接回路的控制元件通常为行程阀，活塞碰到行程阀后会改变液压回路路线；执行元件当然是调速阀，通过改变流入液压缸中的流量来控制液压缸推动活塞的速度。
本液压系统要求有快速运动过程，包括快进和快退两个部分，快进回路的功用是加快工作机械空载运行时的速度，以提高效率，而通常快进回路都是由液压缸差动连接来实现的。差动连接的特点在于出油口的油能流回进油口而加大活塞缸的流量以达到提高速度的目的。
综上所述，本次设计的采样机构液压系统回路图如图3-2：
图3-2 采样机构液压系统
元件名称：1—背压阀 2—顺序阀 3—单向阀 4—工进调速阀（工况1）
5—慢退调速阀 6—单向阀 7—液压缸 8—行程阀
9—电磁阀 10—工进调速阀（工况2） 11—先导阀
12—换向阀 13—单向阀 14—液压泵 15—过滤器
16—行程阀 17、18—单向阀
1—背压阀的作用是控制系统压力，当系统压力过大时自动打开卸荷。
2—顺序阀的作用是根据系统压力控制油路。当系统压力不大时，顺序阀关闭，一旦系统压力升高，则顺序阀打开。
3、6、13、18—单向阀的作用均为使油路单向导通。
4、5、10—工进调速阀的作用是通过调节流量来改变速度。当采样工况为干燥条件时，煤样的阻力增大，则需要调节进给力增大，这就需要在回路中接入2个调速阀使进给速度变小；当采样工况潮湿时，煤阻力减小，则进给力可相应调小，进给速度增大，只接入4—调速阀一个即可。
11、12—先导阀和换向阀，二者组合在一起使用即为电液动换向阀，并且二者换位机能相同。电磁铁先导控制，液压驱动，阀芯移动速度可分别由两端的节流阀调节，能使系统中执行元件得到平稳的换向，达到平稳换接速度的目的。
8、16—行程阀的作用即为控制改变回路路线。
采样液压系统动作循环表见表3-1:
表3-1 采样液压系统动作循环表
3.3.3 采样液压系统工作原理
当采样头快速进给时，电磁铁1YA通电，换向阀12左位接入系统，顺序阀2因为系统压力不高，仍然处于关闭状态。这时液压缸7作差动连接，变量泵14输出最大流量。系统中油液流动的情况为：
进油路： 变量泵14—单向阀13—换向阀12（左位）—行程阀8（左位）—液压缸7
左腔；
回油路： 液压缸7右腔—单向阀17—换向阀12（左位）—单向阀3—行程阀8（左位）—液压缸7左腔。
一次工作进给到煤层表面处，挡块压下行程阀8时开始。这时系统压力升高，顺序阀2打开；变量泵14自动减小其输出流量，以便与调速阀4的开口相适应。系统中油液流动情况为：
进油路： 变量泵14—单向阀13—换向阀12（左位）—调速阀4—电磁阀9（左位）—液压缸7左腔；
回油路： 液压缸7右腔—单向阀17—换向阀（左位）—顺序阀2—背压阀1—油箱。 当采样头到达预定采样点时，不再前进，系统压力升高，此时系统设定一个压力值，停留一段时间采样完成后，系统到达指定压力值时，电磁铁1YA断电，2YA通电开始。这时系统压力会下降，采样头慢慢上升。此时油液流动情况为：
进油路： 变量泵14—单向阀13—换向阀12（右位）—单向阀18—行程阀16（左位）—调速阀5—液压缸7右腔；
回油路； 液压缸7左腔—单向阀6—换向阀12（右位）—油箱。
当采样头上升至煤层表面时，挡块压下行程开关16，右位接入回路，由于少了调速阀，变量泵流量自动增大。此时油液流动情况为：
进油路： 变量泵14—单向阀13—换向阀12（右位）—单向阀18—行程阀16（右位）—液压缸7右腔；
回油路； 液压缸7左腔—单向阀6—换向阀12（右位）—油箱。
当采样头回到原位时，挡块压下终点开关，电磁铁2YA和3YA同时断电，此时换向阀12处于中位，液压缸7两端封闭，采样头停止运动。此时，液压回路为：
卸荷油路： 变量泵14—单向阀13—换向阀12（中位）—油箱。
3.3.4 采样液压系统特点
1）系统采用了“限压式变量叶片泵—调速阀—背压阀”式调速回路，能保证系统稳定的低速运动和较好的速度刚性和较大的调速范围。
2）系统采用了限压式变量泵和差动连接式液压缸来实现快进，能量利用比较合理。采样头停止运动时，换向阀使液压泵在低压下卸荷，减少能量损耗。
3）系统采用了行程阀和顺序阀实现速度换接，不仅简化了油路，且动作可靠，换接精度亦比电器控制式高。
第四章 采样头设计
4.1 采样头的设计要求
我们知道，欲采取表层的煤样并不困难，而我们想要所采样品的代表性好，就必须考虑到各种因素，所设计的机械必须能够采取到整个车厢的任一点深度的煤样，这也是采样头设计中最为重要，同时也是最为基本的问题。同时，因为当采样头在煤表层插入时，不可避免地肯定会接触煤表层的煤样，当采样头继续下降到指定高度进行采样时，所采取的煤样中或许就包含了表层的煤样。如一些螺旋叶片采样头，设计时把叶片延螺旋杆方向成一定角度，靠叶片与螺旋杆组成的采样头结构就会不可避免的出现采样不准确的问题。如何保证采样头能避开表层乃至中途的煤样，完全采集指定采样点的煤样，这为本设计提出了重要的要求。
本设计中的最重要的要求为，在多工况下对煤样的采集。因为现在市面上的采样机，大多数只适应一种工况，即正常气温条件下，对干燥状态的煤样进行采集。这种采样机的适应范围小，实用性差，一旦遇到阴雨天气，煤样潮湿多水的情况，采样机便由于采样头对煤样的大黏度而不适应导致无法正常工作，继而换由人工采样。这样既耽误了劳动力，降低了生产效率，失去了自动采样机的意义。
为了适应对多工况下的煤粉进行采样，有些设计中增添了采样头的更换装置。其中有的是手动更换采样头，有的是自动转换采样头。手动更换采样头，由于耗费的劳动力大，而且有一定的危险，此方法不合适。自动更换采样头的装置，虽然完全自动化，但其采样头的结构会变得复杂，会增大采样机构液压系统的负载。这又是采样头设计过程中面临的一大问题。
4.2 采样头结构设计
4.2.1 楔形采样头
欲采取汽车车厢顶部表面以下某一深度处的煤，且所采的煤样不能包括煤表层部分的煤样，这时一个难点。为了解决这一问题，我们设计了一楔形液压驱动的采样头，避免了上述的问题。采样头的主运动为由液压缸驱动的上下进给以及由主运动电机驱动的旋转。 当采样头进给到煤层表面时，由于受到煤的阻力，所以进给力变大，进给速度变小，同时由于受到水平方向的阻力，旋转速度也将变小。由于采样头的楔形结构，当它旋转时，楔形拉门两侧的煤粉将会被排挤到楔形体的两侧，被排挤煤粉延拉门楔形表面向上移动，此过程中楔形拉门受到比较大的摩擦阻力和压力，应采取相应措施增大其耐磨性能。
4.2.2 破碎头
采样头的端部安装破碎头装置是十分必要的。当遇到冻煤或大块煤、矸石等高硬度的块状物体，其头部镶嵌有多种形状的合金刀刃的破碎头,不仅能适应冻煤采样,而且能将遇到的大块煤破碎采出,进一步保证了所采煤样的代表性。对破碎头的要求，最基本的是其必须有高的硬度和强度，并且可以每一段时间进行更换，保证其顺利的工作。
由于采样头在进给过程中有旋转动作，在其端部安装有破碎头后，不仅能增大采样头的破坏力，减小煤样对采样头的阻力，减小液压系统的负载。如有需要，可另外在采样头的楔形拉门出安装多个破碎头。
4.2.3 双拉门结构
本设计中最大的特色便为此双拉门结构的采样头。对于多工况下煤粉采样机的设计，显然单一功能的采样头难以达到此要求，所以解决的办法就两种，采样头更换装置以及多功能一体采样头。由于采样头的更换装置结构复杂，实用性不强，推荐选用多功能一体化采样头。采样头模型如下图4-1：
图4-1 双拉门式采样头
1—拉杆 2—连杆 3—拉门一 4—破碎头 5—拉门二 6—储样室
此采样头为左右对称结构，两个拉门由不同材料形成，具有不同的功能。拉门一为高强度高硬度合金材料拉门，适应在干燥天气，对湿度不大的煤进行采样。拉门二为耐磨性，耐腐蚀性，防滑性能好的复合材料拉门，适合在潮湿天气时，对湿度大，黏度大的煤样进行采样。每次采样时，当采样头下降到预定的采样点位置，主螺旋杆旋转速度降低，然后由主控制系统控制拉杆下移，带动连杆下移，能把拉门拉开，并且由于采样头的旋转，使得煤样会自动进入储样室，并且其中煤样仅仅为此采样点附近的煤样（由于其他时间采样头都保持全封闭状态），保证采集的煤样的代表性与准确性。而当潮湿天气，煤样湿度大时，则只需采样时，拉门二打开而保持拉门一关闭即可。每次采样必须保持有且仅有一个拉门开启。
第五章 总结及展望
5.1 总结
本文中设计的车载煤采样机有如下特点：
一、采样车摒弃了从前的半固定模式采样机，操作灵活方便
二、本采样车的长度和高度可调，工作时按需要调整到最适合的大小采样，平时回复到最小状态，节省空间，提高效率。
三、本文中设计的多功能一体化双拉门式采样头可适应在多种工况下对煤粉的采样，包括干燥条件下，对高硬度的煤块采样，以及潮湿条件下对高粘度的煤粉采样，而且不需要更换采样头。
四、本采样机的液压系统能保证系统稳定的低速运动和较大的调速范围。
五、本采样机的主控制系统集中在主控制室，既能控制采样机的移动定位，同时也能控制采样点的定位，方便了操作人员的统一操作。
5.2 展望
以前,由于受科学技术发展程度的限制,煤矿生产的机械化和自动化程度不高,绝大部分工作要靠人力来完成。煤矿上工作条件艰苦,环境恶劣,工作强度大,而且采样的科学性,即所采样品的代表性不高。随着科学技术的发展,特别是机械技术的发展,煤矿在开采、运输、检验等环节中的机械化、自动化程度不断得到提高,自动化煤粉采样机的使用将会越来越普遍，其结构、形式、用途也将越来越多样化。
本设计为多工况煤粉采样车，虽然采样的自动化程度已经比较高，替代了以前人工采样，单依然需要有人在主控制室对采样的整个过程进行操控。并且，采集到的煤样还需要
运送到其他地方进行样品的化验以确定其各项指标。相信，随着科学技术的发展，未来采样机一定能完全脱离人的操作，全部由计算机程序操作整个采样过程，由机械部件执行，并且能实现采样、制样、化验分析一体化的全自动煤粉采样机，更快推动整个国民经济的发展。
参考资料：
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致谢：
四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。本文是在我的导师花广如老
师的谆谆教诲和悉心指导下完成。花老师在学术上有着严谨的科研作风，实事求是的治学态度，并时刻能够把握最新科技的前沿，了解当今世界顶级研究动态，让我受益匪浅，花老师生活上平易近人，和蔼可亲，令我钦佩不已，是我学习和生活中的榜样；花老师渊博的知识、严谨的作风、高度的责任感以及忘我的工作热情，将永远激励我在以后的学习科研中开拓进取、奋发向上。在毕业设计研究之中，花老师给了我最及时和最有效的指导，这使得我最终克服各种困难，顺利地完成了论文。花老师一直鼓励我提高自己的综合素质，并给我创造了许多锻炼的机会，让我在实际锻炼中不断进步。在此，谨向我的导师表示最崇高的敬意和最衷心的感谢。
在此尤其要感谢魏星同学，感谢他不厌其烦的帮助我进行细节设计，感谢他为我推荐参考书籍、论文。同时，我还要感谢我的舍友，感谢他们在我进行毕业设计过程中不断给我无私的关怀和帮助，对我遇到的迷惑和不解给充分的解答和说明，使我的知识面和科研能力得到很大的提高。她们对本文的完成以及修订提供了很多的宝贵的指导意见，并提出了修改方案，感谢她们所做的工作。
感谢我的所有朋友，多年来一直对我进行鼓励和支持，使我端正了学习和生活的态度，使我有恒心有毅力在学习和科研的道路上不断进步。感谢机械系所有的同学，四年来对我无微不至的照顾和的关怀，伴我度过充实而美好的大学时光。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。
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