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1、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24目 录第一章 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 采样机的种类21.3 国内外研究现状31.4 本文主要设计内容41.4.1 设计任务要求41.4.2 设计内容4第二章 工作原理52.1 设计提出52.2 方案比较52.3采样机结构62.4工作原理11第三章 液压系统设计123.1 液压系统设计原则123.2 龙门液压系统的设计123.2.1 液压缸设计中应注意的问题133.2.2 工况分析133.2.3 龙门液压系统保压回路133.3 采样机构液
2、压系统设计153.3.1 工况分析153.3.2 采样机液压系统163.3.3 采样液压系统工作原理173.3.4 采样液压系统特点18第四章 采样头设计194.1 采样头的设计要求194.2 采样头结构设计194.2.1 楔形采样头194.2.2 破碎头204.2.3 双拉门结构20第五章 总结及展望215.1 总结215.2 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
3、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
4、键字：煤；采样机；结构设计；多工况；采样头。Multi-condition coal sampling machine designAbstractWith 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 requiremen
5、ts, 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 m
6、anual 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 machin
7、e 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 sam
8、pling 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
9、 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
10、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
11、, 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 4751996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
12、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
13、GB /T 194942004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
14、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
15、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
16、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。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
17、食等）输送、转运过程中的取样。l 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。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。l 管道采样机一般安装在管道侧壁用于从管道中采
18、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。 l 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/m以下的散装物料。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613mm），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
19、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
20、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
21、华能电厂采用澳大利亚MCI的全元素在线分析系统等。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，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
22、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
23、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
24、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
25、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
26、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
27、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
28、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
29、电机，驱动前轮承载的龙门沿车道方向移动，范围在610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46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
30、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
31、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
32、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
33、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
34、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
35、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
36、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
37、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
38、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
39、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，
40、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
41、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
42、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
43、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
44、.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
45、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
46、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
47、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