煤炭皮带输送采样装置的设计*

张 佳，高彦军

（新疆工程学院机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023）

我国煤炭的运输以皮带输送方式为主[1]。目前对入厂煤以及输送带上半成品煤块的采样大多是通过人工来完成，人工采样需要每隔1 h到达采样位置，用小铁揪等工具在输送皮带上适量采集，因人工操作引入的误差较多，不易准确按照采样布点进行取样，费时又费力[2-3]。

相比于人工采样，机械采样不仅采样精密度高，采样更具有代表性，而且可以降低劳动强度，避免人工采样中的人为主观因素影响，杜绝采制样中可能发生的人身安全事故，具有较强的应用价值[4-6]。目前市场上先后也出现一些煤炭皮带输送采样机械，主要有皮带端部采样装置以及皮带中部采样装置两种类型[7]，皮带端部采样装置虽然结构简单，能够对煤炭进行自动采样，但由于其采样原理为依靠煤炭的抛物运动将煤炭收集至采样斗，使得采样斗承受的冲击力较大；皮带中部采样装置依靠刮煤板刮取煤流作为煤样，设计结构紧凑，但现有的皮带中部采样装置设计中，往往将输煤皮带截面当成圆弧处理，这就导致采样装置在进行采样时很难实现全断面采样，采得的煤样缺少代表性[8-10]。

1 整体结构设计及原理

1.1 整体结构

煤炭皮带输送全断面采样装置主要由集样斗、采样铲、采样杆、曲柄、减速机、联轴器以及电机等部分组成（见图1），可实现自动化采样作业，具有自动化程度高、不损伤皮带的优点。

图1 整体结构示意图

1.2 工作原理

本设计中拟将整个采样装置由可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制，装置在采样时按照预先编写好的程序每隔一段时间对皮带输送的煤流进行一次采样。

设计时考虑到采样装置采样的前提是皮带输送机上有煤通过，因此在皮带输送机的托辊上装有压力传感器用于检测皮带输送机上是否输送有煤，当传感器检测到皮带输送机上有煤通过并且采样装置预设定的定时完成时，电机启动，装置开始一个采样周期，曲柄旋转一周，带动采样杆完成一次来回摆动，采样杆下的采样铲对皮带输送机上的煤流进行一次刮煤取样，样品煤经采样铲刮至一侧的集样斗内，煤样进入集煤槽后，下落进行灌装。

此外，为了能够准确控制曲柄的位置，防止曲柄在不采样时下落导致采样铲干扰皮带输送机正常工作，设计中在减速机输出轴正上方装有一磁感应式接近开关，此接近开关用于检测曲柄的位置，当接近开关检测到曲柄运动到减速机的正上方位置后，电机停止，并且保持曲柄不再转动，采样装置到此完成一个采样周期，PLC进入计时状态，等待下次采样，依次循环，直到下次进入采样周期。

2 关键零部件的设计

2.1 采样铲和采样杆的设计

2.1.1 采样铲的设计要求

采样铲是整个采样装置的主体采样执行机构，在设计中，将采样铲分为铲杆和铲斗两部分。

根据我国现行的国家标准规定[11-12]，企业单位在对煤流进行采样时所用到的采样铲的长度和宽度应该不小于所采煤样的最大粒度的2.5~3.0倍。因此，本设计中采样铲的长度和宽度应不小于100~120 mm。实际设计中，采样铲的长度和宽度分别为159 mm和140 mm，既满足国家标准要求，同时159 mm的长度和140 mm的宽度也满足采样质量要求。

采样机构在实际工作中，采样铲是直接与输煤皮带接触的，采样时为了实现全断面对煤流进行采样，采样铲的端部要贴在输送皮带上刮取煤样，为了不刮伤皮带，设计时在采样铲挡板端部设计有仿形轮，其作用是将挡板与皮带之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，以此来避免采样铲刮损输送皮带，减少采样铲对皮带输送机输送工作的影响。

2.1.2 采样铲及采样杆长度的计算

在采样过程中，采样铲刮取皮带上的煤，其运动轨迹在设计分析时可近似认为是圆周运动。其中R表示采样杆和采样铲的长度和，B表示皮带输送机的带宽，H表示最大过煤高度，a表示输送机托辊槽角30°，θ表示煤炭输送过程的动堆积角25°，各尺寸关系见图2。

图2 皮带输送机截面图

在设计采样杆时，可将采样杆和采样铲运动轨迹简化为圆弧轨迹，圆弧半径就是采样杆和采样铲的总长。根据图中几何关系可得

由于采样铲的实际运动轨迹并非圆弧，计算分析时将其近似看作圆弧，因此实际尺寸应比计算出的尺寸稍长，参照后期装置仿真结果，取采样杆和采样铲总长为610 mm。

采样铲铲杆在采样过程中既要通过曲柄和曲柄销子进行转动，又要和滑块配合完成导轨滑块结构的运动，因此在采样杆顶部打一销孔用于与曲柄连接，在杆上位置打一销孔与滑块连接，其下开的孔为采样铲与铲杆连接的销的导槽，结构见图3。

图3 采样铲及采样杆结构示意图

2.2 曲柄滑块机构的设计

曲柄滑块机构是采样装置的执行机构，在设计中曲柄与采样杆使用曲柄销子连接，采样杆与滑块之间使用设计的带有销结构的板件连接，见图4。设计中曲柄旋转中心与滑块运动轨迹共线，急回夹角为0°，因此整个曲柄滑块机构无急回特性[13-15]。

图4 最大刮取角度位置

设计中，曲柄有效长度要大于最大过煤高度，这样才可以避免曲柄在采样回程时拖动采样铲不会刮取到煤流，同时曲柄的长度还应小于采样杆的长度，如果曲柄长度比采样杆长度长，就容易出现顶死现象。综合上述分析，曲柄有效长度初步选取为150 mm，滑块的上下行程是曲柄有效长度的两倍，滑块与曲柄之间连杆的长度决定了采样铲采样时刮取的弧度范围。采样铲的刮取角度为60°，则∠b为30°，根据图4所示的几何关系，可以算出当曲柄运动至图示位置时，满足如下关系

由于曲臂长度D的长度已确定为150 mm，则

采样铲在实际工作时，刮取范围应尽可能大，因此连杆长度应适当缩短，取连杆长度为250mm。

3 其他部件的选型

3.1 电机的选型

电机是整个采样装置的动力来源，电机的种类繁多，但在实际工厂中由于工业上电源一般为三相交流电源，因此在无特殊要求的情况下，电机一般选用三相异步电机，最常用的电机类型为Y系列笼式三相异步交流电机，这种电机的优点很多，电机结构简单、效率高、工作可靠、维护方便且造价低，比较适用于作为采样装置的选用电机。结合采样装置实际所处的工作环境，选用卧式封闭型Y（IP44）系列电机，电机型号为Y90S-6。

3.2 减速器的选型

本设计中，要求采样装置在采集煤样的同时尽可能不影响皮带输送机的输煤运作，在对煤流截面进行刮煤采样时，采样铲截取煤流会阻碍皮带输送机输送煤样，为了减小这种影响，可以在控制采样铲两侧挡板面积的同时，缩短采样的时间。对于采样铲而言，缩短采样铲一个周期内刮取煤流的时间，就可以减小采样铲对皮带输煤机的影响。在设计中，由于国标对采样头采样时的切割速度暂时没有相应的规定，因此初步以曲柄旋转速度来衡量采样的速度，选取曲柄转速为30 r/min，则电机的额定转速为910 r/min，可计算出减速机的传动比为

依据计算得出的减速机传动比，查阅《减速机选型手册》，选取BW10-D80N型号减速机。

4 结束语

煤炭皮带输送采样装置市场需求量较大，根据输送带以及煤炭结构的物理特点，设计一种煤炭皮带输送全断面采样装置，具有自动化程度高、结构简单、采样效果好的特点，目前虽已完成了各零部件的结构设计，原理可行，但还需进一步理论分析以及试验验证，优化改进成市场需求的产品。