王艷軍

（山西省晉神能源有限公司，山西 沂州 036500）

0 引 言

隨著采煤技術(shù)及采煤設(shè)備自動化水平的提升，綜采工作面的采煤效率得到顯著提升，對應(yīng)選煤廠的洗選能力需進(jìn)一步提升以匹配高采煤效率。采樣設(shè)備為選煤廠洗選工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要服務(wù)于煤質(zhì)檢驗(yàn)[1]。煤炭采樣設(shè)備的發(fā)展直接決定煤質(zhì)檢驗(yàn)的精確度和自動化水平。當(dāng)前，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的采樣機(jī)以機(jī)械采樣機(jī)為主，且機(jī)械采樣機(jī)將不斷朝著智能化的方向發(fā)展。

1 煤炭采樣裝置的結(jié)構(gòu)分析

煤炭采樣裝置為煤炭機(jī)械采樣機(jī)的關(guān)鍵零部件，機(jī)械采樣機(jī)的采煤效率在一定程度上受制于煤炭采樣裝置的工作效率。煤炭采樣頭為機(jī)械采樣機(jī)中煤炭采樣裝置的核心零部件，在采樣過程中承受較大的應(yīng)力。煤炭采樣裝置的可靠性和穩(wěn)定性是保證機(jī)械采樣機(jī)正常工作的基礎(chǔ)。目前，機(jī)械采樣機(jī)中以螺旋鉆式煤炭采樣裝置為主，主要由鉆桿、料斗、吊耳、采樣頭組成。

1.1 煤炭采樣裝置現(xiàn)狀

1.1.1 采樣裝置的問題及原因

經(jīng)實(shí)踐表明，當(dāng)采樣裝置采樣頭剛接觸煤矸石及其煤炭時(shí)，煤炭和煤矸石迅速被破碎。說明，機(jī)械采樣機(jī)煤炭采樣裝置的采樣頭具有極大的破碎能力。而且，采樣頭剛與煤炭或煤矸石接觸幾秒鐘后就由被破碎和煤炭或煤矸石排出，即說明螺旋鉆式采樣裝置具有較高的采樣效率。該采樣裝置在實(shí)際采樣過程中的主要問題為采樣臂架出現(xiàn)較為嚴(yán)重的抖動現(xiàn)象，而在實(shí)踐過程中試圖通過改變采樣裝置馬達(dá)的減弱臂架的抖動現(xiàn)象，但是均無濟(jì)于事[2]。

綜上所述，機(jī)械采樣機(jī)采樣裝置具有較高的采樣效率和傳輸效率，但是鑒于采樣裝置臂架出現(xiàn)較大的抖動現(xiàn)象需對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1.1.2 采樣頭的問題及原因

采樣頭主要由破碎頭、采樣筒、側(cè)齒、鉆頭以及螺旋葉片組成。經(jīng)實(shí)踐表明，采樣頭在實(shí)際應(yīng)用中主要出現(xiàn)2個(gè)問題，①當(dāng)采樣頭下行至一定位置后無法繼續(xù)下行，采樣頭當(dāng)下行到一定位置后出現(xiàn)較為嚴(yán)重的抖動現(xiàn)象，從而引發(fā)采樣裝置臂架的抖動，對采樣裝置的液壓系統(tǒng)其中元器件的使用壽命造成了極大的威脅[3]。②當(dāng)采樣頭下行至一定深度后無法繼續(xù)下行，此時(shí)液壓支路的油壓明顯上升，繼而產(chǎn)生更為嚴(yán)重的機(jī)械抖動現(xiàn)象。

綜合分析，當(dāng)前采樣裝置的采樣頭在設(shè)計(jì)方面存在一定的技術(shù)缺陷，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)不合理。因此，繼續(xù)對采樣裝置采樣頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通過對采樣裝置采樣頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決在不影響采樣機(jī)工作能力上緩解甚至消除采樣裝置的機(jī)械振動問題。此外，由于采樣裝置采樣頭結(jié)構(gòu)的不合理還容易導(dǎo)致影響采樣頭的采樣效率。

1.2 采樣裝置采樣頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為解決機(jī)械采樣機(jī)采樣裝置采樣頭所導(dǎo)致的上述各類問題，需對采樣頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，除此之外，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后采樣頭需滿足，①對煤矸石與煤炭具有較大的破碎能力，對于無法破碎的情況采樣頭具有快速剝離能力；②優(yōu)化后的采樣頭具有較高的輸送效率；③要求采樣頭具有較強(qiáng)的耐磨能力。

導(dǎo)致采樣頭下行難度較大的主要原因?yàn)椴蓸宇^的雙切齒結(jié)構(gòu)與單螺旋輸送結(jié)構(gòu)不匹配所導(dǎo)致，進(jìn)而夾縫中的煤塊會大大削弱采樣頭的破碎能力，從而導(dǎo)致了采樣頭出現(xiàn)較為嚴(yán)重的振動現(xiàn)象。為解決上述問題將輸送結(jié)構(gòu)優(yōu)化為雙平頭螺旋破碎輸送設(shè)備，并將其鉆頭優(yōu)化為單磚頭螺旋破碎采樣頭。采樣頭優(yōu)化前后性能對比見表1。

表1 采樣頭優(yōu)化前后性能對比Table 1 Performance comparison of sampling head before and after optimization

分析表1可得，對機(jī)械采樣機(jī)采樣頭結(jié)構(gòu)形式及其輸送設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化后，機(jī)械采樣機(jī)的輸送效率降低了4%，而設(shè)備的采樣效率提升了25%。

結(jié)合上述對采樣裝置采樣頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化的經(jīng)驗(yàn)，初略掌握了采樣裝置采樣頭在設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮的因素。因此，針對煤質(zhì)檢驗(yàn)機(jī)械采樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需著重考慮其在采煤過程中的卡煤現(xiàn)象所導(dǎo)致的下行緩慢和抖動問題。在多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，就煤質(zhì)檢驗(yàn)機(jī)械采樣機(jī)而言將原采樣裝置改進(jìn)為垂直螺旋輸送裝置后，不僅解決了原機(jī)械采樣機(jī)下行緩慢和抖動的問題，還在一定程度上具有較為理想的節(jié)能效果[4]。

2 機(jī)械采樣機(jī)棄料回送裝置的分析

機(jī)械采樣機(jī)的另一個(gè)關(guān)鍵分析為棄料的回送裝置。棄料回送裝置的性能是直接決定機(jī)械采樣機(jī)自動化水平的關(guān)鍵。傳統(tǒng)機(jī)械采樣機(jī)往往忽略對棄料回送裝置的設(shè)計(jì)，而棄料回送裝置的功能常依靠作業(yè)人員完成，大大降低了機(jī)械采樣機(jī)的可靠性和自動化程度。因此，為提升機(jī)械采樣機(jī)的自動化水平和可靠性需為機(jī)械采樣機(jī)加裝棄料回送裝置。

目前，先進(jìn)機(jī)械采樣機(jī)的棄料回送裝置位于機(jī)械采樣機(jī)的控制室，且棄料回送裝置后端為樣品的制作裝置和樣品的收集裝置當(dāng)機(jī)械采樣機(jī)的樣品制作裝置的棄料排放至原采樣單元中，最終進(jìn)入棄料回送裝置中。棄料回送裝置的核心為螺旋輸送裝置，其通過液壓馬達(dá)的驅(qū)動實(shí)現(xiàn)對棄料的傳送。但是，當(dāng)前機(jī)械采樣機(jī)對應(yīng)棄料回送裝置的效率較低，從而導(dǎo)致整機(jī)的效率低下。

2.1 棄料回送裝置現(xiàn)狀分析

經(jīng)實(shí)踐表明，應(yīng)用于機(jī)械采樣機(jī)中的棄料回送裝置的輸送效率較低，無法與機(jī)械采樣機(jī)采樣裝置采樣頭輸送裝置的傳送效率相比。為此，項(xiàng)目展開分析得出造成棄料回送裝置輸送效率低的主要原因?yàn)椋郝菪斔蜋C(jī)的傾角較大和棄料量較小。具體分析如下：隨著螺旋角的增大驅(qū)動效率呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，且當(dāng)螺旋角為45°時(shí)對應(yīng)的驅(qū)動效率最??；但是針對螺旋傾角大的問題只能通過減小其傾角值完成優(yōu)化，但是鑒于實(shí)際應(yīng)用中空間限制的問題，實(shí)際操作中減小螺旋傾斜角很難實(shí)現(xiàn)。對于螺旋輸送裝置而言，其本身就是能耗較大的輸送方式，當(dāng)棄料量較少時(shí)在螺旋輸送裝置中無法形成輸送量飽和時(shí)的物料群，導(dǎo)致裝置中的內(nèi)部作用力無法形成反作用力，從而導(dǎo)致其能源利用率較差。

綜上所述，應(yīng)對螺旋輸送方式進(jìn)行改造以確保其適用于機(jī)械采樣機(jī)，保證其在棄料量很小的情況下也可實(shí)時(shí)對棄料裝置進(jìn)行控制，從而達(dá)到提高棄料的輸送效率和能源的利用。

2.2 棄料回送裝置的改進(jìn)

為提升機(jī)械采樣機(jī)的自動化、機(jī)械化和智能化水平，需對原棄料回送裝置的布局及結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)機(jī)械采樣機(jī)的空間布局，對棄料回送裝置的方案進(jìn)行確定[5]。綜合分析，針對當(dāng)前機(jī)械采樣機(jī)的獨(dú)特性采用折疊式的棄料回送方式，其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 折疊式棄料回送結(jié)構(gòu)Fig.1 Folding waste recycling structure

由圖1所示，針對煤質(zhì)檢驗(yàn)的需求，為其設(shè)定折臂式棄料機(jī)械手，該機(jī)械手末端操作器為機(jī)械采樣機(jī)的完成棄料和集料任務(wù)的主要裝置，末端操作器主要由棄料倉、集料箱和推送機(jī)。其中，為方便集料將棄料倉設(shè)計(jì)為漏斗狀，且上端的開口較大。具體工作方式為：末端操作器的上方為棄料的入料口，下方為棄料的卸料口。為減輕棄料回送裝置的重量，將其伸縮臂設(shè)計(jì)為空心裝置。且集料箱和伸縮臂之間采用柔性關(guān)鍵的連接方式，且集料箱和伸縮臂之間的轉(zhuǎn)動設(shè)有一定的角度余量，以保證棄料回送裝置轉(zhuǎn)動角度的余量。

3 機(jī)械采樣機(jī)在煤質(zhì)檢驗(yàn)中的應(yīng)用分析

機(jī)械采樣機(jī)在煤質(zhì)檢驗(yàn)中的精度不僅與設(shè)備本身的特性相關(guān)，還與機(jī)械采樣機(jī)的工藝系統(tǒng)和機(jī)械性能相關(guān)。本節(jié)將著重對保證煤質(zhì)檢驗(yàn)精度的工藝系統(tǒng)和機(jī)械性能進(jìn)行闡述。

3.1 機(jī)械采樣機(jī)工藝系統(tǒng)保證

在實(shí)際采樣選煤過程中由于浮選精煤的出料不均勻，且對皮帶機(jī)上煤量的控制效果不佳。而且，浮選精煤中含有20%水分，容易粘附于機(jī)械采樣機(jī)上，從而降低樣品的采樣的代表性。為解決上述問題可適當(dāng)調(diào)整繼電器的控制時(shí)間，間接增加采樣頻率；與此同時(shí)，派專人對粘附于采樣機(jī)上的樣品進(jìn)行鏟除，保證機(jī)械采樣機(jī)所獲取的采樣量。

3.2 機(jī)械采樣機(jī)機(jī)械性能的控制

（1）當(dāng)入倉精煤皮帶處于空載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，要求機(jī)械采樣機(jī)鏟運(yùn)至最低點(diǎn)時(shí)在保證不損壞皮帶的前提下確保剛與皮帶表面相接觸；當(dāng)入倉精煤皮帶處于帶載狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，皮帶在樣品重力作用下導(dǎo)致皮帶與機(jī)械采樣機(jī)鏟運(yùn)點(diǎn)之間存在一定的間隙，仍不會影響皮帶機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）機(jī)械采樣機(jī)偏心輪的質(zhì)量需在入倉精煤皮帶機(jī)負(fù)載最終的情況下確定。實(shí)際上，由于入倉精煤皮帶機(jī)負(fù)載樣品的厚度不均勻，以最大負(fù)載確定的偏心輪會將樣品拋至很高。因此，需適當(dāng)增加接樣溜煤槽端口處的高度，避免樣品被濺出。

（3）保證機(jī)械采樣機(jī)采樣鏟最為合理。因?yàn)?，?dāng)采樣鏟過大時(shí)由于阻力過大會影響整機(jī)的正常運(yùn)行；當(dāng)采樣鏟過小時(shí)還會影響所采集樣品的代表性，尤其是無法采集到粒度小于13 mm的煤炭。

（4）在實(shí)際采樣過程中，由于工廠現(xiàn)場的電磁波會對控制采樣機(jī)的繼電器造成干擾，從而影響正常的采樣操作。因此，需對繼電器采取相應(yīng)的電磁屏蔽措施，一般以在線纜外側(cè)包裹金屬線實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽功能。

（5）機(jī)械采樣機(jī)的安裝高度應(yīng)保證其不會對入倉精煤皮帶機(jī)上所負(fù)載的樣品造成干擾；與此同時(shí)，要求機(jī)械采樣機(jī)與入倉精煤皮帶機(jī)相垂直，保證采樣鏟可垂直采集皮帶上方的煤流。要求采樣機(jī)的電機(jī)傳動系統(tǒng)與其控制的傳動輪保持控制在同一個(gè)平面內(nèi)，避免后期出現(xiàn)脫鏈的事故。

4 結(jié) 論

煤質(zhì)檢驗(yàn)為保證煤炭質(zhì)量的主要環(huán)節(jié)，當(dāng)前煤質(zhì)檢驗(yàn)以機(jī)械采樣機(jī)為主，且在未來機(jī)械采樣機(jī)將朝著自動化和智能化的方向發(fā)展，繼而提升了煤質(zhì)檢驗(yàn)的精度和效率。本文著重對機(jī)械采樣機(jī)在煤質(zhì)檢驗(yàn)中的應(yīng)用研究，并對當(dāng)前機(jī)械采樣機(jī)中采樣頭和棄料回送裝置所存在的問題進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

（1）鑒于機(jī)械采樣機(jī)采樣頭下行至一定深度后下行困難且傳送效率低的問題，對采樣頭的結(jié)構(gòu)及輸送裝置進(jìn)行優(yōu)化，使二者相互匹配。

（2）采用折疊式棄料回送裝置解決傳統(tǒng)棄料回送裝置傳輸效率低的問題。