孫永

(華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電廠，江蘇 句容 212413)

0 引言

火電廠中燃煤費用占發(fā)電成本的70%左右，隨著煤炭采購的市場化，煤質(zhì)管理顯得越來越重要［1-3］。煤質(zhì)管理的一個基本要求是化驗結(jié)果應(yīng)真實地反映煤質(zhì)，而理論上，采樣不合理對煤質(zhì)檢驗總誤差的影響極大，樣本的代表性決定了煤質(zhì)檢驗的準(zhǔn)確性。目前，靠鐵路運煤的電廠大多采用了自動采樣裝置，進(jìn)一步提高采制樣裝置的可靠性及穩(wěn)定性、提高裝置的投用率顯得尤為迫切。

本文結(jié)合某電廠QCZ-Ⅰ型火車入廠煤采制樣裝置的改造情況，對在QCZ-Ⅰ型裝置基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的QCZ-Ⅲ型火車入廠煤采制樣裝置的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能、特點以及在裝置研制開發(fā)、改造過程中所碰到的技術(shù)難點、改進(jìn)措施等進(jìn)行了簡要分析與闡述。

1 概述

QCZ型火車入廠煤采制樣裝置是一種具備采樣和制樣功能的全自動機(jī)械化采制樣裝置。該裝置涉及機(jī)電一體化過程中的機(jī)械、電氣、氣動、計算機(jī)控制4個方面的技術(shù)，另外還需考慮生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝要求，因此，系統(tǒng)各方面必須具有較高的可靠性及較好的協(xié)調(diào)性。QCZ-Ⅲ型火車入廠煤采制樣裝置是在QCZ-Ⅰ型裝置基礎(chǔ)上改進(jìn)、研發(fā)而成的，主要性能參數(shù)見表1［4］，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化

機(jī)械部分是裝置整體性能及運行可靠性得以保證的重要基礎(chǔ)，各機(jī)械部件設(shè)計的合理性及適用性將直接關(guān)系到整機(jī)運行的可靠性及設(shè)備壽命，是整個裝置設(shè)計中尤為重要的一環(huán)。

表1 主要性能參數(shù)

圖1 QCZ－Ⅲ型入廠煤采制樣裝置結(jié)構(gòu)示意

2.1 總體結(jié)構(gòu)

采制樣裝置由大車、小車、采樣系統(tǒng)、制樣系統(tǒng)、操作室、氣壓系統(tǒng)、計算機(jī)及電氣控制系統(tǒng)組成(如圖1所示)［4-7］，由計算機(jī)實現(xiàn)自動程序控制，采樣點位由紅外探測器和光電編碼器探測定位，按照子樣提取→煤樣均勻傳送→破碎→縮分→集樣→余煤自動棄除的工藝過程采、制煤樣。大車可沿大車軌道縱向運行，小車上懸掛著采樣系統(tǒng)、制樣系統(tǒng)，可沿大車大梁上的小車軌道橫向運行，小車上的采樣頭可上下垂直運行，從而可對煤車車廂內(nèi)任意點進(jìn)行采樣。

采制樣裝置為橋架式結(jié)構(gòu)，因此整臺設(shè)備的總體布置是否合理將會影響裝置的穩(wěn)定性和運行壽命。QCZ-I型裝置的操作室同小車固定在一起隨小車移動，一方面增大了橋架的整體載荷，另一方面會使整機(jī)的振動加大。為此，優(yōu)化了整臺設(shè)備的總體布置方式:操作室改為固定布置，減小了電氣控制設(shè)備的振動，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性;另外，為了便于運行人員觀察采樣過程，將采樣頭布置在靠近操作室的一側(cè)，從而使整個結(jié)構(gòu)布置達(dá)到最優(yōu)。

2.2 大車系統(tǒng)

大車為箱形橋架式結(jié)構(gòu)，采用螺栓連接，端梁上裝有主動車輪和被動車輪，大梁上設(shè)置有小車運行軌道。大車行走由2套獨立的傳動機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行驅(qū)動，傳動機(jī)構(gòu)由繞線式電機(jī)、圓柱齒輪減速機(jī)、液壓推桿式制動器及柱銷聯(lián)軸器組成(如圖2所示)。大車的1只車輪上安裝的光電編碼器及大車右側(cè)大梁下安裝的2對對射式布置的紅外線探測器，用于對大車進(jìn)行行走定位，其原理為:大車行走中，當(dāng)紅外線探測器對射軸線被車廂遮擋時，可編程序控制器接收到此信號，即開始接收光電編碼器的脈沖信號，對大車縱向行程進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)達(dá)到程序中預(yù)設(shè)的計數(shù)值時，停止大車行走，從而達(dá)到對大車定位的目的。

圖2 大車傳動示意

每節(jié)煤車采樣點縱向距離的確定以該節(jié)車廂的頭部為基準(zhǔn)(車廂頭部的確定由取樣方向而定:由東往西取樣，東端為頭部;反之，西端為頭部)。原設(shè)計中該基準(zhǔn)的確定由反射式超聲波探測器來實現(xiàn)，利用兩車聯(lián)接處的空擋對聲波無反射及車廂旁板對聲波的反射來判斷定位［1］。但在實際試驗中，由于車廂板的完整情況不同且高低不平，對聲波反射強(qiáng)度的影響很大，致使大車的縱向定位經(jīng)常發(fā)生誤判斷而造成定位不準(zhǔn)。為此，改用了對射式紅外探測器來代替原有裝置，實踐證明，其工作可靠、定位準(zhǔn)確。

2.3 小車系統(tǒng)

小車為整體箱形框架結(jié)構(gòu)，上面懸掛有采樣、制樣系統(tǒng)。小車行走由1套傳動機(jī)構(gòu)集中驅(qū)動，傳動機(jī)構(gòu)由電機(jī)、立式圓柱齒輪減速機(jī)、液壓推桿式制動器及齒輪聯(lián)軸箱組成，小車車輪上安裝的光電編碼器用于小車定位［4］，小車傳動示意如圖3所示。

圖3 小車傳動示意

裝置改造中，為了提高小車制動的可靠性及定位的精度，將小車的制動器由原來的? 100 mm交流制動器改成? 160 mm的液壓推桿式制動器，效果良好。

2.4 采樣系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)由采樣頭、采樣頭升降傳動機(jī)構(gòu)、框架、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、安全限位機(jī)構(gòu)及管線拖鏈組成。

2.4.1 采樣頭

采樣頭是整個裝置的關(guān)鍵部件，根據(jù)螺旋垂直輸送物料原理設(shè)計，為螺旋鉆取式結(jié)構(gòu)，適用于煤面以下較大深度及全斷面采樣［8］。采樣頭由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、行星減速機(jī)、聯(lián)軸器、螺旋鉆、鋼管套筒、煤面探測開關(guān)、儲料斗和料門開關(guān)氣缸等組成(如圖4所示)。鉆頭主體采用合金鋼，刀刃采用高速鋼，具有耐磨損、強(qiáng)度高、能破碎大煤塊甚至石塊的特點。螺旋鉆由鉆桿、螺旋片和鉆頭構(gòu)成，外面由鋼管套筒護(hù)定，可使煤樣沿螺旋葉片提升到位，并提高螺旋鉆的剛度。

采樣頭所采的原煤向上提升送入進(jìn)料口后，又經(jīng)水平輸送進(jìn)入破碎機(jī)，所采用的輸送均為螺旋輸送方式［9］。輸送量的計算說明如下。

理想狀況下，假設(shè)螺旋輸送無空隙，煤樣與螺旋片之間無軸向滯后，則螺旋輸送煤量qm(kg/h)為

式中:D為螺旋體外徑，m;d為螺桿直徑，m;p為壓力螺旋體最后一圈螺距，m;n為螺旋體轉(zhuǎn)速，r/min;α為終端壓力螺旋面的平均螺旋角，(°);β為物料對鋼的摩擦角，(°);ρ為物料單位堆積密度，t/m3。

圖4 采樣頭傳動示意

實際上，輸送不同的煤樣體時，需要選擇最合適的充滿系數(shù)Kd，充滿系數(shù)太大或太小都不能保證送煤樣的穩(wěn)定性;另外，螺旋體螺旋面與煤樣之間摩擦因數(shù)較小，存在一定的滑移，需引入軸向滯后系數(shù)Kh來修正;當(dāng)輸送螺旋體傾斜呈一定角度時，還需考慮傾斜對送煤樣的影響，用傾斜輸送系數(shù)Kt加以修正:因此，實際螺旋輸送機(jī)給煤樣量為

原采樣頭旋轉(zhuǎn)矩偏小，如遇來煤中塊煤較多、煤層密實、溫度較高或來煤黏性偏大等情況時，采樣頭的11 kW主傳動電機(jī)常發(fā)生過載堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，加大了采樣頭的扭矩。將電機(jī)更換為22 kW后，提高了采樣頭的鉆采能力;另外，通過更換采樣頭行星齒輪減速機(jī)，增大了行星減速機(jī)的過載能力。

2.4.2 采樣頭升降傳動機(jī)構(gòu)

在電氣系統(tǒng)的控制下，升降傳動機(jī)構(gòu)可使采樣頭實現(xiàn)如下自動循環(huán)工作:快速下降→接觸煤面后轉(zhuǎn)慢速下降→停留→再繼續(xù)慢速下降→快速向上回到原位。整套升降傳動機(jī)構(gòu)由電機(jī)、擺線針輪減速機(jī)、液壓推桿式制動器、套筒滾子鏈、鏈輪、滾筒、傳動鋼絲繩、配重及滑輪等組成，如圖5所示。

原QCZ-I型采樣裝置采樣頭的升降和進(jìn)采是通過摩擦滾筒驅(qū)動和鋼絲繩牽引來實現(xiàn)的，若采樣中遇到特大矸石或凍結(jié)煤層，采樣頭進(jìn)采受阻，采樣頭的進(jìn)采速度小于摩擦滾筒的驅(qū)動線速度，滾筒與牽引鋼絲繩之間打滑，導(dǎo)致驅(qū)動滾筒和鋼絲繩磨損嚴(yán)重。原采樣升降傳動機(jī)構(gòu)如圖6所示。

針對此情況，將2只摩擦滾筒驅(qū)動改為1只驅(qū)動滾筒驅(qū)動(如圖5所示)，使?jié)L筒驅(qū)動線速度與采樣頭進(jìn)采速度同步，確保滾筒不打滑;同時，將原采樣頭升降驅(qū)動所采用的滑差電機(jī)調(diào)速改成變頻調(diào)速，使采樣頭的升降進(jìn)采平穩(wěn)、可靠。

圖5 采樣升降傳動機(jī)構(gòu)傳動示意

圖6 改造前采樣升降傳動機(jī)構(gòu)傳動示意

2.5 制樣系統(tǒng)

制樣系統(tǒng)由破碎機(jī)、縮分器、集樣器、機(jī)架等4個部件組成。

2.5.1 破碎機(jī)

破碎機(jī)由螺旋式給料機(jī)和立式環(huán)錘破碎機(jī)組成，如圖7所示。

圖7 破碎機(jī)傳動示意

在螺旋給料機(jī)頭部設(shè)有氣缸控制的喂料門，采樣頭將煤樣提升到位后，喂料門和采樣頭上的儲料斗開關(guān)門同時打開，待煤樣全部卸入喂料口后，喂料門立即關(guān)閉。一方面可以實現(xiàn)對破碎機(jī)均勻喂料，使破碎機(jī)負(fù)荷不致突然增大;另一方面可以減少破碎時煤樣中的水分損失。

2.5.2 縮分器

縮分器通過法蘭與破碎機(jī)下部法蘭連成一體，它是制樣系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，其縮分精度對分析煤樣的代表性有著非常重要的影響?？s分器由擺線針輪減速機(jī)、行星齒輪減速箱、筒體、余煤排出葉輪、縮分比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)集樣斗和棄煤管等組成，如圖8所示。

圖8 縮分器傳動示意

通過計算機(jī)對縮分比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，使縮分比在1/60～1/10的范圍內(nèi)自動無級調(diào)節(jié)，從而保證每列煤車中不同產(chǎn)地或不同煤種的累積采樣量不同，而經(jīng)破碎縮分后留樣量大致相同［6］。在縮分器筒體上設(shè)有快開檢修門，集樣斗由不易黏煤的拋光不銹鋼制成，同時在縮分器的筒體上設(shè)置了一套振打機(jī)構(gòu)，對集樣斗進(jìn)行振打［5］。

改造試運行期間，常發(fā)生集樣罐留樣量不足甚至留不到煤樣的問題，通過專門研究分析，發(fā)現(xiàn)問題主要集中在縮分器上。因縮分器結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，常常導(dǎo)致堵煤、積煤現(xiàn)象發(fā)生，從而影響了縮分及留樣效果。為此，對縮分器進(jìn)行改造，主要包括以下幾點(如圖9所示):(1)把導(dǎo)向筒A縮短為A'，從而為縮分筒的增高提供了空間;(2)把縮分筒B的高度增高為B'的高度，增大了其內(nèi)壁與水平面的夾角(由原來的60°增大為67°)，有利于煤樣的通過;(3)把縮分筒B及縮分調(diào)節(jié)擋板C的形狀結(jié)構(gòu)分別改成B'，C'所示結(jié)構(gòu)，在同一縮分比要求下，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)開口D'大于原開口D，有利于煤樣通過，減少發(fā)生堵塞的幾率;(4)為盡量減少或避免縮分筒壁上積煤，將振打錘的數(shù)量增加為2個。

2.5.3 集樣器

圖9 縮分器改造前、后對比

集樣器安裝在縮分器下部，與縮分器中的集樣斗相連接，它由步進(jìn)電機(jī)、蝸輪減速機(jī)、集樣盤和6個集樣罐組成(如圖10所示)，可以在1次采樣過程中收集6種不同產(chǎn)地或不同煤種的煤樣，每個集樣罐可存放煤樣10 kg。在可編程控制器的控制下，步進(jìn)電機(jī)輸出一定的轉(zhuǎn)角，通過蝸輪減速機(jī)帶動集樣盤回轉(zhuǎn)一個相應(yīng)的角度，讓集樣罐口對準(zhǔn)縮分器中的集樣斗，并利用步進(jìn)電機(jī)的鎖相特性使集樣盤周向定位，從而將不同產(chǎn)地、不同煤種的煤樣收集到指定編號的集樣罐中。

圖10 集樣器傳動示意

2.5.4 氣壓系統(tǒng)

在計算機(jī)系統(tǒng)控制下，氣壓系統(tǒng)控制儲料斗的卸料門開、閉，螺旋給料機(jī)進(jìn)料門的開、閉以及探測器的升降。氣壓系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、氣閥站A、氣閥站B、氣缸以及氣路管道等組成，如圖11所示。

圖11 氣動系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)束語

火車入廠煤采制樣裝置是機(jī)電一體化程度較高的全自動采制樣裝置，本文通過對原QCZ-I型裝置的系統(tǒng)研究分析，找到了系統(tǒng)存在的設(shè)計缺陷及不足，給出了優(yōu)化、改進(jìn)方案。該電廠優(yōu)化、改進(jìn)后的采制樣裝置目前已連續(xù)運行多年，實踐證明，采制樣裝置整體結(jié)構(gòu)布置合理，各機(jī)械部件運行穩(wěn)定，采樣煤種的適用性得到增強(qiáng)，整機(jī)的運行可靠性及設(shè)備壽命大大提高，滿足了電廠燃料科學(xué)管理的要求，提供了可靠、準(zhǔn)確的煤質(zhì)檢測依據(jù)。

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［6］煤炭機(jī)械化采樣:GB/T 19494—2004［S］.

［7］發(fā)電用煤機(jī)械采制樣裝置性能驗收導(dǎo)則:DL/T 747—2001［S］.

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