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述目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)汽車采樣全斷面采樣頭存在的問(wèn)題及解決方案

 某汽車入廠煤采樣機(jī)改造方案

 青島精睿澤電力科技有限公司  2020年3月

 一、改造原因

1、設(shè)備概況：

目前使用的汽車入廠煤采樣機(jī)之前由某公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，橋式結(jié)構(gòu)，4臺(tái)聯(lián)排布置。采用全斷面采樣頭（頂部帶縮分斗），采樣頭垂直升降采用液壓驅(qū)動(dòng)，螺旋葉片旋轉(zhuǎn)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，縮分斗開(kāi)關(guān)門(mén)采用液壓驅(qū)動(dòng)。最大采樣深度2500mm左右，采樣筒直徑273mm，采樣過(guò)程進(jìn)行縮分，采樣頭采3點(diǎn)回送一次料，3點(diǎn)采樣初級(jí)縮分后樣量約30公斤。破碎粒度要求6mm，實(shí)際破碎粒度不達(dá)標(biāo)。二次縮分后留樣進(jìn)集樣器，棄煤進(jìn)料斗暫存，定期清理。

設(shè)備運(yùn)行控制方式為手動(dòng)控制電腦軟件，采樣點(diǎn)隨機(jī)生成，設(shè)備自動(dòng)完成采樣流程。

2、存在的主要問(wèn)題：

2.1汽車入廠煤采樣比入爐煤采樣熱值高；

2.2機(jī)采比人工采樣熱值高500大卡。

3、原因及分析：

3.1根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查及用戶對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況的介紹，判斷問(wèn)題的主要原因是機(jī)采所采取的煤樣不具有代表性。

理論計(jì)算：采樣深度按2500mm，采樣筒徑273mm，筒壁厚按9mm，螺旋主軸直徑按60mm，煤的比重按0.9計(jì)，采1點(diǎn)理論子樣量約為108.5公斤，經(jīng)采樣頭初級(jí)縮分后實(shí)際留樣量?jī)H為10公斤左右，縮分比為1:10.85。按此比例，換算成筒壁上的縮分開(kāi)口寬度約為72mm，按“縮分口寬度應(yīng)為采樣標(biāo)稱粒度的3倍”計(jì)算，此采樣頭的采樣標(biāo)稱粒度僅為24mm，也就是說(shuō)，大于24mm的煤塊或矸石都有可能采不進(jìn)去，被作為縮分棄煤棄掉了。而現(xiàn)實(shí)中的汽車煤中大于24mm的煤塊和矸石比比皆是，由此可以推斷，此采樣頭不具有代表性。該采樣頭最終采取的煤樣粉狀物較多，是造成最終熱值偏高的主要原因。

3.2 破碎機(jī)出料粒度超標(biāo)存在的隱患。

經(jīng)觀察機(jī)采棄煤的粒度發(fā)現(xiàn)，目前破碎機(jī)粒度超標(biāo)情況嚴(yán)重，破碎機(jī)出料粒度大直接會(huì)造成縮分機(jī)精密度，縮分機(jī)的縮分刮板尺寸是根據(jù)破碎機(jī)最大出料粒度決定的，破碎機(jī)粒度超標(biāo)直接會(huì)導(dǎo)致設(shè)備精密度不符合要求，最終也會(huì)造成縮分后的子樣熱值偏高。

縮分器縮分次數(shù)或切割煤流次數(shù)能否達(dá)到要求，而且必須截取煤流的全斷面。

在沒(méi)有進(jìn)行采樣機(jī)性能檢定情況下，縮分器縮分次數(shù)（切割煤流）為：

  —當(dāng)采樣機(jī)破碎機(jī)出料粒度為13mm時(shí)，切割煤流次數(shù)應(yīng)大于10次以上；

  —當(dāng)采樣機(jī)破碎機(jī)出料粒度為6mm時(shí)，切割煤流次數(shù)應(yīng)大于5次以上；

機(jī)械采樣機(jī)有些問(wèn)題一般都出在縮分器上，不按照規(guī)定粒度要求保留樣品質(zhì)量，不管縮分精密度是否合格，任意改變留樣量。有些廠家采樣機(jī)縮分器要達(dá)到縮分精密度合格，留樣量很大，制樣人員為減少制樣工作量就少取樣?？s分器縮分次數(shù)不夠，直接影響煤樣的代表性。

3.3 設(shè)備的控制方式存在隱患。

目前設(shè)備的控制方式為手動(dòng)控制，采樣點(diǎn)位置、采樣深度隨機(jī)生成。沒(méi)有做到設(shè)備的無(wú)人值守操作狀態(tài)。

二、改造方案

發(fā)電廠入廠煤、入爐煤熱量差是經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)及燃煤管理的重要指標(biāo)，將其熱量差控制在一定范圍內(nèi)可以體現(xiàn)出燃料管理和采制化工作的水平。如何采取一個(gè)有代表性的煤樣，用一個(gè)能代表整批煤的樣品來(lái)用于對(duì)外核算，控制電廠發(fā)電成本是整個(gè)燃料管理過(guò)程中重中之重。

汽車運(yùn)煤本身就有煤情比較復(fù)雜，便于人為摻假，礦多不易管理的特點(diǎn)。要從一車煤中（幾十噸煤）采取少量煤樣（目前采樣機(jī)約25-30公斤），經(jīng)過(guò)制樣程序制成數(shù)量較少，僅約100克，粒度<0.2mm的試樣，供化驗(yàn)使用，即用少量煤樣（單次測(cè)定僅為1克左右的樣）的分析結(jié)果去推斷一車燃煤的質(zhì)量和特性，就必然會(huì)存在偏差，這些偏差由采樣偏差、制樣偏差和分析偏差構(gòu)成。在此條件下，表示總偏差，則有如下表達(dá)式：總S=采樣S+制樣S+分析S。其中采樣偏差最大，占總偏差80%，制樣偏差16%，分析偏差4%。從以上分析結(jié)果可以看出，分析結(jié)果的可靠性，在很大程度上取決于樣本的代表性，因此采樣過(guò)程中盡可能的多采多制所獲得的煤樣更能接近于來(lái)煤實(shí)情。另外，煤的粒度越大，越不均勻，而且粒度大的一般以矸石或石頭居多。在實(shí)際采樣操作中，機(jī)械采樣頭的直徑一般在273毫米，扣除中間的螺旋桿直徑，大于100毫米以上的矸石或石頭也難被采到。此類采樣頭適用于煤的最大粒度為33毫米，被采到的概率可達(dá)95%，超過(guò)這一最大粒度的煤被采到的概率隨最大粒度的增加而降低。因此隨煤的最大粒度的增加，機(jī)械采樣容易造成入廠煤的熱量偏高。
     1、更換采樣頭及提升機(jī)構(gòu)

拆除原采樣頭及液壓系統(tǒng)，更換成穩(wěn)定可靠的鏈條提升機(jī)構(gòu)，更換下出料式全斷面采樣頭，采樣頭采用325mm圓筒制作（現(xiàn)場(chǎng)采用的時(shí)候273mm），可以將標(biāo)稱粒度50的煤塊采集到；不帶縮分斗，采樣過(guò)程不縮分，采單點(diǎn)回送料，螺旋葉片反轉(zhuǎn)連續(xù)卸料，子樣全部進(jìn)入破碎縮分系統(tǒng)。單車采樣時(shí)間、縮分留樣量及棄煤量相應(yīng)增加。三點(diǎn)采樣時(shí)間約為4.5-5分鐘。

2、更換出力大不堵煤的鏈?zhǔn)狡扑闄C(jī)

由于初級(jí)子樣量大幅度增加，原破碎機(jī)出力不夠，更換新型的專利產(chǎn)品（專利號(hào)201720128722.4）-鏈?zhǔn)狡扑闄C(jī)，不堵煤且能保證粒度要求。

3、更新控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制、無(wú)人操作，避免人為因素干擾。

一、 目前全自動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)狀和存在問(wèn)題

目前，市場(chǎng)上汽車運(yùn)煤自動(dòng)采樣設(shè)備對(duì)汽車車廂的定位主要采用影像定位系統(tǒng)、超聲波定位系統(tǒng)，影像定位系統(tǒng)多采用人工選定采樣區(qū)域方式，存在人為干擾采樣情況，圖像識(shí)別技術(shù)也因受制于現(xiàn)場(chǎng)臟亂環(huán)境準(zhǔn)確率不能滿足需要；超聲波定位系統(tǒng)受溫度、濕度、粉塵等因素對(duì)其影響大，定位準(zhǔn)確度不能完全保證。這就需要一種不受外界環(huán)境干擾的測(cè)量準(zhǔn)確率滿足要求的定位系統(tǒng)。

本系統(tǒng)內(nèi)容簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)目的是提供一種測(cè)量準(zhǔn)確率高的車廂精確定位系統(tǒng)；無(wú)人值守的最大限度的去除人為因素。

本系統(tǒng)的技術(shù)方案是：運(yùn)煤車廂采樣頭行走三維精確定位系統(tǒng)，其特征是由激光測(cè)距傳感器、光電開(kāi)關(guān)、計(jì)算機(jī)、行車行走系統(tǒng)、射頻卡系統(tǒng)組成，所述的激光測(cè)距傳感器、光電開(kāi)關(guān)、行車行走系統(tǒng)和射頻卡系統(tǒng)分別與計(jì)算機(jī)連接。

全自動(dòng)精確定位系統(tǒng)，由激光測(cè)距傳感器、光電開(kāi)關(guān)、計(jì)算機(jī)、行車行走系統(tǒng)和射頻卡系統(tǒng)組成，激光測(cè)距傳感器、光電開(kāi)關(guān)、行車行走系統(tǒng)和射頻卡系統(tǒng)分別與計(jì)算機(jī)連接。

汽車二維激光定位行車精確行走控制系統(tǒng)就是通過(guò)采用激光測(cè)距傳感器和光電開(kāi)關(guān)組合尋找車廂所處位置，通過(guò)射頻卡系統(tǒng)讀取卡內(nèi)的汽車長(zhǎng)寬高等信息從而有效解決人為因素干擾及其他方式受外界環(huán)境影響大等缺點(diǎn)；實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停位，有效解決采樣區(qū)域偏差的問(wèn)題，大大增強(qiáng)采樣的代表性。

主要改造內(nèi)容

現(xiàn)場(chǎng)增加和激光測(cè)距傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)車廂橫向定位。

增加互射式光電開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)車廂的起始位置定位。

增加一個(gè)外置采樣按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)司機(jī)必須下車進(jìn)行采樣也可將采樣按鈕移到采樣集中控制室內(nèi)遠(yuǎn)程操作。

增加射頻卡讀寫(xiě)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)煤車輛數(shù)據(jù)的采集和寫(xiě)入

增加無(wú)人值守的全自動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的全自動(dòng)控制功能。

實(shí)施方案

采用激光測(cè)距傳感器和光電開(kāi)關(guān)組合尋找車廂所處位置。橫向采用在大行車垂下一對(duì)互射式光電開(kāi)關(guān)，高度低于汽車車廂靠，大行車移動(dòng)過(guò)程中光電開(kāi)關(guān)信號(hào)變化來(lái)判斷車廂起始位置，同時(shí)通過(guò)編碼裝置記錄大行車移動(dòng)距離從而判斷停車位置?？v向采用激光測(cè)距傳感器直接測(cè)量出車輛的停車位置，通過(guò)射頻卡系統(tǒng)讀取貼在車頭玻璃上的射頻卡內(nèi)的車輛數(shù)據(jù)信息來(lái)確定車輛的車型和拉筋位置，在設(shè)備架體的前部立柱上安裝一個(gè)采樣按鈕（或?qū)⒋税粹o移到采樣集中控制室遠(yuǎn)程操作），司機(jī)必須下車后按一下按鈕，采樣機(jī)采開(kāi)始自動(dòng)采樣，保證了運(yùn)煤車司機(jī)采樣時(shí)必須下車的要求。激光測(cè)距傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，解決了影像定位造成的人為因素干擾，另外激光測(cè)距適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，精確度高(毫米級(jí))，連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)，解決了超聲波定位系統(tǒng)受外界環(huán)境干擾等問(wèn)題。定位系統(tǒng)啟動(dòng)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)車廂位置進(jìn)行識(shí)別和定位，在車廂范圍內(nèi)將車廂分成18個(gè)采樣區(qū)域，系統(tǒng)隨機(jī)在這18個(gè)采樣區(qū)域內(nèi)生成三個(gè)采樣點(diǎn)位置和采樣深度（采樣深度可以是全深度也可以為隨機(jī)采樣深度），采樣點(diǎn)數(shù)可根據(jù)需要設(shè)置，上位機(jī)反饋信息給PLC，PLC發(fā)出指令使大小行車啟動(dòng)，到達(dá)采樣點(diǎn)位置時(shí)采樣頭自動(dòng)下降取樣，返回原點(diǎn)卸料，進(jìn)入后面的流程。系統(tǒng)可以生成采樣點(diǎn)及采樣深度報(bào)表，便于燃料管理統(tǒng)計(jì)。

實(shí)現(xiàn)以上功能的前提是系統(tǒng)對(duì)車廂進(jìn)行智能定位，需增加大小行車變頻器、計(jì)數(shù)裝置，激光測(cè)距儀、光電開(kāi)關(guān)及支架等，需編寫(xiě)全自動(dòng)控制軟件。

操作界面示意圖如下：

登錄界面：每人有單獨(dú)登錄名及密碼。同時(shí)不同級(jí)別人員設(shè)定不同的操作界別設(shè)置，高級(jí)別的操作人員可以對(duì)采樣機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改。

    功能選擇界面：可以根據(jù)不同的需要，選擇不同的功能進(jìn)行設(shè)備操作。

     采樣機(jī)操作主控界面：可以顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（上圖中的參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況修改）

三、設(shè)備介紹

1. 下出料全斷面采樣頭

全斷面采樣頭主要由螺旋主軸、螺旋筒、采樣鉆頭、探桿、支架及減速機(jī)組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)附頁(yè)三維圖。

工作原理：采樣系統(tǒng)包括動(dòng)力系統(tǒng)、采樣頭、螺旋系統(tǒng)、減振系統(tǒng)。①動(dòng)力系統(tǒng)：動(dòng)力系統(tǒng)主要包括升降機(jī)構(gòu)。鏈條機(jī)構(gòu)可以使采樣頭在垂直方向0～4米范圍內(nèi)上下移動(dòng)，完成不同煤層深度的采樣。②采樣頭：采樣頭為全斷面，采樣頭頭部設(shè)有鉆刃，采樣頭結(jié)構(gòu)上有過(guò)載保護(hù)裝置，采樣頭使用壽命不小于8000小時(shí)。采樣頭為圓筒結(jié)構(gòu)，在提升機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下，采樣頭插入到不同深度的煤層，即可獲得一個(gè)全斷面子樣。做到不堵煤、不混樣，卸料完全。③螺旋系統(tǒng)：由減速機(jī)帶動(dòng)螺旋絞龍具有將煤攪松，使減少采樣頭下行阻力，并將煤樣提升暫存于蔡陽(yáng)筒中，適應(yīng)我國(guó)運(yùn)煤的國(guó)情。④減振系統(tǒng)：利用減振彈簧減弱系統(tǒng)對(duì)其它機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的不必要的振動(dòng)，對(duì)采樣頭起保護(hù)作用。

主要特點(diǎn)：

①采用鏈條升降機(jī)構(gòu)，保證有足夠的動(dòng)力使采樣頭插入煤層并提升，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

②采樣頭頭部設(shè)有鉆刃，便于下鉆到煤層中，同時(shí)采樣筒中設(shè)置保護(hù)裝置滿足采樣頭既可以采到車廂最低部又不會(huì)把車廂軋穿，確保煤車底部的煤樣可以全部采集。

③采樣頭結(jié)構(gòu)上設(shè)過(guò)載保護(hù)裝置，利用減振彈簧系統(tǒng)降低對(duì)設(shè)備的振動(dòng)影響，對(duì)采樣頭起保護(hù)作用。

2. 鏈?zhǔn)狡扑闄C(jī)（專利號(hào)：ZL  2017  2  0128722.4）

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

● 鏈?zhǔn)狡扑闄C(jī)為立式結(jié)構(gòu)，無(wú)篦條設(shè)計(jì)。由底座、機(jī)殼、轉(zhuǎn)子軸、破碎鏈裝置、進(jìn)出料口，驅(qū)動(dòng)裝置等組成。

● 在轉(zhuǎn)子底層隔板的下面設(shè)置自清掃裝置，能有效避免混樣問(wèn)題。

● 機(jī)殼由兩層組成，內(nèi)層為耐磨襯板，機(jī)殼上設(shè)置兩個(gè)觀察門(mén)，可方便的打開(kāi)檢修。

工作原理：

電機(jī)啟動(dòng)，主動(dòng)帶輪通過(guò)三角皮帶帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。物料靠自重均勻進(jìn)入破碎室內(nèi)，在自由下落的過(guò)程中，被高速旋轉(zhuǎn)的鏈條反復(fù)敲擊，從而達(dá)到破碎的目的，被破碎的物料由破碎室底部直接排出，通過(guò)出管落入下級(jí)設(shè)備。當(dāng)進(jìn)入鐵塊或矸石等高硬度難以破碎的物料時(shí)，由于高速旋轉(zhuǎn)的鏈條具有一定的柔性，則可使得硬度極大的物料直接排出破碎室外，避免因應(yīng)力集中現(xiàn)象對(duì)設(shè)備造成破壞。由于隔板與襯板內(nèi)壁的空間最大化，物料的通過(guò)性更好，大大降低了堵塞的機(jī)會(huì)。破碎粒度和出力大小可通過(guò)每層鏈條的數(shù)量及鏈條的層數(shù)加以調(diào)節(jié)。

綜述：改造后采樣部分采用全斷面采樣，采樣機(jī)在車廂中采取一個(gè)從頂部到底部的一個(gè)煤層全斷面，采樣筒選用直徑為325mm,采樣螺旋葉片間距200mm，可以將煤中的塊狀物取出 ；采樣機(jī)將取出的煤樣全部送入制樣系統(tǒng)，由我公司研制的專利產(chǎn)品鏈?zhǔn)狡扑闄C(jī)可以在短時(shí)間內(nèi)將這大量的初級(jí)子樣進(jìn)行破碎，并且做到不賭煤、不混樣，最終經(jīng)破碎機(jī)破碎后的子樣經(jīng)原縮分機(jī)進(jìn)行縮分。

在這一整個(gè)采樣流程中，采樣點(diǎn)是隨機(jī)生成的18個(gè)區(qū)域任意三點(diǎn)，采取哪一點(diǎn)任何人不知道，但這18個(gè)點(diǎn)的被采概率是一樣的，經(jīng)一個(gè)階段的運(yùn)行后，設(shè)備每個(gè)點(diǎn)位的被采數(shù)量可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出來(lái)，可以生成采樣點(diǎn)的被采數(shù)量的柱狀圖。這樣人為在車廂中摻假的區(qū)域就不好控制，避免從采樣區(qū)域上進(jìn)行作弊；采樣機(jī)采用全斷面結(jié)構(gòu)，采樣機(jī)將全部的煤樣進(jìn)行收集破碎，不再在采樣過(guò)程中進(jìn)行縮分（國(guó)標(biāo)中明確要求：未經(jīng)破碎的煤樣不允許進(jìn)行縮分的）。煤層從頂部到底部全部收集，而且采樣筒由原有273加大到325,可以盡可能的將煤種的塊狀物收集（原采樣機(jī)理論上大于24mm 的塊狀物就不能完整收集），這樣可以避免人為在裝煤深度上作弊行為，而且如果人為摻加塊狀物也不能獲取利益。

改造完畢后，該系統(tǒng)可以做到從煤車頂部到煤車底部全斷面煤樣，在每個(gè)深度層都可以采到，整個(gè)斷面的煤樣全部進(jìn)入制樣系統(tǒng)進(jìn)行制樣，這樣可以避免人為在煤層高度范圍內(nèi)摻假。采樣筒加大后也可以將煤中的塊狀物（主要塊狀物為矸石）采集到。而無(wú)人值守的全自動(dòng)控制系統(tǒng)可以隨機(jī)自動(dòng)生成采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣頭選點(diǎn)采樣，這樣可以避免人為在車廂平面范圍內(nèi)區(qū)域摻假；從而采取一個(gè)更接近于來(lái)煤實(shí)情的標(biāo)準(zhǔn)煤樣。

目前這種盡可能多的采樣制樣方案所采取的煤樣相關(guān)專業(yè)人員都知道更具代表性，但該方案國(guó)內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)廠家沒(méi)有這樣做的 ，是因?yàn)闆](méi)有可以短時(shí)間匹配破碎這么大煤樣的破碎機(jī)，我公司自主研發(fā)的鏈?zhǔn)搅⑹狡扑闄C(jī)可以出力可以完全滿足上述采樣方案對(duì)破碎機(jī)的要求，并且保證在任何情況下不發(fā)生堵煤?jiǎn)栴}。

縱然這樣的采樣方式會(huì)增加人力處理余煤和子樣的工作量和加快設(shè)備磨損程度，但能采取一個(gè)更真實(shí)的煤樣，使機(jī)械化采樣機(jī)能公正、公平的為電廠燃料管理工作提供一個(gè)準(zhǔn)確的煤樣，給電廠對(duì)外結(jié)算提供一個(gè)合理依據(jù)，我認(rèn)為這些問(wèn)題都可以忽略不計(jì)。我們深信設(shè)備改造后，采取的煤樣更具代表性，可以為廠里節(jié)省一筆巨大的支出，燃料管理工作更規(guī)范，更科學(xué)。