铜物料采样机关键技术的研究.pdf

学校代号 1 0 7 3 1 学号 0 8 2 0 8 0 2 0 4 0 0 3 密级 公开 兰州理工大学硕士学位论文 铜物料采样机关键技术的研究 学位申请人姓名 二 茎丞应L 一 导师姓名及职称 匿枣竖硒究旦 培养单位 专业名称 论文提交日期 论文答辩日期 答辩委员会主席 R e s e a r c ho ft h eK e y T e c h n o l o g yo fs a m p l e rf o r b y Z h a oT i a n c h e n g B E N o r t h w e s tS c i T e c h n o l g yo fA g r i c u l t u r ea n dF o r e s t r y U n i v e r s i t y 2 0 0 4 At h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e R e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f M a s t e ro fE n g i n e e r i n g l n V e h i c l eE n g i n e e r i n g i nt h e G r a d u a t eS c h o o l o f L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y S u p e r v i s o r P r o f e s s o rC h e nH u i x i a n M a y 2 0 1 1 帆5 s 7 甜 5 订 8 钯 删8 谢 1 J r0删Y 盯 p 1 O o 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担 作者签名 遍威趣威 日期 莎叨 年石月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许 论文被查阅和借阅 本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文 同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服 务 作者签名 导师签名 日期 护t 1 年 日期 7 0 0 年 万月 日 否月 日 硕士学位论文 目 录 摘要 I A b s t r a c t I I 插图索引 I V 第1 章绪论 l 1 1 引言 1 1 2 机械化采样的系统简介及国内外发展现状 1 1 2 1 机械化采样系统简介 1 1 2 2 采样机的国内外发展现状 3 1 3 研究的目的与内容 5 1 3 1 研究的目的 5 1 3 2 研究的内容 5 1 4 本章小结 6 第2 章铜物料力学性能的研究 7 2 1 铜物料的力学性能简述 7 2 2 铜物料的力学性能值 l O 2 3 固化抑尘层的力学性能值 1 1 2 4 本章小结 1 l 第3 章铜物料采样机液压驱动的设计 1 2 3 1 铜物料采样机的工作原理 1 2 3 2 铜物料采样机总体结构 1 2 3 3 铜物料采样机采用液压驱动的必要性 1 3 3 4 铜物料采样机采用液压驱动系统的原理设计 1 4 3 4 1 原理设计 1 4 3 4 2 相关计算及动力元件的选择 1 5 3 4 3 系统主驱动用电机的选择 1 6 3 4 4 采样头驱动液压站的设计 1 7 3 4 5 电液比例控制原理分析 l8 3 5 液压驱动系统的试验 1 9 3 6 本章小结 2 0 第4 章采样头的防粘性研究 2 l 4 1 采样头防粘研究的必要性 2 l 4 2 采样头防粘的改进措施 2 1 4 2 1 防粘减粘方法简介 2 1 4 2 2 采样机不同螺旋角的粘附性能 2 2 铜物料采样机关键技术的研究 4 2 3 采样机不同截面形状的粘附性能 2 3 4 3 本章小结 2 4 第5 章采样机采样效率的研究 2 5 5 1 采样效率研究的目的 2 5 5 2 采样效率低下的原因分析 2 5 5 3 采样效率低下的解决方案 2 8 5 4 本章小结 2 9 第6 章电控系统的设计 3 0 6 1 电控系统的设计 3 0 6 1 1 功能设定 一3 0 6 1 2 系统控制框图 31 6 1 3 系统总体设计 3 2 6 1 4 电控系统主要器件的选择 3 2 6 1 5 总体工作流程 3 3 6 2 电机系统电路设计 3 5 6 3 可编程控制器的I O 地址分配 3 6 6 4 本章小结 3 8 第7 章I t C 控制系统设计 3 9 7 1P L C 控制系统设计 3 9 7 1 1P L C 程序设计 3 9 7 1 2P L C 控制部分的安全性及可靠性 4 3 7 2 工控机的软件设计 4 4 7 2 1 概述 4 4 7 2 2 软件控制函数及控制流程 4 5 7 2 3 工控机软件的功能划分及使用简介 4 6 7 2 4 关健数据结构及全局变量的确定 4 9 7 2 5 控制部分的实现 5 1 7 3 本章小结 5 2 总结 5 3 参考文献 5 4 致谢 5 7 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录 5 8 硕士学位论文 毫曼鲁量舅皇量量I l l I I 鼍曼曼喜曼量曼量鼍置量曼曼曼曼量量量曼量蔓皇量曼曼曼量墨 罾量曼量皇曼皇曼曼量 量 量量量曼量皇曼量皇 目皇舅 摘要 采样机是当前电厂 冶金企业 进出口质检部门所必备的产品 而机械化采 样制样机是当前采样制样的发展趋势 本文详细介绍了当前采样制样机的国内外发展现状 提出了当前金属物料采 样制样机存在的不能破开表面固化抑尘层 采样时物料粘结在螺旋传输器表面 以及采样效率不高等问题 研究了铜物料和表面固化抑尘层的力学性能 在此基 础上将采样头的驱动系统用液压传动方式取代了传统的机械传动方式 使采样头 在采样时能够根据物料的状况自动的调节转速和扭矩 采用高速切削的方式来破 开表面固化抑尘层 样品污染是当前采样机普遍存在的问题 其主要原因是由物料的粘附造成 的 本文通过详细了解国内外在减粘防粘方面取得的成就 结合采样机的实际情 况 提出了表面改形和表面改性以及改变采样机螺旋传输器结构 增加振动装置 和吹扫装置来防止样品粘附 从而解决了样品污染的问题 采样效率是采样机的重要性能之一 采样效率不高也是当前采样机存在的主 要问题 采样效率是由采样时间和辅助时间决定的 辅助时间是由大车小车的移 动速度决定 采样时间由采样头的转速和升降机构来决定 为了提高采样效率 本文提出了改变采样机原点的设定 通过电控系统对大车小车运行过程程控化 极大的减少了大车小车运行过程所用的时间 提高了采样效率 本文探索了铜物料的力学性能 解决了采样机普遍存在的三大问题 综合运 用了液压传动系统 工控机 可编程控制器 P L C 读卡器等控制部件 本文的 研究对采样机和同类的机电液设备的研制有参考价值 关键词 铜物料采样机液压传动机构采样效率防粘减粘自动控制P L C 铜物料采样机关键技术的研究 A bs t r a c t S a m p l e r si st h en e c e s s a r yp r o d u c t si nc u r r e n tf o rp o w e rp l a n t s m e t a l l u r g i c a l e n t e r p r i s e s i m p o r t a n de x p o r tf a c t o r i e sa n dq u a l i t y i n s p e c t i o nd e p a r t m e n t s M e c h a n i c a ls a m p l i n gs y s t e mi sat r e n df o rc u r r e n t l ys a m p l i n gs y s t e m T h i sp a p e r d e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u a t i o n ao ft h ec u r r e n ts a m p l i n gs y s t e mi nh o m ea n d a b r o a d s t u d i e st h em a d e so fm e t a lm a t e r i a l s r e s e a r c h e st h em a i nr e a s o nf o rs a m p l e r w h i c hc a nn o tb r o k e nt h es u r f a c ed u s tl a y e r T h e n t h i sp a p e rs t u d i e st h ea d h e s i o no f t h em a t e r i a la n ds a m p l i n ge f f i c i e n c y s t u d i e st h es u r f a c eo ft h ec o p p e rm a t e r i a la n d c u r i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd u s tl a y e r B a s e do nt h ec o n c l u s i o n s f o rt h e d r i v es y s t e mo fs a m p l e r t h ep a p e ru s e sh y d r a u l i cd r i v es y s t e m st or e p l a c et h e t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nm o d e S Ot l l a tw h e nt h es a m p l e rh e a dw o r k i n g f o rs a m p l i n g s y s t e mc o u l da u t o m a t i c a l l yc h a n g e st h er e g u l a t i o no fc u t t i n gs p e e d a n dt o r q u ea c c o r d i n gt ot h es t a t u a so ft h em a t e r i a l u s i n gh i g h s p e e dc u t t i n g a p p r o a c ht ob r o k e nt h es u r f a c ed u s tl a y e rc u r i n g S a m p l ec o n t a m i n a t i o ni sac o m m o np r o b l e mi nt h ec u r r e n ts a m p l e r t h em a i n r e a s o ni sc a u s e db yt h ea d h e s i o n o ft h em a t e r i a l B yd e e p l ys t u d y i n gt h e a c h i e v e m e n t so fa n t i s t i c k i n gi nh o m ea n da b r o a d c o m b i n e dw i t ht h e a c t u a l s i t u a t i o n so ft h es a m p l e r t h ep a p e rd e c i d e dt oc h a n g et h es u r f a c es h a p ea n ds u r f a c e m o d i f i c a t i o no fs c r e wc o n v e y o rf o ra n t i s t i c k i n g A tl a s t t h ep a p e rp r o p o s e dt o i n c r e a s ev i b r a t i o nd e v i c ea n dp u r g ed e v i c et op r e v e n ts a m p l ea d h e s i o n S Oa st o s o v l et h ep r o b l e mo fs a m p l ec o n t a m i n a t i o n S a m p l i n ge f f i c i e n c yi so n eo ft h em a i np r o p e r t i e sf o rs a m p l e r s h o wt oi m p r o v e e f f i c i e n c yi sam a i np r o b l e mf o rs a m p l e rw h e ni ts a m p l i n g T h es a m p l i n ge f f i c i e n c y i sd e c i d e db ys a m p l i n gt i m ea n da u x i l i a r yt i m e A u x i l i a r yt i m ei st h ed e c i d e db y s p e e do ft h ec a r t t h es a m p l i n gt i m ei sd e t e r m i n e db yc u ta n dl i f ts p e e do fs a m p l e r h e a d I no r d e rt oi m p r o v et h es a m p l i n ge f f i c i e n c y t h ep a p e rp r o p o s e st oc h a n g et h e s e t t i n g ss a m p l e ro r i g i n I tm a k e st h ep r o c e s so fc a r t st r o l l e yp r o g r a m c o n t r l l e db y d e s i g n e de l e c t r o n i cc o n t r o l l e ds y s t e m A l la b o v em a t h o d sg r e s t l yr e d u c e dt h et i m e s p e n to nr u n n i n gp r o c e s so fc a r ta n di m p r o v et h es a m p l i n ge f f i c i e n c y T h i sp a p e re x p l o r e st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s r e s o l v e dt h r e e m a j o ri s s u e so fc o m m o ns a m p l e r i n t e g r a t e du s e ah y d r a u l i cd r i v es y s t e m i n d u s t r i a l c o m p u t e r p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r P L C c a r dr e a d e r s a n do t h e rc o n t r o l c o m p o n e n t s w h i c hh a v ear e f e r e n c ev a l u ef o rs a m p l e rf u t u r et e c h n i c a ld e v e l o p m e n t 珏 硕士学位论文 皇i mm m mm m 舅 a n ds i m i l a re l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a le q u i p m e n ta n dg e n e r a li n d u s t r i a lh y d r a u l i c c o n t r 0 1 K e y w o r d s s a m p l e ro fc o p p e rm a t e r i a l s h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n s a m p l i n g e f f i c i e n c y a n t i s t i c k i n gv i s b r e a k i n g P L C 铜物料采样机关键技术的研究 插图索引 图1 1 带式采样机 2 图1 2 全断面采样和定点采样示意图 3 图2 1 铜物料承载能力测定仪 8 图2 2 铜物料承载能力与下陷深度的关系 9 图3 1 采样机工作流程图 1 2 图3 2 龙门式采样机结构示意图 1 3 图3 3 液压系统原理 1 5 图3 4 变量控制原理 1 7 图3 5 变量调节特性 18 图4 1 粘附力示意图 2 3 图4 2 螺旋采样器 2 4 图5 1 标准采样5 点分布 2 5 图5 2 标准采样3 点分布 2 6 图6 1 系统控制框图 3 1 图6 2 半自动循环流程图 3 4 图6 3 全自动循环流程图 3 5 图6 4 升降机控制回路 3 6 图6 5 电机控制回路 3 6 图7 1P L C 程序的流程图 4 0 图7 2 工模作式流程图 4 1 图7 3 升降机控制流程图 4 2 图7 4 大小车运行过程控制流程图 4 6 图7 5 工控机软件主画面 4 7 图7 6 采样点设置画面 4 8 图7 7 系统坐标图 4 8 I V 硕士学位论文 皇暑皇曼蔓皇置量皇量量量量皇罾量鼍曼量量鼍曼曼曼皇曼曼曼曼量量曼皇量量舅曼蔓 m l 一一 l ln 皇量量量量詈舅量鼍目 1 1 引言 第1 章绪论 在金川公司的日常生产中 每年需要的铜物料大约为6 0 0 多吨 而这些金属 物料的6 0 以上是靠进口智利 澳大利亚等国家的铜矿来满足需求的 通常情况 下这些物料是用火车从各个矿运来 其特点是来源杂 分布广 而且即使是同一 矿源运来的物料 也不能保证它们的参数完全相同 因此物料质的差异很大 再 加上经常出现个别经销商出于经济利益而向物料中掺杂虚假的行为有时也很严 重 这样极大程度的损害了企业的利益 按规定 各个企业都要对进厂的物料进 行抽样检测 以此判断物料的优劣 并作为定价的依据 尤其是近几年来 随着 国家宏观经济政策的调整 金属物料作为最主要的原材料之一 其价格一直居高 不下 因此 物料的经济性成了国内各个企业的重点考核指标 一般的金属冶炼 企业由多个供应商供应全厂的各种物料 而且 供应商多数采用火车运输 所以 精确的确定物料的水份 灰份和其他杂质含量尤其重要 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 为了考评物料的经济性 对入厂物料进 行采样后以质论价几乎成了所有厂家的最常用的控制措施 现在大多数企业的采样标准参考的是国家标准G B 4 7 5 19 9 6 商品煤样采 取方法 其中详细规定了各种情况下商品煤子样抽取的数目 子样的分布以及 子样重量等一系列参数 为正确评价煤的品质提供了科学的依据 现行抽样检测 的方法都以该标准为准 但现在在大多数企业中 物料的抽取还主要是依靠人力 由工人爬到车厢上一铲一铲地去挖 这种取样既费时费力 又不能保证选样取样 的准确性 而且采样深度也达不到要求 甚至还可能发生弄虚作假的现象 不但 影响了企业的生产正常运行 而且很有可能损害企业的经济利益 所以 为实现 物料取样的自动化以及增加透明度和可信度 降低劳动强度 提高工作效率 这 样的一种能自动采样 制样的采制样机应市场要求而产生 目前国内的一些厂商 开始纷纷加入研制此类设备的行列 而且市场上也已有成品出现 1 2 机械化采样的系统简介及国内外发展现状 1 2 1 机械化采样系统简介 汽车或火车采制样机是安装在入厂物料进厂通道旁边的专用采制样设备 它可以使采样器自如的对到位 对汽车或者火车装载的物料进行采样 并可随机 选择采点 进行全断面采取样品或者随即抽样 同时对采取的样品进行自动缩分 铜物料采样机关键技术的研冗 得到要求的样品量 采样装置一般分为塔式 升降式 吊臂式 桥式 龙门式 应用最广泛的 是龙门式采样装置 龙门式汽车火车采制样机由大车 小车 可调整的螺旋钻取 式采样装置 给料机 缩分器 子样收集器 电气控制系统 余料返回装置等组 成 其工作过程如下 当来入场车停稳后 人工启动采样系统的后级设备 操作员操纵大车 小 车行进到采样点的上方 升降机构向下推动螺旋钻进入车厢内的物料层进行采 样 钻取完样品后升降机构向上推动螺旋钻运行 当螺旋钻提升到最高位时 此 时操作员可选取下一个采样点继续进行采样 当所需采样的点全部采取完成后 操作采样头返回卸料斗处卸掉物料 料斗卸下的样品进入缩分器 由缩分器缩分 缸往复运动缩分取样 缩分得到的样器进入样品收集器装罐 其余的物料进入到 余料返回系统 机械化采样包括动采样和静采样两种方式 动采样一般是在物料输送 装 载或卸载 的过程中进行采样的 即随机或者均匀的截取物料流的一部分来作为 样品 而动采样又包括两种采样方式 即连续采样和间断采样 连续采样是指 在物料的输送过程中连续的对一批物料的所有采样单元都进行采样 而且每个 采样单元的采样间隔 时间或质量 都相同 间断采样是指只对一批物料的部 分采样单元采样 而对同一物料源的同一类物料进行采样时也可采用间断采 样 即从一批物料的某几个采样单元采样 其它单元不采样 在输送带上采样 的方式属于动采样 如图1 1 所示是一种在输送带上取样的带式采样机 图1 1 带式采样机 2 硕七学位论文 I I I I I II I I I 曼鲁量量量曼曼量量量量量量皇皇舅量量量量量量皇曼舅舅曼量曼曼皇置鼍曼 置鲁量曼量皇曼曼量舅量皇皇 静采样是指物料进厂或出厂时在车厢内或者物料堆上采样 静采样方式 有全断面采样和定点采样 全断面采样是指从采取某点物料表面到指定深度的 全部物料作为样品 定点采样是指采取某指定深度处的部分样品 如图1 2 所 示为全断面采样和定点采样示意图 现大多数企业采样时要求采用全断面取 样 样品样品 全断面取样 图1 2 全断面采样和定点采样示意图 1 2 2 采样机的国内外发展现状 早在6 0 年代中期 美国即开展了煤炭生产及燃煤系统的采样研究 在制 定煤质标准的同时 对其采样方法 工具及煤的分析仪器也作了相应规定 金 属物料采样机是仿照煤采样机而产生的 美国江比朗公司的入场煤采制样系统 为美国政府所认可 成为美国当 今煤炭生产 销售 包括煤炭出口 国际商检S G S 等 中的成熟定型装备 远销 世界2 0 多个国家和地区 目前 已累计生产3 0 0 多台套 经受了广泛的考验 并获得赞誉 中国进口的第一台采样机是秦皇岛商检局于1 9 8 3 年从美国拉齐姆公司引 进的 它是按照I S O 的采样标准进行设计的 其整机是一种在落料处往复流槽 式的采样系统 具有定量采样和定时采样两种模式 由于定量采样等采样中的 各环节都需根据煤流的变化随时调整运行速度 所以系统设置比较复杂 日照港和连云港商检局的采样机也是从美国拉齐姆公司分别于19 8 6 年和 1 9 8 7 年引进的 其机械结构几乎与秦皇岛港的完全相同 但黄岛港于1 9 9 4 年 从美国拉齐姆公司引进的采样系统由于增加了煤炭粒度的自动筛分功能M 秦皇岛煤四期工程的商检煤炭采制样系统则是由德国西伯公司 S I E B T E C H N I E 总承包引进的 于1 9 9 8 年投入使用 该采制样系统是按照最 新国际标准 在优化了整个采制样工艺流程的基础上生产的 其采样精度达到 了国际标准的要求 该采制样系统由包括装船采制样系统和卸车采制样系统两 大部分 可分别在物料的装船和卸车过程中实施对物料样品的采集和制备 3 铜物料采样机关键技术的研究 湖北青山电厂引进的是美国的P S I 螺旋煤样取样系统 丹东华能电厂采用 澳大利亚M C I 的全元素在线分析系统等 1 9 9 4 年 衢化热电厂对C Y J 8 型机械取煤样机进行了改进 增设了缩分 装置 使机械取样的煤炭的重量达到预期的要求 2 0 0 5 年 北京机械工业 学院设计了液压驱动的远程无极控制采样机 在此基础上2 0 0 6 年三刚闽光股 份有限公司自行设计了铁矿石的自动采样系统H 2 0 0 7 年河南华润电力登封有 限公司根据煤炭机械化采制样机在华润电厂的应用及性能检验的要求对制样 机进料系统 操作系统和破碎机进行了改进旧 2 0 0 8 年 上海工程技术大学 对机械采样机进行了优化设计 根据现场工况 采用了闭式液压传动系统 通 过真确选择液压原件 减少串联环节和使液压系统具有自救援能力来提高系统 的可靠性 同时也通过加大装机功率和加大采样头的装机能力来提高采样机的 工作效率和工作适应范围旧 同年安阳鑫达自控科技有限公司的张永顺工程师 对当前汽车入场媒采祥机的工作方式进行分析 设计 开发了一种新型的采 样机工作模式 但是这些设计和改进均没有考虑固化抑尘层的物理力学性 能 都存在的问题是无法破开固化抑尘层 从而在冬天使用时 都遇到了困难 总的说来进口设备功能较完善 先进可靠 但是也有其不足之处 首先 进口设备的功能设置一般按其自己国内功能需要而设计 往往不能很好地满足 国内的特殊需求 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 尤其是其高昂的售价 也令一般企业难以承 受 目前国内自行设计的车辆采样装置主要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 8 浙江某公司生产的B M C I I I 型摆臂式采制样机主要存在采样深度不够 存在 采样死角 破碎机振动过大 集样器的转盘感应器不灵敏 有时会空采和混采 湖南某公司生产的5 E C Y Q 型锥爪式采样机存在的主要问题是采样头被大 矸石夹住 致使钢爪合不拢 国内还有一些塔式取样机 取样时取样头需随同联接其的框架或横梁一起 上下运动 框架或横梁在上下运动时其外形与车辆冲突 影响了取样深度 出料 时需反转螺旋叶片从下端入口处出料 取样过程复杂 取样周期长 精度低 不 能连续取样 由黑色冶金设计院经过十几年的时间研制开发的商品煤采样机 前几年曾 在海勃湾和淮南等矿区使用过 但由于国内自行研制开发的一些采样机多半因设 计水平低或材质不过关 往往使用不了多长时问就需进行修理 因这种种原因而 没有在国内得到推广 4 硕士学位论文 当然国内也有一些厂家的产品在不同的方面具有自己的特色 如 常州华 源电力技术开发有限公司的原煤自动采制样装置是针对燃煤电厂对控制入厂煤 的质量而研发的产品 可保证采样数据准确性 满足商业结算或正平衡计算发电 煤耗的要求 江苏苏源电力装备有限公司研制的原煤自动采制样装置可分为 火车式采 制样装置 皮带式中部采制样装置以及塔架式汽车采制样装置三大类 青岛三能电力设备有限公司开发研制的汽车车载式商品煤采样机 具有国 外同样产品 所不能适应我国电力系统不同煤种 多式煤块煤料采样 冰冻煤破 冰采样 不同煤样一条龙取样 输送 形成子样的多种特殊功能 它的问世 解 决了我国电力系统常年来在商品煤煤样复杂 地域环境多变等取样方面存在的诸 多难题 为我国煤炭 冶金 港口 电力等行业今后更好地采纳 购买高品质的 商品煤提供了一流的技术保障 综上所述 国内市场上也有了一些成品出现 但总的来说都不十分令人满 意 在这些产品中 有的机械结构不合理 有的电气系统可靠性不高 或者是功 能不够完善 如果能够开发出适合国内企业生产需求的 具有较高的可靠性和适 应性以及价格适中的取样设备 那将大大减轻企业在取样上的工作量 为准确评 价物料的品质提供可靠的依据 并可以替代进口设备 9 J 1 3 研究的目的与内容 1 3 1 研究的目的 本课题来源于金昌金川公司 是兰州市科技局资助项目 由于金昌公司原 有设备在铜物料的取样过程中存在着以下缺陷 首先 该采样机不能破开铜物料 表面的固化抑剂和铜物料形成的坚韧层 即固化抑尘层 这是采样机在铜物料取 样时遇到的最大的问题 其次 采样机在采样的过程中物料容易粘附在螺旋传输 器表面 造成混样 使采取的样品被污染 第三 采样机的采样效率比较低 影 响了公司的日常生产的进度 本课题研究的主要目的就是解决这几个方面的问 题 并且提出可行的方案 1 3 2 研究的内容 首先 以铜物料和固化抑剂形成的坚韧层即固化抑尘层为为主要的研究对 象 研究其力学性能 从而对采样头的传动机构的设计提供最佳的力学参数 其 次 为了便于破开物料表面的固化抑尘剂和铜物料形成的坚韧层 将采样头的传 动方式由传统的机械传动改为采用液压传动系统来驱动采样头 这样可以实现采 样头在采样过程中转速和扭矩可以无极调节 从而有利于破开固化抑尘层 第三 为了提高效率 节约采样时间 对电控系统进行了相应的改进 并且将控制系统 的进行了改进 以便于更好的为自动化采样提供服务 本课题研究的内容为采样 机的优化设计 自动化设计 系列化设计及新产品的开发提供初步的理论依据 同时为课题的进一步研究打下坚实的基础 1 4 本章小结 机械化采样是当前的发展趋势 本章主要阐述了机械化采样的特点及意义 介绍了国内外发展现状 同时介绍了各种采样方式的区别 尤其是全断面采样和 定点采样 最后叙述了本论文的研究目的及研究内容 6 硕士学位论文 第2 章铜物料力学性能的研究 2 1 铜物料的力学性能简述 铜物料为颗粒状固体物质 其主要成分是铜矿石微小颗粒 含铜量约为 5 0 左右 另外还含有一定比例的水分和其他杂质 为了使设计的采样头的传 动系统的参数更加的合理 所以必须对其物理力学性能有一定的研究 铜物料 的物理力学性质多与物料中的铜矿石颗粒的含水量大小有关 由于铜物料结构组成的复杂性及物料堆内诸因素局部的微观差异 往往 使铜物料物理力学性质的有关测量值呈现出不规则性和随机性 而这种不规则 性和随机性使取样层的铜物料物理力学性质的变化规律不能作出精确的描述 因此 这种问题的解决还有待于新的理论与思想体系的引入与提出 其中 M a n d e l b r o t 提出并建立的分形理论为解决这类问题带来了新的思路和方法I l 们 1 铜物料的强度铜物料的强度是铜物料在特定条件下抵抗外力作用的能力 也可定义为铜物料承受变形或应变的能力 因此铜物料强度可以用建立应力应 变方程式 或以其屈服点应力来表示 当采样机械取样时 对铜物料进行切削 翻转 破碎等导致铜物料产生应力应变 结构失效等 在此过程中 铜物料所 表现出的种种力学性质主要取决于铜物料的强度 根据摩尔 库伦 M o h r C o u l o m b 定律可以建立附着力与模型I l o 02 彤 魄缈 2 1 式中 为附着力 F 为接地面积 C 为粘结力 G 为法向载荷 或法向压力 够为物料间的内摩擦角 由式1 1 知 当接触面积F 和法向压力G 为定值时 附着力只取决于土壤的粘结力C 和内摩擦角矽 即同物料强度成正比 2 铜物料承载能力铜物料承载能力又称坚实度或圆锥指数 铜物料的承载能 力是表征铜物料抗破坏 压缩和摩擦阻力的综合指标 它是指在垂直载荷作用 下 铜物料不同深度的抗压能力 一般是把圆锥或圆柱测头垂直压入铜物料层 中 测得不同深度处铜物料单位面积的压力 图2 1 是铜物料承载能力测定仪 示意图 7 铜物料采样机关键技术的研究 图2 1 铜物料承载能力测定仪 1 手柄2 压力弹簧3 记录筒4 测杆5 测头6 插针7 弦线8 记录笔 著名学者B e k k e r 结合苏联学者莱多石涅夫的研究成果首次建立了物料 承载能力与下陷深度的数学模型 并被得到普遍的引用 其模型为 1 0 尸 吃 z 2 2 式中 P 为铜物料承载能力 K 为铜物料内摩擦变形模量 K 为铜物料内聚 力变形模量 b 为矩形平板的宽度 Z 为铜物料下陷深度 n 为铜物料的变形 指数 由于疋 K 和n 是一组铜物料特性的常数值 对于某一特定的测盘或 履带而言 b 为一定值 则铜物料承载能力与下陷深度的关系是幂函数 它的 图形如图5 中的实线所示 由图5 可以看出 含水分比较多的铜物料的承载能 力与下陷深度的关系并不是幂函数曲线 它的变形指数r l 是变化的 8 硕士学位论文 口L 4 孓 程 锏E 祷 驾 窖S 幂 下陷深度z 图2 2 铜物料承载能力与下陷深度的关系 实线 幂函数典型图形虚线 含水分较多的铜物料的典型化曲线 3 铜物料的抗剪强度采样头对物料进行采样加工时时 往往出现剪切破坏 在多数情况下 这种破坏接近二向受力破坏 其剪切强度是根据摩尔一库伦 M o h r c o u l o m b 定律建立的数学表达式 1 们 即 f C c r t g 簟o 2 3 式中 f 为铜物料的剪切强度 C 为铜物料的粘结力 盯为铜物料的正应力 垆 为铜物料的内摩擦角 铜物料在无侧限时受压 是一种单向应力状态 通常是以剪应力的形式 失效 无侧限的抗压强度吼也是根据摩尔一库伦定律建立的 10 1 即 吼 2 C t g 4 5 缈 2 2 4 由式2 3 和式2 4 看出 r 和吼 都是C 缈的函数 用剪切试验法求c 和缈的方法见表 2 1 所示 出于环境保护和成本的考虑 为防止在物料在运输过程中表面的物料被风 吹散开来污染环境 一般在铜物料的表面喷洒一种抑尘固化剂 其作用能使表面 的物料凝固在一起 有效地防止了物料飘散 这层凝固层的存在使得铜物料表层 的力学性能发生了很大的变化 首先其硬度和强度以及抗剪性都有很大的增加 造成了采样机要破开表层物料需要产生更大的能耗 9 铜物料采样机关键技术的研究 表2 1 物料主要剪切试验法 剪切机理图试验方法 C 缈的求法 特点 直 群 把试样放入上下r I能用于各种试 雾一三茎黧壤蓁篓葺 二0 在圆柱形试样f能用于各种物 塞锄 H 三秽 主嘉圭i 二 孑 夏彳茎二竺詈 砉篓 缩磊例 I 三 t 压力 I 吼 作困难i 1 法 矾 q 产生压缩剪 切 藁 雾差薹蚕蒌了进 仅用于粘性较大 磊七声 彤旧别圳 一 矿拶 州 霉一溉 法 咎 茎简茎量粪蓍姜詈主G 鳓瀚露装 攀径重i垂薹兰薹主 2 2 铜物料的力学性能值 由于物料的力学性能随着深度的变化而发生变化 所以对深度比较深的 物料层的力学参数通过建立摩尔 库伦 M o h r C o u l o m b 定律进行修正 为了减少 计算量 取物料6 0 0 18 0 0 m m 的物料参数对物料进行赋值 经计算参数得出铜 物料的一些基本的力学性能数据如下表2 2 所示 l O 硕士学位论文 表2 2 铜物料的力学性能 2 3 固化抑尘层的力学性能值 固化抑尘剂是一种喷洒在物料表面能够使物料凝结在一起的一种化学物 质 是环境安全部门近几年防止扬尘污染的主要措施 后来被用于属物料的运 输中 固化抑尘剂能够防止物料中的水分的流失 还能在运输途的过程中 防 止物料扬尘而污染沿途的环境 但是固化抑尘剂也给现有的企业的采样过程带 来了一定的困难 主要是现有的采样机无法破开固化抑尘剂形成的坚韧层 采 样机要能够满足采样要求 破开这一层是关键 下面试是通过实验得出来的固 化抑尘剂和铜物料形成的混合层的力学性能l l2 1 表2 3 固化抑尘层的力学性能 2 4 本章小结 本章主要参考土壤力学的方法来介绍了铜物料的力学性能 以及常用的 摩尔一库伦 M o h r C o u l o m b 模型 并且根据实验和摩尔一库伦 M o h r C o u l o m b 定律计算得出铜物料的力学性能 为以后采样头采样时所需要的扭矩的计算提 供了详实的理论数据 铜物料采样机关键技术的研究 第3 章铜物料采样机液压驱动的设计 3 1 铜物料采样机的工作原理 螺旋采样器从火车车厢内采取一定量的子样 该子样被抛入料槽 并导 入初级给料机 给料机以给定的速度均匀地将子样送入缩分器 经过缩分器所 采得的子样通过进入密闭的样品收集器 即为留样 余料则输出给斗式提升机 返回火车车厢 如图3 1 示 图3 1采样机工作流程图 3 2 铜物料采样机总体结构 采样机总体采用行车式构如图3 2 所示 主要由行车的大车 行车的小车 螺旋采样器 及行车支架等几部分组成 1 2 硕士学位论文 同 l t I l 蝴 一一I 尊 誊i j 一 j 一9 雕 蠢 纛 菇 li 0 I 1 3 g 扩 i 氐 j 洒两毋 l 一 之 风乏 采样炙蛐羹 乏之 娜 N r N r N p p 铜物料采样机关键技术的研究 有时 当采样头破开表面的固化抑尘层之后 采样头遇到了比较松散的铜物料 这时采样头的转速和扭矩都需要发生了很大的变化 以至于电机的负荷变化太 快 容易造成电机损坏 综上所述 采样头的驱动机构的工作工况比较复杂 采样头既要能切开 坚硬的表层物质 又要能在表层下面的松软物质中转速均匀 所以本文用了液 压驱动系统 以实现复杂的工况要求 而需要解决的问题是 首先 采样头在 坚韧物料表层钻采时 采样头的扭矩比较小 但是转速比较高 进给量较小 采用高速切削的方法及原理来破开表层的固化抑尘层 从而解决传统采样机无 法破开固化抑尘层的缺点 其次 当在铜物料里层取样时 采样头转速较低 扭矩较大 进给量也比较大 这样有利于提高采样机的采样效率 同时当物料 条件改变时 转速要可调 比如由铜物料变为其他金属物料或者煤时 又在采 样过程中遇到矸石等其他坚硬物质时 采样头的转速和扭矩能够自动调节 3 4 铜物料采样机采用液压驱动系统的原理设计 3 4 1 原理设计 采样头头部的切削刀具直径为2 5 0 3 0 0 m m 采样头驱动系统主要由液压 泵站 阀块组 管路 液压马达 减速器 大小齿轮 主轴承及密封组成 液 压系统如图3 3 所示 设计成开式回路 可适应两种工况 即软物料工况况时的 低速大扭矩和硬物料况时的高速小扭矩 两种工况转换可通过控制电磁换向 阀6 来实现 当电磁铁失电时 溢流阀7 确定系统的最大压力 此时 系统压 力调定为1 0M P a 输出扭矩小 但流量大 最大为5 0 L m i n 输出转速高 当 电磁铁得电时 溢流阀8 确定系统的最大压力 此时 系统压力调定为2 0 M P a 输出扭矩大 但流量小 输出转速低 采样头转速通过调节变量泵2 的排量实 现 压力传感器4 测量液压马达的进口油压力 压力信号经处理后反馈到变量 泵的比例阀上 构成速度闭环控制系统 液压马达9 和1 0 的正反转可通过电 液换向阀3 来控制 电磁铁B l 得电 马达正转 电磁铁B 2 得电 马达反转 该阀的开启压力约为0 8 5 M p a 硕士学位论文 I I 图3 3 液压系统原理 3 4 2 相关计算及动力元件的选择 根据固化抑尘层的力学性能 要破开物料表面的固化抑尘层 采样头转 速为2 0 0 r m i n 时 需要的扭矩约为1 1 7 K N m 此时液压马达的最大输出扭矩 为 1 3 J k 毒二 l c l j z 棚j 1 1 7 0 0 0 一 5 9 3 8 0 4 2 0 8 1 5 3 4 N m 其中协为马达的机械效率 之为齿圈速比 z 肘为马达的个数 为减速机的减 速比 液压马达进出I 1 工作压差为 1 5 铜物料采样机关键技术的研究 卸 垒k q 棚m m 2 n 1 5 3 4 一 4 5 6 0 9 2 3 5 M P a 其中q m 为马达的排量 1 1 m m 为马达的机械效率 所以系统最大工作压力确定 为2 4M p a 液压马达选用的是R e x r o t h 公司的A 2 F E 4 5 6 1 W N Z L l 9 1 其标 硕士学位论文 电机的输出功率 M 型一 q 棚拍胡印 2 2 6 8 一 0 9 X 0 9 0 9 x 0 9 8 1 7 K W 3 4 4 采样头驱动液压站的设计 为满足系统高压 大流量的需求 集成控制阀块采用二通插装阀结构 先 导控制元件包括安全阀7 8 和换向阀6 插装件为锥阀结构 是D 型带阻尼孔的 N G 3 2 通径插件 通过合理设计控制盖板的流道 与先导控制阀组合后可以控制 插装件的工作状态 控制盖板内还配置一个阻尼螺塞 调整插装件的响应时间 所有插件安装在符合D N 2 4 的安装孔内 该液压站满足采样头及液压缸的驱动 通常采样头驱动液压系统的能耗较大 需要散发的最大热功率可按主驱动 电机的功率损失全部转化成热量计算 根据要求 液压系统需要对油箱液面 温 度实现自动监控 在油箱上安装了液位控制继电器和温度控制继电器 液位控 制继电器的高位触发 系统报警 低位触发 系统停机 温度控制继电器既能输 出开关信号 又能输出模拟信号 当温度达N 5 5 继电器触发 冷却系统启 动 当温度低于4 0 继电器触发 冷却系统关闭 图3 4 变量控制原理 1 7 铜物料采样机关键技术的研冗 3 4 5 电液比例控制原理分析 泵的变量控制原理如图3 4 所示 泵的排量在其整个范围内可无级调节 变 量调节特性如图3 5 所示 q g q g m a x 为实际输出排量与最大排量之比 泵的排量 在其整个范围内可无级调节 并与比例电磁铁的控制电流成比例 8 0 0 要6 0 0 爝 翌4 0 0 莲 匿 幂2 0 0 羞 0 缸 缸硼 O 图3 5 变量调节特性 变量控制机构包括带比例电磁铁的流量控制先导阀1 压力适应先导阀2 压力反馈油缸3 推杆4 折形杆5 带弹簧的推杆6 变量缸7 梭阀8 这是一个 压力 位移 力反馈式排量调节机构 先导级的位移输入由比例电磁铁给出 先 导级的力平衡方程决定阀口开度 变量缸的力平衡方程决定变量活塞的位移 若泵的G 油1 2 1 没有外接控制油 泵开启时 系统没有压力 推杆6 上的弹簧 推动它到最左侧位置 这时斜盘倾角最小 泵的排量最小 此时 变量缸7 的活 塞在最右侧位置