摘要：基于取样系统现状，以及自动取样机的速度特性和负载特性，提出了一种新型液控自动取样方式，该方式由液压缸驱动取样小车，在输送带出料端，垂直于送料方向取样。利用液压系统调速简便、稳定性好的特点，根据取样量大小，调节取样小车速度，且速度均匀稳定，保证了取样的准确性。该机经试运行，性能良好，为实际系统提供了有价值的新方法。
在钢铁厂、火电厂、矿山等企业中，均需要对输送带上的原料，如铁矿石、煤、焦炭等，进行取样。如火电厂对输送带上的电煤进行取样，燃煤质量分析结果的可靠性取决于采样、制样和化验3个环节，其中，采样环节对分析结果所造成的误差影响最大，以方差表示约占80%，因此采样代表性是确保燃煤分析数据准确可靠的关键因素[1]。对炼铁质量与效率、煤的有效利用的影响等等直接关系到冶金企业的产品质量、生产效率等。
目前我国企业引进的国外自动取样机主要采用电机通过机械装置驱动，利用齿轮齿条的传动方式进行取样，实现自动取样和分级，并且可以在原料的颗粒不符合要求的情况下实现自动报警。但这种取样方式由于所采用机械装置具有较大的惯性，从启动到稳速需要较长的时间，因此，自动取样机的速度就受到了一定的限制，使得取样量大，造成下级的多级检测装置体积较大，增加了设备成本，同时也为检测后原料的后续处理造成较大的劳动负荷。在国内，有些企业仍采取人工取样的方式，工人劳动强度大，试样的准确性会受到人为因素影响。目前，有不少企业及研究者都在进行该方面的工作，逐渐地用自动取样机取代人工取样，并出现了应用于多种用途的多种类型自动取样机[1～3]。但在目前的资料中，尚未见到采用液压传动方式的自动取样机。
在取样量尽量少的条件下，为了满足检测的高精度，郑州大学机械工程学院于2007年开始研制自动取样机，经过充分调研，方案对比，认为液压系统的启制动方便、无级调速、灵活布局和驱动功率比大等特点[4]，能够较好地满足系统需要。为此，确定取样机的设计采用新型的液压传动驱动方式。经对样机实际取样情况下的多项性能测试，结果表明，新型液控自动取样机性能稳定可靠，可以在工业现场应用。
1 自动取样机的速度特性与负载特性
在取样小车从一端向另一端的运动过程中，经历了启动加速、匀速取样与制动停止三个阶段，其速度特性曲线如图1所示。
(1)启动加速阶段。取样小车从静止启动到速度达到取样的匀速速度前的过程。由于输送带上原料的输送量较大，决定了取样小车取样时的移动速度较快，而取样小车的移动距离又有限，因此，取样小车的启动加速度势必较大，这就要求取样小车启动快速平稳。
(2)取样阶段。此阶段要求取样小车匀速移动。取样小车启动后取样前是空行程，在从开始取样到取样结束整个取样过程，一是取样量的变化是一个从小到大，再到小的逐渐变化过程;二是取样时，原料的下落对小车的冲击载荷也是一个从小到大，再逐渐变小的过程。二者综合作用的小车载荷情况如图2所示。图中的负载曲线在加速与制动阶段的值并不为零，这是因为图中曲线是钢丝绳上的张力曲线，在启动与制动阶段，钢丝绳上仍有空车加减速时惯性力与摩擦力等作用的结果。在整个取样过程中，作用在取样小车上的载荷是一个变载荷。而且，由于原料的粒度大小不一，尺寸变化较大。因此，在取样阶段，载荷的逐渐变化过程中，还伴随有一定的局部冲击特性。在这种冲击性的变载荷情况下，要保证取样小车的匀速运动状态，这就给匀速控制提出了较高的要求。
(3)制动停止阶段。取样小车取样结束，制动减速直到停止。本段要求制动迅速并且停止平稳。
2 液控自动取样机的工作原理
取样的基本原理：为了保证取得输送带上原料的真实性，取样尽量与实际原料的粒度大小的比率一致，必须沿输送带垂直方向取出均匀的一段原料。
自动取样机取样过程的原理如图3所示。
取样小车的横向移动受液压缸的驱动，当液压缸的缸筒移动时，与缸筒固连的齿条带动齿轮转动。齿轮又驱使装在同一轴上两端的驱动轮回转，驱动轮通过其上的钢丝绳拉着取样小车在导轨上移动。为了防止钢丝绳在张紧轮上的相对滑移对取样小车速度控制特性产生影响，钢丝绳通过导轨另一端的张紧轮张紧，保证一定的张力。取样小车移动的整个过程中，经历启动加速、匀速取样与制动停止三个阶段，其中，只有匀速取样阶段才是取样小车的有效工作行程。取样阶段的匀速特性由液压系统进行控制，可以较方便地实现稳速与无级调速目的。
3 液压传动系统工作原理
自动取样机液压传动系统原理见图4。
在系统启动过程中，首先使电磁溢流阀的电磁铁通电，液压泵处于低出口压力的卸荷状态，使液压泵低负载启动，在达到稳定转速后，使电磁溢流阀的电磁铁断电，溢流阀起作用。当换向阀处于中问工作位置时，液压泵的所有出口流量都经溢流阀回油箱。
当换向阀的一端电磁铁通电时，假如左边电磁铁通电，系统压力油经单向阀进入液压缸左腔。由于液压缸由活塞杆固定，所以左腔进油时，缸简向左匀速运动，通过齿轮驱动取样小车运动进行取样工作。缸右腔的油液则经右边的行程阀、换向阀与调速阀回油箱，缸筒的运动速度由调速阀调节。当取样小车取样行程结束，需要制动时，与缸筒相连的挡铁压下右边的行程阀，液压缸右腔的油液只能通过右边的节流阀回油，回油阻力增加，液压缸制动，紧接着换向阀的电磁铁断电(受行程开关控制)处于中位，液压缸进一步减速制动，直至停止。这种两级制动方式达到了较好的制动效果。当液压缸需要反向运动时，只需要切换换向阀的工作位置即可。
针对不同地区的工作环境，为了保证液压系统油液的正常工作温度，根据需要，可在油箱上安装加热器或冷却器，油箱的温度通过液位温度计显示。另外，由于自动取样机所处工作环境的空气中粉尘较多，容易污染液压油，一定要在油箱上安装空气过滤器，油箱一定要保证适当的密封。
该系统的控制采用传统的继电器控制即可，实现容易，成本低，工作可靠，操作简便。
4 液控自动取样机系统的特点
(1)系统采用了电磁溢流阀的卸荷回路。当系统处于取样的工作过程时，电磁溢流阀的电磁铁断电，溢流阀起作用，调定系统的工作压力;当电磁铁通电时，液压泵的出口液压油通过电磁换向阀直接回油箱，液压泵卸荷。这样可以防止液压泵及电机的频繁启制动，同时达到节能的目的，还便于液压泵的轻载启动。
(2)系统采用了回油路调速回路。通过调节调速阀，可以很方便地达到无级调节液压缸速度的目的，满足多种取样速度的要求。由于液压缸的回油腔一直存在一定的背压，有利于速度的稳定，尤其是在变载荷的工况下，该回路具有较好的速度刚性，能较好地满足取样过程中负载变化时的速度稳定。该回路缺点是效率较低，但由于取样过程是一个工作周期很短的过程，通常情况下只有儿秒钟的时间，因此效率高低对系统的性能几乎没有影响。
(3)采用可调行程控制缓冲回路。在行程控制换向阀被行程挡铁压下之前，液压缸处于正常取样的恒速阶段。压下后，液压缸回油腔的油液只能通过节流阀回油，迫使液压缸减速。液压缸缓冲行程的长短控制可通过调节挡铁与行程阀间相对位置实现，减速快慢由节流阀调节，可方便地根据取样量及取样小车速度调节缓冲的效果。
(4)采用双出杆液压缸的控制方式，可以实现取样小车双向取样的工作行程，利用一只换向阀控制液压缸的换向，控制操作简单，可靠性高。
(5)通过液压缸到取样小车间的增速机构，较方便地实现了用短行程完成取样大行程的目的。同时，也使液压缸不致于工作在较大的速度下，可以使液压缸获得较稳定的速度。
5 结束语
目前，该取样机即将作为辅助检测设备应用在首钢新建的高炉项目中。
样机测试表明：
(1)该液控自动取样机克服了国外常用的机械传动取样方式的缺点，能够实现快速取样，且取样量可以在一定范围内无级调节，应用范围广。
(2)此种取样方式的开发，可以取代国内的人工操作方式，有效减轻了劳动强度，而且操作简便，可靠性高。
该液控自动取样机，对于钢铁厂铁矿石粒度检测系统中的取样，提供了一种新方法，具有较高的实用价值。
参考文献：
[1]张国辉.CYJ型入炉煤机械采样装置的改造[J].浙江电力，2004，23(1)：60-62.
ZHANG Guo-hui.Retrofit of CYJ coal sample collecting machine[J].Zhejiang Electric Power，2004，23(1)：60-62.
[2]段敬稳，李柳，董福有.新型焦炭自动取样机[J].燃料与化工，2002，33(6)：301-304.
[3]张 洛.双臂全断面煤流自动取样机采样器的运动原理及参数的优化[J].唐山工程技术学院学报，1995，17(1)：33-38.
ZHANG Luo.Principle of motion and optimization of parameters for the sampler of double arm-full section-auto sampling machine used in coal flow sampliy[J].Journal of Tangshan Engineering Technology Institute，1995，17(1)：33—38.
[4]章宏甲，黄谊，王积伟.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2000.
