摘要：在分析自动取样机现状以及取样小车的速度特性和负载特性的基础上，提出了一种新型的液控自动取样机的取样方式，并给出了自动取样机的液压传动系统，同时，基于AMESim软件，建立了系统的仿真模型，进行了仿真分析，结果表明液压取样方式能够较好地满足取样特性要求，为实际系统的开发提供了有实用价值的新方法。
关键词：自动取样机；液压系统；仿真研究
1 引言
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 ] 。原料取样的准确度就会影响到检测样品的检测质量，势必影响到炼铁的质量与效率、煤的有效利用等等。因此，取样的准确度直接关系到企业的产品质量，生产效率等。
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，有不少企业及研究人员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的自动取样机[ 1，2，3 ] 。有的采用电机驱动，启制动的时间比较长，影响到取样的有效行程;有的也并非是完全沿皮带输送机的全截面进行取样，势必影响到取样的准确度[ 2，3 ] 。
在引进的国外自动取样机中，有的采用电机控制，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，其取样小车的速度就受到一定的限制，使得取样量大，造成下级的多级检测装置较大，增加了设备成本，同时也给检测后原料的后续处理造成很大的负担。因此，在既满足检测的高精度，又在取样量尽量少的基本要求下;同时，也为了改善国内现行的人工取样的现状，利用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 ] ，本文提出了一种新型的液压控制自动取样机，能够较好地满足系统需要。
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，尽量与实际原料一致性，必须沿输送带垂直方向取出均匀的一段原料。而且在正常的取样期间，要求取样小车的速度基本保持不变，可以实现往复取样。
自动取样机取样过程的原理图如图1所示。取样小车4的横向移动受液压缸1的驱动，当液压缸1的缸筒移动时，与缸筒固连的齿条带动齿轮2转动。齿轮2又驱使装在同一轴上两端的驱动轮3回转，驱动轮3通过其上的钢丝绳5拉着取样小车4在导轨8上移动。钢丝绳5通过导轨另一端的涨紧轮6涨紧，为了尽量减少钢丝绳张力对取样小车的速度控制特性，要保证一定的张力。取样小车在移动的整个过程中，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，可以较方便的实现稳速与无级调速目的。
图1 取样系统的工作原理
1—液压缸; 2—齿轮; 3—驱动轮; 4—取样小车; 5—钢丝绳; 6—涨紧轮; 7—输送带; 8—导轨
3 液压传动系统工作原理
自动取样机的液压传动系统图如图2所示。在系统启动过程中，首先使电磁溢流阀2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2的电磁铁断电，溢流阀起作用，当换向阀4处于中间工作位置时，液压泵的所有出口流量都经溢流阀回油箱。
图2 液压系统工作原理图
1—过滤器; 2—液压泵; 3—电磁溢流阀; 4—换向阀;
5—单向阀; 6—节流阀; 7—行程换向阀; 8—齿轮;
9—液压缸; 10—调速阀; 11—压力表; 12—压力表开关;
13—液位温度计; 14—加热器或冷却器; 15—空气过滤器
当换向阀4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5进入液压缸的左腔。由于液压缸是活塞杆固定，所以左腔进油时，缸筒向左匀速运动，通过齿轮8 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4与调速阀10回油箱，缸筒的运动速度由调速阀10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4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。这种两级制动的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4的另一端电磁铁的通电即可，其工作原理与上述相同。
针对不同地区的工作环境，为了保证液压系统的油液的正常工作温度，根据需要，在油箱上安装加热器或冷却器14，油箱的温度通过液位温度计13显示。再者，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15，油箱一定要保证适当的密封。压力表11与压力表开关12用以了解系统的工作压力。
4 仿真研究
4. 1 AMESim仿真软件简介
AMESim软件是法国IMAGINE公司推出的专门用于液压机械系统的建模、仿真及动力学分析的仿真软件。它为流体传动提供一个完善、优越的仿真环境及最灵活的解决方案。用户能够借助其友好的、面向实际应用的界面，使用已有的元件模型和(或) 建立新的子模型元件，来构建优化设计所需的实际元件或回路的原型。其完善的时域与频域的分析工具，为系统的静动态特性提供了保证[ 5 ] 。
4. 2 仿真模型的建立
基于AMESim建立的仿真模型如图3所示。
图3 基于AMES im的液压系统仿真模型
1—液压泵; 2—溢流阀; 3、5—电磁换向阀; 4—电磁换向阀; 6—节流阀; 7—单向阀; 8—液压缸; 9—质量块; 10—传感器; 11—负载; 12—控制信号; 13—调速阀; 14—液压油
图中除液压缸的缓冲控制回路外与液压系统原理图2相同。这种应用AMESim中已有的液压元件模型块，建立模型很容易，仿真时，只要调节与元件、管道等有关的参数，使系统的性能达到最优。最后所得的最优参数，可以作为选择元件的依据。为了使液压缸的缓冲行程可调，此模型中用了一个位置传感器检测活塞杆伸出的距离x，然后与所调定的距离k比较，比较的结果作为控制二位换向阀的切换信号，即控制液压缸的缓冲效果。
4. 3 仿真结果分析
1) 调速阀调定流量值不变时，液压缸在变载荷下的速度特性
图4所示是活塞杆上所作用的载荷曲线，此载荷曲线是根据取样系统的载荷基本变化而设定。图4～图8都是此载荷作用下的仿真结果。
图4 取样小车作用的载荷曲线
图5所示是当调速阀调定流量为90L /min时，活塞杆伸出的速度变化曲线，由图中曲线可以看出:在开始阶段有一定的振动，这是由于开始时，取样小车本身自重所引起的摩擦力以及换向阀突然开启，所引起的流量突变的结果，此阶段是非工作区间，所以此阶段速度的变化不影响取样。但在后续的载荷变化时，速度只在载荷变化时才有一点小的波动，其波动的幅值也不大，对取样的影响可以忽略。从整个过程看，速度曲线是一条平行于水平轴的一条直线，速度基本处于恒定。此曲线是在放大载荷的变化值到1 倍情况下的仿真结果，如果按正常的工作载荷仿真，曲线上几乎看不出速度的波动。
图5 调速阀调定流量为90L /m in时的速度
2)调速阀调定流量值变化时，液压缸在变载荷下的速度特性
图5，图6和图7中的曲线为当调速阀调定流量分别为90L /min、115L /min与70L /min时的液压缸速度特性。从三条曲线中可以看出:速度无论大小，都基本上保持在一个定值;速度越低，速度越稳定，即速度的波动幅度越小。
3)液压缸在制动停止时的特性
液压缸在缓冲停止时，其制动时的速度变化的情况都如图8所示。只是速度较大时，在停止的瞬间，速度会有小小的波动，速度低时则较小。这是由于压力冲击引起的，可以通过调节行程阀的位置调节其效果。虽然速度波动，其是非取样工作范围，对取样不产生影响。但可以有效防止液压缸的撞击现象，延长液压缸的寿命。
图8 液压缸在制动停止时的特性
5 结论
通过以上的分析可以得出以下结论:
1)这种新型的液控自动取样机克服了国外常用的取样方式的缺点，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)通过对液压系统的特性分析及仿真结果表明，这种液压控制方式，可以保证取样小车在正常的取样工作区间，当速度基本恒定不变，可以较好地满足取样系统的性能要求。
3)所采取的液压缓冲回路，其缓冲效果较好，有效地抑制了液压冲击。
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目的。
同时，也使液压缸不致工作在较大的速度下，保证液压缸获得较稳定的速度。
该种液控自动取样机，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，具有一定的实用价值。
参考文献
[ 1 ]张国辉. CYJ型入炉煤机械采样装置的改造. 浙江电力，2004 (1) : 60～62
[ 2 ]段敬稳，李柳，董福有. 新型焦炭自动取样机. 燃料与化工，2002 (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. 唐山工程技术学院学报，1995 (1) :33～38
[ 4 ]章宏甲，黄谊，王积伟. 液压与气压传动. 北京:机械工业出版社，2000(end)
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