周 媛 周 璐 王永超 羅隕飛，2

(1.力鴻智信(北京)科技有限公司，北京市順義區(qū)，101312； 2.中國質(zhì)量檢驗(yàn)協(xié)會(huì)煤炭專業(yè)委員會(huì)，北京市順義區(qū)，100125； 3.北京華夏力鴻商品檢驗(yàn)有限公司滄州渤海新區(qū)分公司，河北省滄州市，061000 )

1 引言

長久以來，我國煤炭樣品的制備工作通常是采用人工操作或者聯(lián)合制樣機(jī)輔助人工的方式進(jìn)行，主要包括破碎、篩分、混合和縮分等過程，但是所使用的制樣設(shè)備需要一定的周期且由于需要人員操作及制樣工序的轉(zhuǎn)接，存在制樣周期長、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣、制樣效率低等實(shí)際操作問題，還包括隨之帶來的制樣精度難以保證、偏倚過大以及人為誤差和二次污染等問題。這不僅僅給企業(yè)的管理工作帶來了極大的困難，同時(shí)還容易在煤炭貿(mào)易發(fā)展過程中發(fā)生供需雙方的質(zhì)量糾紛，難以滿足行業(yè)質(zhì)量控制和質(zhì)量提升工作的要求。

近年來，國內(nèi)外各研發(fā)單位開始對(duì)煤炭自動(dòng)制樣系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，逐步研制出了集破碎、縮分、干燥、制粉、稱重、包裝、除塵等功能于一體的全自動(dòng)煤炭制樣系統(tǒng)。盡管這些自動(dòng)制樣系統(tǒng)大大減輕了制樣工人的工作勞動(dòng)強(qiáng)度，改善制樣環(huán)境，提高了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但仍然存在著一些問題亟待解決，例如離線制樣時(shí)必須有人值守；主要設(shè)備的除塵效率有待提高，除塵布局需優(yōu)化；面對(duì)不同客戶的留樣需求，該系統(tǒng)也無法滿足客戶需求等。

為了從根本上消除人為因素帶來的質(zhì)量糾紛，提升系統(tǒng)整體的自動(dòng)化和智能化程度，滿足制樣精度和不同用戶個(gè)性化的需求，力鴻智信(北京)科技有限公司設(shè)計(jì)、研發(fā)和生產(chǎn)制造了IPS煤炭機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)集煤炭破碎、縮分、干燥、制粉、稱重、包裝、除塵等功能于一體，可實(shí)現(xiàn)自感知、自判斷、自適應(yīng)、自執(zhí)行、自學(xué)習(xí)，是一套可實(shí)現(xiàn)完全無人值守的智能制樣系統(tǒng)。它不僅有效避免了因人工操作而帶來的人為誤差和二次污染等問題，同時(shí)也降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度、改善了制樣車間環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)智能化、信息化在煤炭行業(yè)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 煤炭機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工藝流程

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤炭機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)主要由制樣前置處理單元、大樣處理單元自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)、人工加料系統(tǒng)、入料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、機(jī)器人制樣單元和控制系統(tǒng)等系統(tǒng)單元組成，其中機(jī)器人制樣單元還包括破碎單元、研磨單元、縮分單元、烘干單元、恒溫恒濕單元以及智能灌裝單元，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工藝流程

煤炭機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

3 性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 各環(huán)節(jié)損失率及系統(tǒng)損失率檢驗(yàn)

選取20～30 kg不同質(zhì)量的煤樣分別通過煤炭機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)，并記錄各環(huán)節(jié)留樣質(zhì)量和棄樣質(zhì)量，根據(jù)留樣和棄樣質(zhì)量可計(jì)算各環(huán)節(jié)損失量和各環(huán)節(jié)損失率、系統(tǒng)總損失量和總損失率。如此重復(fù)進(jìn)行10組試驗(yàn)，以10組試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為損失量的最終結(jié)果并進(jìn)行最終判定。

圖2 煤炭機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)工作流程

3.2 質(zhì)量縮分比檢驗(yàn)

該設(shè)備選取質(zhì)量區(qū)間為20～120 kg煤樣分別進(jìn)行切割次數(shù)和留樣質(zhì)量檢驗(yàn)，收集每組試驗(yàn)后的棄樣以計(jì)算6 mm破碎縮分單元的損失率。每種質(zhì)量區(qū)間進(jìn)行不同組數(shù)試驗(yàn)，取每組平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。每個(gè)質(zhì)量區(qū)間進(jìn)行3組試驗(yàn)，以3組試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為每個(gè)質(zhì)量區(qū)間的最終結(jié)果并進(jìn)行最終判定。

3.3 各級(jí)破碎粒度檢驗(yàn)

從入料系統(tǒng)處加入一個(gè)樣品經(jīng)6 mm破碎機(jī)破碎后收集全部留樣和棄樣并稱重。根據(jù)《煤樣的制備方法》(GB 474-2008)標(biāo)準(zhǔn)，使用6 mm標(biāo)準(zhǔn)篩分別對(duì)收集的試樣進(jìn)行篩分，計(jì)算其標(biāo)稱最大粒度。如此重復(fù)進(jìn)行40組試驗(yàn)，以40組試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為出料粒度的最終結(jié)果并進(jìn)行最終判定。

3.4 不同灰分煤種交叉制樣檢驗(yàn)

選取不同灰分的兩種煤，將其隨機(jī)依次進(jìn)入機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)進(jìn)行制樣試驗(yàn)，將制得樣品的灰分與人工制樣試驗(yàn)對(duì)比。如此重復(fù)進(jìn)行10組試驗(yàn)，以10組試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行判定。

3.5 全水分、灰分等參數(shù)偏倚檢驗(yàn)

將同一煤種依次進(jìn)入機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)進(jìn)行制樣試驗(yàn)，將機(jī)器人制得的全水分樣品和灰分樣品與人工制樣試驗(yàn)比對(duì)。如此重復(fù)進(jìn)行20組，以20組試驗(yàn)結(jié)果方差進(jìn)行判定。

3.6 精密度檢驗(yàn)

按照《煤樣的制備方法》(GB 474-2008)和《煤炭機(jī)械化采樣》(GB/T 19494.3-2004)標(biāo)準(zhǔn)所述的方法，從0.2 mm縮分階段制成的連續(xù)20對(duì)一般分析試驗(yàn)煤樣品中隨機(jī)抽取10對(duì)試樣，測定試樣的空干基水分和空干基灰分，得到干基灰分，進(jìn)行精密度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判定該系統(tǒng)的精密度是否符合要求。

4 結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)整體損失率

在該系統(tǒng)的各級(jí)留樣量均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，記錄煤炭機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)的各級(jí)留樣質(zhì)量，計(jì)算系統(tǒng)的整體損失量，其數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)損失量及損失率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出，該系統(tǒng)的最大整體損失率為2.93%，平均損失率為2.56%，滿足國標(biāo)的要求。

4.2 質(zhì)量縮分比

通過對(duì)煤樣入料質(zhì)量及留樣質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)，可以得出每次縮分過程的質(zhì)量比和平均值，其應(yīng)滿足《錘式破碎縮分聯(lián)合制樣機(jī)通用技術(shù)條件》(MT/T 936-2005)中對(duì)質(zhì)量縮分比的技術(shù)要求。質(zhì)量縮分比從一定程度上反映了縮分樣品是否具有代表性，其制樣精度是否符合要求，煤樣在制樣過程中是否產(chǎn)生偏移量等關(guān)鍵性能指標(biāo)。不同入料質(zhì)量與切割次數(shù)見表2。

表2 不同入料質(zhì)量與切割次數(shù)

在煤流經(jīng)過縮分器進(jìn)行縮分時(shí)，其有效切割次數(shù)必須大于60次，根據(jù)表2可知，在不同進(jìn)煤質(zhì)量的條件下，其縮分器的平均有效切割次數(shù)均大于60次，滿足要求。在有效切割次數(shù)滿足要求的條件下，縮分精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

該系統(tǒng)的自適應(yīng)定質(zhì)量縮分程序可根據(jù)進(jìn)樣時(shí)自動(dòng)稱量得到的進(jìn)樣質(zhì)量，計(jì)算出定質(zhì)量縮分的縮分比，智能調(diào)整最優(yōu)的縮分參數(shù)，在入料量為20～120 kg的范圍內(nèi)，使切割次數(shù)和留樣質(zhì)量穩(wěn)定且滿足國標(biāo)要求。

4.3 各級(jí)破碎機(jī)出料粒度檢驗(yàn)

為了確定煤炭機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)的出料粒度，對(duì)各級(jí)煤樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4、表5和表6。經(jīng)過一、二、三級(jí)破碎機(jī)破碎后煤樣的標(biāo)稱最大粒徑分別為6.0 mm、3.0 mm和0.2 mm。

表3 縮分精度試驗(yàn)結(jié)果

表4 一級(jí)破碎篩分試驗(yàn)(全水樣)

表5 二級(jí)破碎機(jī)篩分試驗(yàn)(存查樣)

每一階段破碎過程均對(duì)其破碎后煤樣粒度分布有預(yù)期要求，每個(gè)環(huán)節(jié)的篩上物質(zhì)量均有其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。一級(jí)破碎縮分出料粒度≤6 mm，要求過篩率≥95%；二級(jí)破碎縮分出料粒度≤3 mm，要求過篩率≥99%；研磨機(jī)出料粒度≤0.2 mm，要求過篩率≥98%。

表6 研磨機(jī)篩分試驗(yàn)(分析樣)

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，煤炭機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)的6 mm和3 mm樣品均滿足國標(biāo)的要求，一般分析試驗(yàn)0.2 mm樣品粒度基本滿足要求。

4.4 不同灰分煤種交叉制樣

將高灰煤和低灰煤按順序依次進(jìn)入煤炭機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)，一共20組。其灰分化驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 不同煤種交叉制樣灰分?jǐn)?shù)據(jù)

表7的灰分化驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表明，在高灰煤和低灰煤連續(xù)依次進(jìn)樣時(shí)，不存在混煤現(xiàn)象，該系統(tǒng)在連續(xù)多次制備高、低灰樣品時(shí)，其檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性都與人工制樣檢測結(jié)果相差無幾，能夠很好滿足制樣的需求。

4.5 偏倚

4.5.1 灰分偏倚

將煤炭機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)所制備出的一般分析試驗(yàn)樣品與人工制備出的一般分析試驗(yàn)樣品進(jìn)行化驗(yàn)，測定其灰分和發(fā)熱量，進(jìn)行偏倚測定。由表7可知，煤樣灰分原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可疑值為第11對(duì)子樣，|dmax|=0.70%，∑d2=1.3673，計(jì)算C=0.358?；曳种形恢蹬判蛞姳?，灰分群數(shù)的計(jì)算見表9。

表8 灰分中位值排序

由表8查得C20=0.480，由于C

表9 灰分群數(shù)的計(jì)算

由表8和表9可知，差值的中位值為0.045%，計(jì)算差值符號(hào)的轉(zhuǎn)換數(shù)(群數(shù))r= 11；n1=8，n2=10；根據(jù)《煤炭機(jī)械化采樣》(GB/T 19494.3-2004)標(biāo)準(zhǔn)查得，此時(shí)顯著性下限L為7，顯著性上限U為13，r落在L和U之間，說明這一差值系列相互獨(dú)立。

灰分設(shè)定的最大偏倚為0.2%，實(shí)際檢測結(jié)果表明，煤炭機(jī)器人制樣系統(tǒng)不存在灰分的實(shí)質(zhì)性偏倚。

4.5.2 干基高位發(fā)熱量偏倚

煤樣干基高位發(fā)熱量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表10。

表10 干基高位發(fā)熱量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表10可知，可疑值為第11對(duì)子樣，|dmax|=0.22%，∑d2=0.1496，計(jì)算C=0.267。由《煤炭機(jī)械化采樣》(GB/T 19494.3-2004)標(biāo)準(zhǔn)查得C20=0.480；由于C

干基高位發(fā)熱量中位值排序見表11，干基高位發(fā)熱量群數(shù)的計(jì)算見表12。

表11 干基高位發(fā)熱量中位值排序

由表11和表12可知，差值的中位值為0.00%，計(jì)算差值符號(hào)的轉(zhuǎn)換數(shù)(群數(shù))r= 11；n1=9，n2=10；根據(jù)《煤炭機(jī)械化采樣》(GB/T 19494.3-2004)標(biāo)準(zhǔn)查得，此時(shí)顯著性下限L為7，顯著性上限U為14，r落在L和U之間，說明這一差值系列相互獨(dú)立。

干基高位發(fā)熱量設(shè)定的最大偏倚為0.17 MJ/kg，實(shí)際檢測結(jié)果表明，制樣系統(tǒng)不存在干基高位發(fā)熱量的實(shí)質(zhì)性偏倚。

表12 干基高位發(fā)熱量群數(shù)的計(jì)算

4.5.3 收到基低位發(fā)熱量偏倚

煤樣收到基低位發(fā)熱量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表13。

表13 收到基低位發(fā)熱量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表13可知，可疑值為第11對(duì)子樣，|dmax|=0.28%，∑d2=0.3097，計(jì)算可得C=0.253。由《煤炭機(jī)械化采樣》(GB/T 19494.3-2004)標(biāo)準(zhǔn)查得，C20=0.480；由于C

收到基低位發(fā)熱量中位值排序見表14，收到基低位發(fā)熱量群數(shù)的計(jì)算見表15。

表14 收到基低位發(fā)熱量中位值排序

由表14和表15可知，差值的中位值為0.06%，計(jì)算差值符號(hào)的轉(zhuǎn)換數(shù)(群數(shù))r= 9；n1=10，n2=10；根據(jù)《煤炭機(jī)械化采樣》(GB/T 19494.3-2004)標(biāo)準(zhǔn)查得，此時(shí)顯著性下限L為7，顯著性上限U為15，r落在L和U之間，說明這一差值系列相互獨(dú)立。

表15 收到基低位發(fā)熱量群數(shù)的計(jì)算

收到基低位發(fā)熱量設(shè)定的最大偏倚為0.17 MJ/kg，實(shí)際檢測結(jié)果表明，制樣系統(tǒng)不存在收到基低位發(fā)熱量的實(shí)質(zhì)性偏倚。

4.6 精密度

表16 精密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

5 結(jié)語

通過對(duì)煤炭機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)的性能試驗(yàn)，其灰分及全水分偏倚、精密度都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，證明該系統(tǒng)可以代替人工及其他自動(dòng)設(shè)備用于煤炭樣品的制備，該系統(tǒng)操作簡單、維護(hù)方便，其模塊化設(shè)計(jì)便于技術(shù)的改造和更新?lián)Q代。煤炭機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)的應(yīng)用能夠改善人工制樣較為惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，提高制樣工作效率，保證煤樣的代表性。煤炭機(jī)器人智能制樣系統(tǒng)的應(yīng)用示范表明，該技術(shù)成果在煤炭制樣領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值和市場價(jià)值，為后續(xù)該系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了有力的基礎(chǔ)。