日照港散裝糧谷機(jī)械化采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)方案

袁曉鷹 常福金 林令海 滕建輪 趙廣法 張永春 李興業(yè) 高曉曉

（日照出入境檢驗(yàn)檢疫局 山東日照 276826）

1 前言

日照港的散裝糧谷機(jī)械化采制樣系統(tǒng)是引進(jìn)美國(guó)intersystems公司產(chǎn)品，包括全斷面頭部采樣機(jī)、旋轉(zhuǎn)式縮分器、16位樣品收集器、觸摸屏及PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)。日照港有兩套這樣的系統(tǒng)，于2015年10月在日照港裕廊碼頭正式投入使用，到目前為止，已按《ISO 24333—2009谷物及谷物制品-采樣》標(biāo)準(zhǔn)完成了進(jìn)口大豆的1660批次，約1770萬(wàn)t的采樣，所采取的樣品準(zhǔn)確可靠，均得到滿(mǎn)意結(jié)果，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)要求[1]

（1）系統(tǒng)用全新、最適當(dāng)?shù)牟牧嫌梢涣鞯墓に囍圃欤哂屑夹g(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)越、穩(wěn)定性好、使用方便、生產(chǎn)效率高、維修保養(yǎng)省時(shí)等特點(diǎn)，能滿(mǎn)足頻繁卸船作業(yè)及24 h連續(xù)卸船作業(yè)的需要。同時(shí)，設(shè)備使用時(shí)噪聲以及粉塵對(duì)環(huán)境的污染，均符合環(huán)境保護(hù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）所有設(shè)備均正確設(shè)計(jì)和制造，在正常工況下均能安全、持續(xù)運(yùn)行，而不存在有過(guò)度的應(yīng)力、振動(dòng)、溫升、磨損、腐蝕、老化等問(wèn)題。

（3）設(shè)備零部件采用先進(jìn)、可靠的加工制造技術(shù)，有良好的表面幾何形狀及合適的公差配合。

（4）系統(tǒng)各轉(zhuǎn)動(dòng)部件運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，各密封處不得漏油。

（5）潤(rùn)滑部分密封良好，不得有油脂滲漏現(xiàn)象。

（6）外露的轉(zhuǎn)動(dòng)部件設(shè)置防護(hù)罩，且便于拆卸。人員易于達(dá)到的運(yùn)動(dòng)部位設(shè)置防護(hù)欄，但不應(yīng)妨礙維修工作。

（7）驅(qū)動(dòng)裝置安裝在有足夠剛度和精度的機(jī)架上。為減小占用空間，驅(qū)動(dòng)裝置采用合理的布置形式。

（8）減速器機(jī)械功率的額定值等于或大于電機(jī)銘牌功率與使用系數(shù)乘積。減速器的發(fā)熱功率等于或大于電機(jī)銘牌功率與使用系數(shù)乘積。減速器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度不超過(guò)70℃。減速器的傳遞功率滿(mǎn)足連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況條件。

（9）系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足散糧系統(tǒng)運(yùn)行方式的需要及粉塵防爆的要求，并能滿(mǎn)足人身安全和勞動(dòng)保護(hù)條件。

（10）系統(tǒng)為全封閉自清潔式，確保不堵料，并能防止粉塵外泄。

（11）系統(tǒng)的動(dòng)作與相對(duì)應(yīng)的散糧輸送系統(tǒng)聯(lián)鎖，必要時(shí)也可解除聯(lián)鎖，既可以在中控室遙控又可在現(xiàn)場(chǎng)操作。當(dāng)該系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能向散糧中控室報(bào)警并自動(dòng)停機(jī)，但不影響散糧輸送系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（12）通過(guò)PLC設(shè)定程序后整個(gè)采制樣流程自動(dòng)完成，交互界面為觸摸屏，不需人工干預(yù)。參數(shù)修改在觸摸屏上完成。

（13）采樣的預(yù)定時(shí)間間隔可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。

（14）每套系統(tǒng)提供一套就地電控柜（箱），系統(tǒng)可在現(xiàn)場(chǎng)就地操作也可遠(yuǎn)程控制，能接受遠(yuǎn)程的啟動(dòng)和停止指令，并提供電源、運(yùn)行、停機(jī)、故障、遠(yuǎn)程/就地切換開(kāi)關(guān)位置信號(hào)及其他認(rèn)為必要的信號(hào)。

（15）采樣系統(tǒng)設(shè)有完整的安全保護(hù)和報(bào)警裝置，如：設(shè)置必要的電氣和機(jī)械保護(hù)，避免堵料、過(guò)載等現(xiàn)象發(fā)生。

（16）樣品輸送系統(tǒng)的全部組件都必須是能夠證明不具有殺蟲(chóng)性或?qū)е录Z食有很大的破損。

2.2 機(jī)械性能要求[2]

2.2.1 采制樣系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)能夠無(wú)實(shí)質(zhì)性偏倚地收集份樣。

（2）系統(tǒng)可以采用單級(jí)或多級(jí)縮分器實(shí)現(xiàn)制樣。

（3）系統(tǒng)能在規(guī)定的條件下保持持續(xù)工作的能力。在更換品種時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)清掃運(yùn)行。

（4）系統(tǒng)中的設(shè)備能夠單機(jī)手動(dòng)運(yùn)行，整套系統(tǒng)具備緊急停機(jī)功能。

（5）系統(tǒng)布局合理，按流程依次布置，使份樣能順利通過(guò)，不堵塞，不存料。

2.2.2 頭部采樣器

（1）有足夠強(qiáng)度，可在規(guī)定的最?lèi)毫訔l件下工作。

（2）有足夠的容量以收集整個(gè)份樣或讓其全部通過(guò)，份樣不損失、不溢出。

（3）采用全封閉設(shè)計(jì)，在停機(jī)時(shí)，采樣口封閉，能避免樣品的污染。

2.2.3 切割器

（1）能截取完整的流量橫截段。

（2）前后邊緣在同一平面或圓柱面上，且垂直于糧流平均軌跡。

（3）開(kāi)口滿(mǎn)足糧流的各部分通過(guò)開(kāi)口的時(shí)間相等。

（4）不工作時(shí)，開(kāi)口封閉。

（5）可以讓整個(gè)份樣全部通過(guò)。

（6）切割速度為 0～0.5 m/s，切割周期最小設(shè)定的時(shí)間間隔為10 s。

（7）切割器切割間隔可按照質(zhì)量間隔或時(shí)間間隔進(jìn)行設(shè)定。

（8）保持每個(gè)份樣量一致，應(yīng)綜合考慮需切割器的開(kāi)口尺寸、切割速度和料流流量。保持切割速度一致，應(yīng)考慮后面縮分流程按定質(zhì)量縮分。

2.2.4 縮分器

（1）可使份樣順利通過(guò)，且份樣不溢出，任何部分不發(fā)生阻塞。

（2）縮分后廢棄樣部分自動(dòng)回到主系統(tǒng)。

（3）結(jié)構(gòu)緊密，避免對(duì)樣品的干擾；且內(nèi)壁光滑，無(wú)需清潔。

（4）縮分器分為兩種類(lèi)型，旋轉(zhuǎn)縮分和擺動(dòng)縮分。旋轉(zhuǎn)縮分器：系統(tǒng)中采用的旋轉(zhuǎn)縮分器，在多級(jí)縮分的前端使用；擺動(dòng)縮分器：系統(tǒng)中縮分樣品量較小時(shí)，在多級(jí)縮分的末端使用。

2.2.5 樣品收集器

（1）為密閉容器，可排除外部環(huán)境對(duì)樣品的污染。

（2）每個(gè)容器有4 kg的留樣容量。

（3）可連續(xù)工作，能自動(dòng)切換樣品罐，可同時(shí)放置16個(gè)樣品罐，并保證每個(gè)樣品的獨(dú)立性。

2.3 系統(tǒng)工藝

系統(tǒng)采用手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)3種控制方式，可切換運(yùn)行方式；同主皮帶運(yùn)行信號(hào)聯(lián)鎖，同時(shí)接收主皮帶的皮帶秤瞬時(shí)流量和累計(jì)流量信號(hào)，兩套系統(tǒng)獨(dú)立控制運(yùn)行，可對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并能承擔(dān)港口卸船系統(tǒng)間的信息傳遞及打印各種糧谷采樣報(bào)表?？刂婆_(tái)有顯示屏，可顯示設(shè)備運(yùn)行狀況。

設(shè)計(jì)工藝和控制流程滿(mǎn)足 《ISO 24333—2009：谷物和谷物產(chǎn)品-采樣》、《SN/T1894—2007：散裝糧谷自動(dòng)采制樣系統(tǒng)操作規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)要求[3-4]。糧谷采樣選用定量采樣為主、定時(shí)采樣為輔的形式，兩種方式可以切換。采樣機(jī)從流速均勻的料流中采取，在控制系統(tǒng)的人機(jī)界面可設(shè)定運(yùn)行方式和間隔，控制系統(tǒng)自動(dòng)接收皮帶秤的流量信號(hào)（瞬時(shí)流量和累積流量），當(dāng)滿(mǎn)足運(yùn)行要求后，自動(dòng)啟動(dòng)采樣系統(tǒng)，初級(jí)采樣機(jī)從帶式輸送機(jī)頭部橫向快速切取全斷面的料流，料流通過(guò)樣品輸送管路落入一級(jí)縮分器中，一級(jí)縮分后的樣品一路進(jìn)入二級(jí)縮分器，一路送入斗提機(jī)，二級(jí)縮分器縮分后的樣品一路進(jìn)入樣品收集裝置中，一路進(jìn)入直線振篩及觀測(cè)皮帶后被送到斗提機(jī)，所有進(jìn)入斗提機(jī)的余料被送到主料流系統(tǒng)，即散糧系統(tǒng)中的主帶式輸送機(jī)中。

2.4 性能試驗(yàn)[5-6]

衡量散裝糧谷機(jī)械化采制樣系統(tǒng)性能參數(shù)主要是采樣精密度、偏倚試驗(yàn)（系統(tǒng)誤差）、水分損失、顆粒破碎率、份樣的質(zhì)量變動(dòng)系數(shù)（CV值），在系統(tǒng)的機(jī)械環(huán)節(jié)中，由于設(shè)計(jì)加工、參數(shù)設(shè)置、糧谷的差異、運(yùn)行故障和系統(tǒng)密封等原因，均可能影響到系統(tǒng)得到最終樣品的代表性，造成每批糧谷的指標(biāo)（水分、蛋白質(zhì)、破損率等）出現(xiàn)長(zhǎng)期、單向、系統(tǒng)性偏差。糧谷機(jī)械化采制樣系統(tǒng)的性能試驗(yàn)是對(duì)整套系統(tǒng)技術(shù)條件、故障診斷、參數(shù)設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制和整體評(píng)價(jià)的重要手段，也是考核系統(tǒng)驗(yàn)收能否合格的依據(jù)。

2.4.1 采樣精密度

精密度是在規(guī)定條件下多次重復(fù)一測(cè)量程序所得結(jié)果間的符合程度，它是所用測(cè)量方法的一個(gè)特征。采樣精密度實(shí)驗(yàn)可選擇多份采樣方法，然后根據(jù)貨物卸貨情況選擇谷物的批次m，建議20批次以上；采樣批的重量；采樣間隔；每個(gè)采樣批的份樣數(shù)n。將n×m個(gè)份樣一次輪流放入j個(gè)容器中，合并成j個(gè)試樣。選定糧谷的測(cè)定參數(shù)，一般進(jìn)口大豆選擇水分、蛋白質(zhì)、不完善粒等指標(biāo)。精密度應(yīng)小于±0.3%，不然需增加份樣數(shù)重新試驗(yàn)。

按公式（1）計(jì)算多份試樣的總體標(biāo)準(zhǔn)偏差（S）、用公式（2），估算精密度 p：

式中：xi-第i個(gè)樣品的測(cè)試結(jié)果；

n-樣品組數(shù)；

j-批次；

p-采樣精密度。

2.4.2 系統(tǒng)偏倚

偏倚試驗(yàn)的原理是對(duì)同一種谷物采取一系列成對(duì)試樣，一個(gè)用被試驗(yàn)的采樣系統(tǒng)或其部件采取，另一個(gè)用一參比方法采取，然后測(cè)定每一對(duì)試樣的測(cè)試結(jié)果間的差值，并對(duì)這些差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最后用t檢驗(yàn)進(jìn)行判定。試驗(yàn)步驟首先要確定參比采樣的方法和地點(diǎn)，一般選用國(guó)際上公認(rèn)的停帶采樣方法，地點(diǎn)是在采樣器切割皮帶料流痕跡最近的合適部位；再選定糧谷的測(cè)定參數(shù)，一般選擇測(cè)定指標(biāo)波動(dòng)大的參數(shù)，只要波動(dòng)大的參數(shù)偏倚試驗(yàn)合格，其他指標(biāo)也能滿(mǎn)足要求。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)口大豆可選擇蛋白質(zhì)、不完善粒、水分等指標(biāo)；確定試驗(yàn)的糧谷；決定試樣對(duì)的組成，即試樣是由1個(gè)份樣或多個(gè)份樣組成，一般按1個(gè)份樣組成；決定最大允許偏倚（B值），其數(shù)值為正值的標(biāo)記為“+”，負(fù)值的標(biāo)記為“-”。在沒(méi)有其他資料的情況下，取B值0.2%～0.3%，也可各方協(xié)商確定；最后進(jìn)行偏倚的評(píng)定。

2.4.2.1 顯著偏倚條件

對(duì)配對(duì)偏倚試驗(yàn)，差值平均值的期望值為0。如d≤-B 或d≥+B，則證明有偏倚，無(wú)須做進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析。

2.4.2.2 與B有顯著性差異檢驗(yàn)

如-B＜＜+B，則按公式（3）計(jì)算和 B 間差值統(tǒng)計(jì)量tnz。

式中：di—在一組內(nèi)Xbi和Xai的差數(shù)；

n—組數(shù)；

Xbi—第i組參比樣品測(cè)量值的含量；

Xai—第i組最終樣品測(cè)量值的含量；

Sd—差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差；

B—最大允許偏移；

tnz—統(tǒng)計(jì) t值。

從相應(yīng)的表查得自由度為（n-1）時(shí)的單尾t值（tβ），比較 tnz和 tβ。 如果 tnz＜tβ，證明存在顯著大于 0且顯著不小于B的偏倚，即試驗(yàn)結(jié)果證明存在實(shí)質(zhì)性偏倚。如tnz≥tβ，即試驗(yàn)結(jié)果證明不存在實(shí)質(zhì)性偏倚。

2.4.2.3 與0有顯著性差異檢驗(yàn)

如-B＜d＜+B，且 tnz≥tβ則按公式（5）計(jì)算 d 和 B間差值統(tǒng)計(jì)量tz。

從相應(yīng)的表查得自由度為（n-1）時(shí)的單尾t值（tβ），比較 tz和 tβ。 如果 tz＜tβ，證明差值平均值與 0 無(wú)顯著差異，被檢系統(tǒng)或部件可接受為無(wú)偏倚；如tnz≥tβ，證明被檢系統(tǒng)或部件存在小于B的偏倚。

2.4.3 水分損失

水分損失是指系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中糧谷的水分減少的部分。這項(xiàng)試驗(yàn)也是考核機(jī)械化采制樣系統(tǒng)的重要指標(biāo)。通過(guò)一組參比樣品水分與最終系統(tǒng)得到的樣品的水分，按公式（6）進(jìn)行計(jì)算得出水分的損失。一般水分損失不大于0.5%，或有關(guān)各方協(xié)商確定。

式中：Yi——第i組最終樣品的水分結(jié)果；

Xi——第i組參比樣品的水分結(jié)果；

N—參比樣品組數(shù)。

2.4.4 破碎率

顆粒破碎率是指系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中糧谷由于機(jī)械的碰撞、摩擦等造成糧谷顆粒的破碎程度。這項(xiàng)試驗(yàn)是考核機(jī)械化采制樣系統(tǒng)是否對(duì)糧谷產(chǎn)生損傷。通過(guò)一組參比樣品破碎率與最終系統(tǒng)得到的樣品的破碎率，按公式（7）進(jìn)行計(jì)算得出系統(tǒng)的破碎率[7]。一般破碎率不大于0.2%，或有關(guān)各方協(xié)商確定。

式中：Yi——第i組最終樣品的破碎率結(jié)果；

Xi——第i組參比樣品的破碎率結(jié)果；

N—參比樣品組數(shù)。

2.4.5 質(zhì)量變動(dòng)系數(shù)（CV值）

機(jī)械化采制樣系統(tǒng)所采取的份樣應(yīng)保持質(zhì)量的基本一致，即份樣的質(zhì)量的變動(dòng)系數(shù)應(yīng)小于20%。收集1組份樣，每個(gè)份樣分別稱(chēng)重，然后變動(dòng)系數(shù)可按照公式（8）計(jì)算。

式中：CV—變動(dòng)系數(shù)；

X—份樣量的平均值；

S—標(biāo)準(zhǔn)偏差；

n—份樣數(shù)；

Xi—第i組份樣量。

3 建議

（1）系統(tǒng)內(nèi)再增加一臺(tái)縮分器，使系統(tǒng)工藝更加靈活、多變，能夠縮分出不同階段的保留樣品。

（2）在采樣器、以及容易泄露或堵塞的地點(diǎn)增加監(jiān)控裝置，這些視頻監(jiān)控可讓操作人員動(dòng)態(tài)的掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，減小操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保護(hù)人員的身體健康。

（3）需要進(jìn)入直線振篩及觀測(cè)皮帶的樣品，建議引入到單獨(dú)的觀察房間，便于對(duì)進(jìn)口糧谷進(jìn)行植物檢疫的初篩檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)港口的作業(yè)情況、裝卸貨條件對(duì)散裝糧谷機(jī)械化采制樣系統(tǒng)的進(jìn)行設(shè)計(jì)，可減少投資成本，提高運(yùn)行效果、符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)檢疫的要求。

（2）合理的性能試驗(yàn)方案，可準(zhǔn)確反映出散裝糧谷機(jī)械化采樣系統(tǒng)的采取樣品的代表性，能夠消除了糧谷采制樣過(guò)程中人為因素的影響，使采樣的代表性更為準(zhǔn)確。

（3）機(jī)械化采制樣系統(tǒng)可以按照ISO24333—2009（E）等更先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)化采制樣，有效解決工作質(zhì)量和港口卸率的矛盾，符合檢驗(yàn)檢疫改革發(fā)展的要求。

（4）機(jī)械化采制樣系統(tǒng)的應(yīng)用符合國(guó)際糧谷貿(mào)易發(fā)展趨勢(shì)，有利于與國(guó)際接軌，它必將成為今后糧谷采制樣技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

[1] 袁曉鷹.機(jī)器人技術(shù)在礦石機(jī)械化采制樣系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2014.

[2] 李鳳貴，張西春，郭兵.鐵礦石檢驗(yàn)技術(shù)[M].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2014.

[3] SN/T 1894-2007：散裝糧谷自動(dòng)采制樣系統(tǒng)操作規(guī)程[S].

[4] ISO 24333—2009：Cereals and cereal products-Sampling[S].

[5] GB/T 19494.3—2004：煤炭機(jī)械化采樣 第三部分：精密度測(cè)定和偏倚試驗(yàn)[S].

[6] GB/T 10322.1—2014：鐵礦石 取樣和制樣方法[S].

[7] 姚利林，劉永利，劉志，等.散裝糧谷自動(dòng)采制樣系統(tǒng)的引進(jìn)及系統(tǒng)性能試驗(yàn)[J]. 現(xiàn)代商檢科技，1995，5（2）：8-17.