在線糧食取樣器清理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計*

盧友鵬 林運波

(佛山市糧食集團有限公司南海儲備分公司 528000)

隨著“新冠”疫情的爆發(fā)，國家糧食安全戰(zhàn)略要求也越來越高，糧食儲備任務的增加，淺圓倉、大直徑筒倉等具有單位倉容造價低、結(jié)構(gòu)受力合理、機械化程度高、單倉容量大、占地面積小、密閉性能好等優(yōu)點[1-2]，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，建設(shè)智能化、信息化、機械化的高標準糧倉成為我國糧食倉儲發(fā)展的主流。傳統(tǒng)的扦樣方式，存在扦取效率低、機械化程度不高、作業(yè)人員勞動強度大等問題[2]，與自動化程度較高的筒倉不相匹配。因此研究開發(fā)更科學的在線自動取樣器十分必要，這也是糧食行業(yè)發(fā)展的趨勢。

1 糧食在線取樣器的現(xiàn)狀及問題

1.1 糧食在線取樣器的現(xiàn)狀

為了滿足自動取樣的功能，在線取樣器一般安裝在筒倉糧食出入庫作業(yè)生產(chǎn)線上，在糧食流動過程實現(xiàn)自動取樣。經(jīng)查閱有關(guān)糧食扦樣取樣的文獻，國內(nèi)對固定式糧食扦樣器的研究較多，且把研究重點放在了固定式糧食扦樣器的控制系統(tǒng)中[3]，但對在線糧食取樣器的研究很少，在機構(gòu)優(yōu)化方面，有很大的提升空間。

1.2 存在的問題

現(xiàn)有的在線自動取樣器大多存在一些問題：①操作不方便，在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)運動部件卡料故障等；②設(shè)備內(nèi)部長期暴露在粉塵中，取樣料斗及管道會出現(xiàn)堆積粉塵的情況，如果該設(shè)備不常用，甚至出現(xiàn)粉塵雜質(zhì)結(jié)塊現(xiàn)狀，直接影響設(shè)備的使用，降低樣品的精確度及代表性；③在線取樣器一般為密封狀態(tài)，內(nèi)部清理難度極大，如果不及時清理多余的雜質(zhì)粉塵，會影響到下次取樣的效果。

2 新型取樣器的結(jié)構(gòu)裝置

2.1 機械設(shè)計裝配建模技術(shù)應用

目前有許多的三維建模軟件，在產(chǎn)品設(shè)計與改造中起到非常重要的作用，它能夠形象直觀地表達設(shè)計者的想法與思路，并為后期的詳細出圖提供便利，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計過程，極大地縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，取得的效果也非常明顯，如果能夠熟練靈活地掌握軟件提供的裝配體及零件建模方法，將更進一步發(fā)揮其設(shè)計優(yōu)點[4]。本文以某3D建模仿真軟件為例，介紹它的設(shè)計過程，常規(guī)的設(shè)計方法有兩種[5]：一是掌控整個系統(tǒng)，從整體到局部，自上而下在裝配體環(huán)境中，根據(jù)上層零件進行下層零件的關(guān)聯(lián)設(shè)計；二是利用已有數(shù)據(jù)，自下而上，先進行底層的零件設(shè)計，然后添加零件間的配合關(guān)系生成裝配體[6]。

2.2 新型取樣器整體結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)過前期的設(shè)計模擬，該設(shè)備結(jié)構(gòu)組成部分包括取樣機構(gòu)、料斗導向主件、接料機構(gòu)等裝置，該取樣器一般安裝在淺圓倉或筒倉糧食入庫自動化生產(chǎn)線上，可根據(jù)生產(chǎn)線的產(chǎn)量控制自動取樣的頻率，例如：佛山市糧食集團南海儲備分公司(以下簡稱佛糧)，淺圓倉糧食入倉自動化生產(chǎn)線有兩條，每條線設(shè)計產(chǎn)量為200 t/h，考慮實際因素的影響，實際產(chǎn)量約為130 t/h，每車糧食約30 t，經(jīng)過計算得出如下結(jié)果：卸糧坑上卸完一輛車的糧食，大概需要15 min。根據(jù)此卸車的頻率，在線取樣器，可以設(shè)定為15 min自動取樣一次，配合樣品出口外的樣品罐轉(zhuǎn)動托盤，實現(xiàn)樣品的自動取樣，同時樣品基本覆蓋到每一車糧食。另外可以調(diào)節(jié)取樣料斗伸縮出去的停留時間，控制每次取樣的重量，根據(jù)佛糧質(zhì)檢有關(guān)要求，每次取樣控制在1 kg左右。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 取樣機構(gòu) 取樣料斗用于對腔室內(nèi)通過的糧食進行取樣，通過氣缸實現(xiàn)取樣料斗在導向組件上的滑動。所述料斗導向組件和第一驅(qū)動氣缸伸縮桿均安裝在腔室內(nèi)，取樣料斗的一端與導向組件的滑動端固定連接，另一端與氣缸的輸出端固定連接。

2.2.2 料斗導向組件 包括導軌及與導軌對應適配的滑塊，導軌安裝在腔室內(nèi)，滑塊的一端可滑動設(shè)置在導軌上，另一端與取樣料斗固定連接。

2.2.3 接料機構(gòu) 用于承接取樣機構(gòu)收集的糧食并將其排出到接料斗、通過啟閉接料斗出料口的閥門組件，最終實現(xiàn)糧食樣品的輸出。接料斗安裝在腔室內(nèi)且位于取樣機構(gòu)的下方，閥門組件安裝在腔室外部；閥門組件與接料斗的出料口抵接，氣管連接件與接料斗的出料口連通。

2.3 控制系統(tǒng)和動力源的選擇與分析

在動力選擇上，氣缸驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成簡單、易于獲得穩(wěn)定速度，擅長作往復直線運動[7]，同時結(jié)合糧食行業(yè)的特點，楊敬軍等人也做了類似的對比研究，氣缸驅(qū)動存在無污染、取材方便、符合糧食粉塵防爆要求等優(yōu)點[8]，成為糧食在線取樣器驅(qū)動力源的首選。其中，氣缸驅(qū)動的氣源存在兩種選擇方式，分別是：小型壓縮機直接驅(qū)動氣缸系統(tǒng)、集中式驅(qū)動氣缸系統(tǒng)，鑒于這兩種方式，趙思愷等人做了相關(guān)對比試驗[9]，結(jié)果如下：小型壓縮機直接驅(qū)動氣缸系統(tǒng)成本與能耗較少，但對氣缸的速度平穩(wěn)性要求特別高或適用于工作頻率很高的場合，適宜于采用集中式氣源驅(qū)動氣缸系統(tǒng)。所以，綜合考慮本次在線取樣器的工作環(huán)境與特點，采用集中式氣源驅(qū)動氣缸系統(tǒng)相對合適。

在控制系統(tǒng)上，PLC可編程邏輯控制器專門用于工業(yè)控制的計算機，通過PLC技術(shù)的運用可以實現(xiàn)信息技術(shù)與自動化控制中通信技術(shù)的完美結(jié)合[10]，由處理器、控制指令、數(shù)據(jù)內(nèi)存、接口、電源等功能單元組成，可以執(zhí)行邏輯運算、控制、定時以及算術(shù)操作等指令[11]，相比傳統(tǒng)電氣控制具有便于邏輯控制，控制回路相對穩(wěn)定，適應性強，可實現(xiàn)數(shù)字信號輸出，達到可視化要求等優(yōu)點。在自動化程度較高的現(xiàn)代化糧庫中，設(shè)備的控制系統(tǒng)中，基本都是在PLC控制基礎(chǔ)上開發(fā)衍生出來的，系統(tǒng)具有較大的兼容性，如果把在線取樣器的控制系統(tǒng)接入到糧食生產(chǎn)自動化系統(tǒng)中，工作量不算太大。

3 在線取樣器氣體清理功能結(jié)構(gòu)設(shè)計與原理

3.1 設(shè)計思路及工作流程

根據(jù)糧食取樣的規(guī)范要求，結(jié)合實際取樣工作中遇到的困難和問題，如操作不便，故障率高、粉塵雜質(zhì)容易堆積、清理困難等，對現(xiàn)有的取樣設(shè)備進行結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)在線取樣器的自動清理等多種功能，采用機械設(shè)計軟件等工具進行設(shè)計參數(shù)、運動仿真、結(jié)構(gòu)沖突分析，經(jīng)過一系列的探討研究，把最終設(shè)計成果應用到實際工作中，解決遇到的問題與困難。新型取樣器工作流程如圖3和取樣動作狀態(tài)如圖4所示。

圖3 設(shè)備工作流程

圖4 取樣動作狀態(tài)圖

3.2 自動清理系統(tǒng)的原理及構(gòu)造

空氣動力抑塵技術(shù)最早在火電輸送系統(tǒng)中應用，并取得較大的經(jīng)濟效益，利用渦流抑塵、環(huán)流抑塵等裝置，持續(xù)消除粉塵氣體的剩余空氣動力，達到抑塵的作用[12]。本設(shè)計的清理系統(tǒng)利用了空氣動力抑塵技術(shù)，但從原理上依然有區(qū)別，其區(qū)別在于：本設(shè)計利用了空氣的正壓作用，與設(shè)備上的粉塵流動形成對流、環(huán)流效果，從而達到抑制粉塵雜質(zhì)的效果。蔣權(quán)等人利用離散元和流體力學軟件，對粉塵進行了DEM-CFD耦合的數(shù)值模擬分析[13]，為本次空氣抑塵的結(jié)構(gòu)研究提供可行的方式。

經(jīng)過多次的試驗和模擬，設(shè)計了相對合理的機構(gòu)：樣品出口氣動閥門邊框通過螺紋孔與氣管連接件配合，連接件與氣體軟管連接，形成正氣壓通道，氣體軟管另一端與氣體開關(guān)連接，控制氣體的通斷狀態(tài)，實現(xiàn)自動清理功能。在糧食輸送流程中，設(shè)備上存在較多的氣動元件，加壓的氣體取材十分便利。

3.2.1 設(shè)備為非取樣狀態(tài)時，氣體軟管開關(guān)打開，利用氣體正壓原理，阻止周圍的粉塵進入上下端取料斗等位置，達到抑制粉塵堆積的效果。

3.2.2 設(shè)備為取樣狀態(tài)時，可以先用氣管清理接料斗、氣動閥門和溜管等部位的雜質(zhì)粉塵，從而實現(xiàn)提高樣品的可靠性和精確度。設(shè)備在取樣過程中，氣管為關(guān)閉狀態(tài)，取樣結(jié)束后重新開啟。

3.3 手動清理孔的應用

取樣器安裝在生產(chǎn)線上，位置空間相對狹窄，不容易拆卸，針對設(shè)備內(nèi)部清理困難且容易積塵等問題，本設(shè)計中增加了手動清理孔，當取樣料斗及管道出現(xiàn)堆積粉塵的情況，可以打開清理孔，把氣管伸進積塵部位，進行精準清理，有效解決了拆卸蓋子清理的困難。

3.4 在實際應用中的效果

通過取樣器現(xiàn)場的使用情況分析，設(shè)備的故障率明顯降低，工作效率有效提高。利用氣體的自動清理功能，基本保持設(shè)備取樣料斗及溜管的暢通。同時，本次設(shè)計改造，在設(shè)備維護保養(yǎng)方面更加便利快捷。

4 結(jié)論

通過理論研究與現(xiàn)場試驗結(jié)合，本次在線糧食取樣器清理系統(tǒng)設(shè)計取得著實的成果。氣體的自動清理系統(tǒng)與手動清理結(jié)構(gòu)相結(jié)合，有效解決在線取樣器的積塵、清理困難、使用不便的問題，從而提升取樣器的工作效率，降低維護成本、降低故障率，間接提高了檢測樣品的精確率和代表性，具有較廣的應用前景和推廣價值，目前，該技術(shù)已申請國家實用新型專利。