船運(yùn)糧食扦樣智能化設(shè)備的可行性研究

◎魏革新

（作者單位：光明食品（集團(tuán)）有限公司）

本文為解決船運(yùn)散裝糧食扦樣過程自動(dòng)化、智能化，在已有車載散糧扦樣設(shè)備的基礎(chǔ)上，利用機(jī)械、液壓、電氣相關(guān)工作原理，提出了船運(yùn)散糧扦樣設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)思路，并結(jié)合企業(yè)實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景，對(duì)智能化扦樣設(shè)備的可行性、操控性、安全性等進(jìn)行了深入分析。試做設(shè)備在試點(diǎn)糧庫的試運(yùn)行過程中得到了充分的驗(yàn)證。

一、智能化船扦設(shè)備的研究背景

作為糧食儲(chǔ)運(yùn)、交易過程中的重要環(huán)節(jié)，糧樣扦取和檢驗(yàn)是保護(hù)糧戶、糧企雙方利益，確保糧食交易過程公平、公正的重要手段。南方水系發(fā)達(dá)，糧庫多建于河道邊，以碼頭方式卸糧入庫。糧庫在接收船運(yùn)散糧之前，首先要進(jìn)行扦樣化驗(yàn)，符合相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 5491-1985 糧食、油料檢驗(yàn)、扦樣、分樣法》后，方可接收入庫。船運(yùn)散糧的扦樣過程自動(dòng)化、智能化研究，對(duì)船運(yùn)散糧的扦樣效率、扦樣過程的有效性、扦樣過程的客觀性都有著非常重要的意義。本文結(jié)合企業(yè)在河道岸線船運(yùn)散糧扦樣的實(shí)際需求，在研究當(dāng)前糧食行業(yè)扦樣作業(yè)方式的基礎(chǔ)上，提出了扦樣設(shè)備智能化、自動(dòng)化的可行性，并通過實(shí)際試用得到了充分的驗(yàn)證。

二、智能化扦樣設(shè)備的必要性分析

1.扦樣方式現(xiàn)狀分析。

目前，我國各大糧食企業(yè)廣泛采用的扦樣作業(yè)方式分為以下幾種：

其中：

取樣鏟（手持式）：主要用于流動(dòng)糧食、油料的取樣或倒包取樣；

扦樣管（窗口關(guān)閉式套筒扦樣器/附瓶式套筒扦樣器）：主要用于人工手動(dòng)扦樣作業(yè)，適用范圍2—3m 糧層深度；

半自動(dòng)扦樣機(jī)（固定式/移動(dòng)式）：主要用于散裝/袋裝運(yùn)輸車輛，可實(shí)現(xiàn)遙控器操作，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)扦樣，但扦樣區(qū)域、扦樣深度、移動(dòng)范圍受限；

大型裝卸船機(jī)扦樣：大型船舶以大型裝卸船機(jī)為主。國內(nèi)外500—3000t/h 的大型糧食碼頭裝卸船機(jī)，一般采用螺旋（或氣力）輸送至卸船機(jī)皮帶，扦樣機(jī)從皮帶上自動(dòng)扦取樣品，代表樣品經(jīng)專用管道，進(jìn)入圓盤輸送機(jī)上的樣品筒內(nèi)，但造價(jià)高昂。

國內(nèi)中小型船舶當(dāng)前多以人工扦樣為主。

2.智能化扦樣設(shè)備的必要性分析。

目前，國內(nèi)內(nèi)河糧食運(yùn)輸主要以中小型船運(yùn)散糧為主。糧庫船運(yùn)散糧一般采用人工扦樣，操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低下，作業(yè)時(shí)間長，作業(yè)環(huán)境惡劣（尤其是冬季寒冷和夏季炎熱季節(jié)），并且扦樣點(diǎn)定位及采樣數(shù)量因人而異，人為因素影響較大。經(jīng)查詢國內(nèi)外有關(guān)糧食扦樣的參考文獻(xiàn)及資料，目前還沒有一種行之有效的方式來進(jìn)行港口碼頭的船舶扦樣，急需一種定制化設(shè)備來解決此問題。

三、方案設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)思路。

圍繞河道碼頭船運(yùn)糧食扦樣場(chǎng)景的特征與實(shí)際需求，結(jié)合工程機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、電控、自動(dòng)化控制等原理，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)、傳感技術(shù)等，設(shè)計(jì)一款符合國內(nèi)中小型船舶運(yùn)輸糧食扦樣需求的扦樣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)船舶扦樣過程的智能化、自動(dòng)化。設(shè)計(jì)過程須結(jié)合作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景需求，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)底盤、機(jī)械大臂等作業(yè)主件和移動(dòng)組件等關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度剛度分析。通過試做設(shè)備在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的試運(yùn)行，驗(yàn)證了設(shè)備自動(dòng)化、智能化、移動(dòng)化的可行性和安全性。

2.設(shè)備的基本原理。

船舶糧食扦樣設(shè)備是一套涵蓋機(jī)械、液壓、電氣自動(dòng)化、氣動(dòng)等多領(lǐng)域的集成化設(shè)備，其外形示意圖見下圖。

船舶糧食扦樣設(shè)備外形示意圖

扦樣設(shè)備通過履帶式底盤進(jìn)行移動(dòng)，通過程序算法計(jì)算自動(dòng)扦樣的點(diǎn)位模型，實(shí)現(xiàn)單船扦樣全過程自動(dòng)化。當(dāng)找到扦樣設(shè)備與船泊的相對(duì)位置基準(zhǔn)點(diǎn)，操作人員可選擇船舶型號(hào)，通過內(nèi)置參數(shù)控制大臂伸展至扦樣點(diǎn)位，通過控制面板按鈕或無線控制器進(jìn)行扦樣操作。扦樣設(shè)備通過風(fēng)機(jī)吸糧減少插入糧食行程的阻力，扦樣桿自動(dòng)下降插入糧食內(nèi)，直到插入船底。扦樣設(shè)備可以通過參數(shù)設(shè)置選擇下行插入過程扦樣或者上行提桿過程扦樣。

扦樣桿下行插入或者上行提桿過程中，吸糧管上的電磁開關(guān)閥根據(jù)需求設(shè)定自動(dòng)控制開啟或關(guān)閉。分樣電磁開關(guān)閥的開閉來控制分層取樣，當(dāng)分樣電磁閥打開，檢化驗(yàn)糧食通過扦樣桿吸入，并通過吸糧管輸送到集糧桶內(nèi)。余料電磁開關(guān)閥的開閉控制余糧的收集與返倉。當(dāng)余料電磁開關(guān)閥開啟時(shí)，糧食進(jìn)入沙克龍裝置；當(dāng)余料電磁開關(guān)閥關(guān)閉，沙克龍裝置內(nèi)的糧食自動(dòng)落回船艙。

當(dāng)扦樣桿下插入到船泊底部時(shí)，通過扦樣設(shè)備的自動(dòng)反彈裝置實(shí)現(xiàn)扦樣桿的自動(dòng)反彈功能。

整個(gè)扦樣方案結(jié)合輸入的船型自動(dòng)計(jì)算扦樣點(diǎn)位和扦樣路徑。垂直岸邊的這個(gè)扦樣平面（按國家儲(chǔ)備糧管理標(biāo)準(zhǔn)一般橫向和縱向各三個(gè)點(diǎn)位）完成后，扦樣設(shè)備遷移至下一個(gè)扦樣平面進(jìn)行自動(dòng)扦樣，過程同前一個(gè)扦樣平面，直至扦樣全部完成。

扦樣設(shè)備移動(dòng)過程中，操作人員觀察設(shè)備移動(dòng)軌跡，若設(shè)備行進(jìn)過程出現(xiàn)較大偏離時(shí)，通過遙控器人工輔助控制前行方向糾偏。

整機(jī)用電可通過車載柴油發(fā)電機(jī)組提供，無需碼頭取電，最大限度提升了設(shè)備的可移動(dòng)性。

3.設(shè)備的基本組成。

扦樣設(shè)備主要由以下幾部分組成：

機(jī)械部分：包含大臂（支柱、回轉(zhuǎn)立柱、伸縮大臂、配重等）、履帶式底盤、扦樣單元（扦桿驅(qū)動(dòng)、移動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、扦桿支架、自動(dòng)反彈裝置、鏈條鏈輪）等；

液壓部分：包含動(dòng)力單元/發(fā)電機(jī)組、閥組（電磁多路換向閥、平衡閥、比例閥等）、液壓缸（舉升、橫臂伸縮、扦樣桿）等；

電氣部分：包含控制部分（PLC、二次控制）、監(jiān)控部分（高清攝像頭、硬盤錄像機(jī)、顯示器）、人機(jī)交互（操作面板及無線遙控器）等。

氣動(dòng)部分：包含吸糧部分、除塵部分、余糧返船部分等。

四、設(shè)計(jì)方案可行性分析

結(jié)合船運(yùn)糧食扦樣設(shè)備在港口碼頭的使用場(chǎng)景，著重就以下幾方面進(jìn)行可行性研究：

1.操作可行性。

船舶糧食扦樣設(shè)備應(yīng)用于碼頭，尚未有實(shí)際案例供考究，但在車運(yùn)散裝糧扦樣方面，國內(nèi)外常用的糧食扦樣設(shè)備包括固定式和移動(dòng)式兩種。

就車運(yùn)與船運(yùn)的糧食扦樣相比較，主要區(qū)別在于以下兩方面：

（1）扦樣區(qū)域不同：散糧運(yùn)輸車相對(duì)較小，扦樣區(qū)域≤長13.5m＊寬2.4m＊深3m；船舶運(yùn)輸因船舶較大，扦樣區(qū)域≤長52m＊寬9.6m＊深7m。

（2）周圍環(huán)境不同：散糧運(yùn)輸車周圍環(huán)境相對(duì)固定，車輛移動(dòng)方便，所以車運(yùn)扦樣設(shè)備可以固定；而船舶受江、河、海平面波浪影響、和漲落潮影響，始終處于動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境下。

針對(duì)上述比較，從散糧運(yùn)輸車延伸到散糧運(yùn)輸船，要實(shí)現(xiàn)糧食的扦樣工作，只需在原有成熟的汽車散裝糧扦樣方案基礎(chǔ)上，結(jié)合不同的特點(diǎn)進(jìn)行如下升級(jí)改良：

（1）扦樣設(shè)備具有較好的移動(dòng)性能。

由于受船舶大小、停泊位置、潮水水位的影響，每次扦樣的糧面位置不固定，加之船舶長度往往超出機(jī)械臂自身的轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮覆蓋的范圍，這就要求設(shè)備整體具有可移動(dòng)性。

船舶扦樣設(shè)備配備定制底盤，裝配行走履帶，自帶動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)碼頭范圍內(nèi)的自由行走，有效解決原固定式扦樣設(shè)備無法移動(dòng)的弊端，且履帶式設(shè)備在移動(dòng)過程中方向可控，不易偏移。履帶增加橡膠塊，行駛過程中減少對(duì)碼頭路面的損壞。兩個(gè)履帶之間設(shè)計(jì)寬度為3m，扦樣過程中履帶可兩側(cè)延展，延展后后寬度為4 米，用以保障扦樣過程底盤的穩(wěn)定性。

（2）扦樣設(shè)備具有較大的扦樣范圍。

本船舶扦樣設(shè)備采用可伸縮式結(jié)構(gòu)，最大扦樣范圍可達(dá)12 米；同時(shí)船舶扦樣設(shè)備的伸縮大臂可自由調(diào)節(jié)，根據(jù)糧船的大小可手動(dòng)或自動(dòng)伸縮，從而覆蓋全部船體糧倉。扦樣設(shè)備工作臂在伸出、縮回動(dòng)作過程中，設(shè)備整體重心會(huì)沿大臂的伸出、縮回方向前后移動(dòng)，當(dāng)設(shè)備重心偏移一定程度時(shí)，設(shè)備有傾翻的風(fēng)險(xiǎn)。為防止設(shè)備發(fā)生傾翻造成安全事故，需將設(shè)備大臂后端增加配重。

（3）扦樣設(shè)備在漲落潮等動(dòng)態(tài)環(huán)境下具有良好的適應(yīng)性。

本船舶扦樣設(shè)備立柱結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了舉升功能，有效舉升行程1500mm 范圍內(nèi)，符合調(diào)研數(shù)據(jù)中的漲落潮導(dǎo)致的船面高差影響。

綜上，本船舶扦樣設(shè)備針對(duì)船舶扦樣的特殊工況，進(jìn)行技術(shù)延伸，定向開發(fā)，具有較好的可行性，可操性。

2.電氣裝置的可操控性。

船舶扦樣設(shè)備電氣研發(fā)以可編程邏輯控制器（PLC）為主體。外部信號(hào)（遙控器、按鈕和各種檢測(cè)單元等信號(hào)）通過電氣線路將信號(hào)傳遞給PLC，PLC 內(nèi)部通過已經(jīng)編寫好的邏輯控制語句將輸出信號(hào)傳遞給中間繼電器。中間繼電器通過二次電氣控制實(shí)現(xiàn)船舶扦樣設(shè)備各種動(dòng)作輸出。

3.其他安全性分析。

定制底盤設(shè)計(jì)，自帶動(dòng)力，行走方便，可保證扦樣設(shè)備在扦樣過程中底盤的穩(wěn)定性。

液壓系統(tǒng)設(shè)有壓力溢流功能，保護(hù)液壓泵的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

液壓系統(tǒng)設(shè)有液壓鎖，在立柱升降過程中，可有效鎖住液壓回路，將設(shè)備保持在固定高度。

扦樣桿設(shè)計(jì)自動(dòng)反彈功能，當(dāng)扦桿接觸船底或船壁時(shí)，扦桿自動(dòng)回升，避免折彎。

扦樣桿設(shè)計(jì)采取上端固定的方式，當(dāng)扦樣桿深入糧層，船舶晃動(dòng)情況下，避免扦樣桿折彎變形。

電控系統(tǒng)采用PLC 控制，各動(dòng)作之間設(shè)計(jì)安全互鎖功能，例：當(dāng)扦樣桿未上升到位，旋轉(zhuǎn)大臂不得進(jìn)行擺動(dòng)，等等。

五、樣機(jī)制作及試運(yùn)行的主要驗(yàn)證措施

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，結(jié)合相關(guān)企業(yè)船運(yùn)糧食扦樣的實(shí)際場(chǎng)景，試做了一款船運(yùn)糧食扦樣機(jī)。具體樣機(jī)如下圖示：

樣機(jī)可行性驗(yàn)證過程主要通過對(duì)扦樣場(chǎng)景適用性、便捷性、安全性等方面的分析，通過對(duì)車身承重穩(wěn)定性、大臂伸縮的扦樣范圍、程控式自動(dòng)扦樣及扦樣糧層深度、車身移動(dòng)性、整機(jī)協(xié)作性等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，在確保設(shè)備操作使用安全性前提下，提高扦樣效率和應(yīng)用率，實(shí)現(xiàn)作業(yè)扦樣自動(dòng)化，減少人為干預(yù)，避免扦樣盲區(qū)，確保樣品代表性，滿足碼頭船舶扦樣的實(shí)際應(yīng)用需要。

此外，為達(dá)到船舶糧食扦樣設(shè)備的使用要求與安全生產(chǎn)的目的，主要做了以下工作：

1.基于國內(nèi)外糧食扦樣設(shè)備機(jī)械的現(xiàn)狀，查閱大量的扦樣設(shè)備機(jī)械文獻(xiàn)資料，對(duì)比市場(chǎng)上現(xiàn)有扦樣設(shè)備的特點(diǎn)，結(jié)合我國糧食扦樣的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一款適合船舶糧食扦樣的需求的扦樣設(shè)備。結(jié)合理論設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)驗(yàn)，初步確定了扦樣設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)和規(guī)格參數(shù)。

2.利用solidworks 建模軟件對(duì)船舶扦樣設(shè)備進(jìn)行三維建模，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)要求，優(yōu)化扦樣設(shè)備的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和裝配細(xì)節(jié)，達(dá)到扦樣設(shè)備的穩(wěn)定性、實(shí)用性及安全性要求。

3.考慮到扦樣設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)大，為避免安裝過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，利用受力仿真軟件，對(duì)船舶扦樣設(shè)備進(jìn)行靜力分析。為驗(yàn)證大臂符合安全使用要求，選擇增強(qiáng)大臂強(qiáng)度，并利用杠桿原理通過增加一端配重實(shí)現(xiàn)大臂伸縮過重的重心穩(wěn)定。

4.為驗(yàn)證設(shè)備的重心偏移情況下的穩(wěn)定性，通過底盤重量和單邊受力分析計(jì)算，驗(yàn)證了選用10 噸承載力履帶的可行性。

5.程控式隨機(jī)扦樣選點(diǎn)相較于人工扦樣，能夠自動(dòng)結(jié)合船型隨機(jī)布點(diǎn)，避免人為干預(yù)，樣品更具可代表性。

六、結(jié)論

本文對(duì)國內(nèi)外主要糧食扦樣設(shè)備及其適用的場(chǎng)景進(jìn)行了分析，對(duì)船運(yùn)糧食扦樣設(shè)備進(jìn)行多方面的可行性研究和樣品研制與試用。對(duì)推動(dòng)傳統(tǒng)糧庫向現(xiàn)代化、科技化的新型先進(jìn)糧庫轉(zhuǎn)型，確保糧食扦樣過程的客觀性，保障糧食安全，進(jìn)一步優(yōu)化糧食儲(chǔ)運(yùn)模式與服務(wù)能力等方面有著非常積極的意義。