自主轉(zhuǎn)送式雜糧含水率快速測(cè)定儀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

車(chē) 剛 陳正發(fā) 王 鑫，2 唐宏宇 萬(wàn) 霖

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院, 大慶 163319； 2.黑龍江省農(nóng)機(jī)智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 大慶 163319)

0 引言

隨著人們對(duì)健康飲食理念的提升，雜糧在糧食中占比逐漸增大。雜糧是指大宗糧食以外的食用雜豆、雜糧和特種油料等[1]。各地區(qū)雜糧品種繁多，產(chǎn)后雜糧含水率的準(zhǔn)確檢測(cè)是保證安全存儲(chǔ)和商業(yè)流通的重要環(huán)節(jié)[1-2]。近幾年來(lái)，我國(guó)雜糧生產(chǎn)能力逐年增長(zhǎng)，尤其黑龍江省國(guó)家商品糧基地的高粱、紅小豆和谷子等雜糧產(chǎn)量大，尺寸差異大，如果雜糧含水率評(píng)定不準(zhǔn)，會(huì)導(dǎo)致交易、儲(chǔ)藏和運(yùn)輸環(huán)節(jié)的損失。因此，在收儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)中高效評(píng)價(jià)雜糧含水率等級(jí)是戰(zhàn)略性難題[3-5]。

目前，我國(guó)檢測(cè)糧食含水率的方法多采用間接法，如電容式、電阻式、微波式和紅外式等，仍需干燥箱法校正，存在對(duì)靶性強(qiáng)、通用檢測(cè)精度穩(wěn)定性與重復(fù)性差等問(wèn)題。缺少通用型全自動(dòng)雜糧含水率測(cè)量?jī)x，各種雜糧籽粒外觀尺寸各異、容重偏差大，如高粱、蕎麥等含水率測(cè)試偏差在2%～3%，無(wú)法滿足多樣性雜糧含水率快速檢測(cè)需求[6-7]。而現(xiàn)有的糧食含水率間接測(cè)量?jī)x易受環(huán)境因素、雜糧種類(lèi)和物性參數(shù)的影響[8-19]，實(shí)際測(cè)試性能并不理想，測(cè)量值存在較大偏差，難以滿足雜糧收儲(chǔ)環(huán)節(jié)準(zhǔn)確性的要求。

本文結(jié)合多品種雜糧收儲(chǔ)環(huán)節(jié)測(cè)量作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分析現(xiàn)有靜態(tài)糧食含水率快速測(cè)定技術(shù)存在的弊端，融合TRIZ設(shè)計(jì)理論與機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，進(jìn)行多工位轉(zhuǎn)送機(jī)構(gòu)原創(chuàng)設(shè)計(jì)，由PLC自主控制定量入料、閃烘測(cè)量、快速除料等工序，通過(guò)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)送和計(jì)量轉(zhuǎn)換模塊協(xié)同完成雜糧含水率的準(zhǔn)確測(cè)定。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 測(cè)量方法

雜糧的品種眾多，在我國(guó)東北地區(qū)收獲含水率一般在13%～18%。按照GB/T 21305—2007《谷物及谷物制品水分的測(cè)定常規(guī)法》進(jìn)行測(cè)定，采用105℃或135℃定時(shí)干燥法[20]。此方法適合于麥類(lèi)、稻米、小米和高粱等農(nóng)產(chǎn)品。谷物含水率的表達(dá)方法有干基含水率和濕基含水率兩種，雜糧收儲(chǔ)計(jì)量時(shí)，一般都采用濕基含水率。濕基含水率以濕物料質(zhì)量為分母，公式為

(1)

式中MS——濕基含水率，%

W——雜糧中水的質(zhì)量，g

GS——干燥前雜糧的質(zhì)量，g

Gg——干燥后雜糧的質(zhì)量，g

1.2 基于TRIZ技術(shù)沖突的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

干燥箱法測(cè)量雜糧含水率包括取料、粉碎、分樣、入料、檢測(cè)、除料等多個(gè)工序。人為操作存在不確定性，致使檢測(cè)精確度不穩(wěn)定且測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。因此，基于簡(jiǎn)化工序且自主作業(yè)的角度，考慮樣品盤(pán)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與各工序的配合關(guān)系，建立雜糧含水率快速測(cè)定儀組件間相互作用矩陣。根據(jù)組件間的相互作用關(guān)系，建立檢測(cè)功能模型，如圖1所示。

圖1 檢測(cè)功能模型Fig.1 Functional model of measuring instrument

由檢測(cè)功能模型分析可知，物料盤(pán)進(jìn)出閃烘室功能性不足，使得這一步需人為操作，存在操作技術(shù)沖突。物料盤(pán)與重力傳感器非實(shí)時(shí)接觸，存在接觸技術(shù)沖突。檢測(cè)時(shí)間與入料和除料時(shí)間不同，存在時(shí)間損失沖突。因此需要改善協(xié)調(diào)度、操作性、力和時(shí)間損失。運(yùn)用TRIZ發(fā)明技術(shù)中組合、多功能、向另一維過(guò)渡、周期作用和連續(xù)有益作用的5項(xiàng)準(zhǔn)則，以物料盤(pán)的運(yùn)動(dòng)軌跡作為改進(jìn)對(duì)象，提出采用封閉式三維中心對(duì)稱圓柱凸輪曲線作為物料盤(pán)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，曲線概念如圖2所示，凸輪曲線按功能劃分為AB、BC、CA3部分。在BC段中DFE曲線輔助完成物料盤(pán)與重力傳感器的離合，其中F點(diǎn)為平行于A、B、C3點(diǎn)所構(gòu)成平面的最遠(yuǎn)點(diǎn)。該軌跡曲線具有封閉性、對(duì)稱性、空間性和相似性，符合效率準(zhǔn)則[21]。

圖2 軌跡曲線概念Fig.2 Conception diagram of trajectory curve

圓柱凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要考慮與之配合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸和工位要求。轉(zhuǎn)送工位采用中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，3個(gè)精加工的凸輪軌道均布嵌合在環(huán)形板面上。凸輪軌道通過(guò)環(huán)形板上的弧形槽固定。該圓柱凸輪曲線包含部分平面圓周軌跡曲線和空間三維曲線。其中平面圓周軌跡曲線的角速度、加速度、壓力角均為固定值，運(yùn)行平穩(wěn)。

圖3 圓柱凸輪機(jī)構(gòu)三維等軸測(cè)圖Fig.3 Three dimensional structure diagram of shaft side of cam1.連接架 2.凸輪支架 3.凸輪 4.環(huán)形板

1.3 設(shè)計(jì)規(guī)則與軌跡曲線模型

結(jié)合物料盤(pán)載重和轉(zhuǎn)送速度的要求，依據(jù)圓柱凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性[22],選擇物料盤(pán)與凸輪之間的移動(dòng)副為空間運(yùn)動(dòng)副，Φ12 mm萬(wàn)向球作為高副。在凸輪軌跡曲線中，根據(jù)物料盤(pán)和傳感器接觸距離確定凸輪升程h=3.0 mm。分析凸輪常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性，凸輪升程軌跡設(shè)計(jì)滿足正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，加速度連續(xù)變化，無(wú)突變值，無(wú)沖擊現(xiàn)象。

為便于增加設(shè)計(jì)中萬(wàn)向球與凸輪軌跡曲線的配合性和方便性，選取45°作為推程轉(zhuǎn)角和回程轉(zhuǎn)角。利用Matlab計(jì)算并繪制該段萬(wàn)向球位移和速度曲線圖，如圖4所示。

仿真計(jì)算求得凸輪配合段滾子位移曲線連續(xù)平滑、無(wú)尖點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)速度曲線連續(xù)平滑、無(wú)沖擊，表明凸輪設(shè)計(jì)曲線合理。

過(guò)平均圓柱半徑rm處的滾子中心B作凸輪理論輪廓線的法線n-n與從動(dòng)件速度VB的夾角即為圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角α，該角也等于凸輪理論輪廓線在B點(diǎn)切線t-t與凸輪線速度V1的夾角。如圖5所示，高副萬(wàn)向球在圓柱凸輪軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)滿足最大壓力角αmax≤[α]=30°～38°[22]，[α]表示許用壓力角。最大壓力角為

(2)

式中rm——圓柱凸輪基圓半徑，mm

β——圓柱凸輪與滾子之間的當(dāng)量摩擦角，(°)

圖5 圓柱凸輪(平均半徑處)的展開(kāi)圖Fig.5 Expansion diagram of cam (average radius)

根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)尺寸最小化和防自鎖原則，求得圓柱凸輪的最優(yōu)尺寸參數(shù)rm=168 mm，最大壓力角αmax=17.324 6°。由于該軌跡為中心對(duì)稱且平分3等份，因此選取其中0°～120°的軌跡函數(shù)作為代表，軌跡函數(shù)為

(3)

式中j——物料盤(pán)轉(zhuǎn)角，(°)

s——凸輪升程，mm

φ——升程運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角，0°≤φ≤90°

φ——回程運(yùn)動(dòng)角，0°≤φ≤90°

x、y、z——0°～120°軌跡上任意點(diǎn)坐標(biāo)

2 結(jié)構(gòu)與原理

2.1 基本結(jié)構(gòu)

本裝置由閃烘、轉(zhuǎn)位、動(dòng)力、測(cè)量、自主控制和輔助投料等系統(tǒng)組成。完成入料、閃烘測(cè)量和除料3種工位的自主循環(huán)作業(yè)?；緲?gòu)造如圖6所示。

圖6 含水率快速檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of quick measuring device1.機(jī)架 2.萬(wàn)向支座 3.罩殼 4.閃烘室 5.料盤(pán) 6.定量粉碎投料機(jī)構(gòu) 7.入料口 8.定量調(diào)節(jié)手柄 9.稱量機(jī)構(gòu) 10.轉(zhuǎn)送傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 11.清掃機(jī)構(gòu) 12.控制與顯示裝置 13.凸輪軌道

加熱系統(tǒng)由發(fā)熱管、燈板、溫度傳感器等組成，組合熱源使雜糧水分得以快速蒸發(fā)；轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)由凸輪軌道、導(dǎo)向盤(pán)和環(huán)形板等構(gòu)成，完成3種工位循環(huán)切換；動(dòng)力機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制器、控制面板組成，協(xié)助完成入料、移動(dòng)和除料動(dòng)作；測(cè)量系統(tǒng)由重力傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼顯示管和支撐柱組成，實(shí)時(shí)測(cè)量物料樣品的質(zhì)量，并記錄數(shù)據(jù)；自主控制系統(tǒng)主要由PLC模塊組成，其包含動(dòng)力系統(tǒng)信號(hào)的輸出、加熱溫度的控制、含水率模塊的運(yùn)算，并自主調(diào)節(jié)各系統(tǒng)的工作參數(shù)。輔助系統(tǒng)包括入料機(jī)構(gòu)、除料機(jī)構(gòu)和機(jī)架，為本裝置提供協(xié)作空間。

2.2 工作原理

首先由定量粉碎投料機(jī)構(gòu)定時(shí)落料到承料盤(pán)上，通過(guò)PLC信號(hào)輸出調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)由錐齒輪組將動(dòng)力傳給中心軸，帶動(dòng)導(dǎo)向盤(pán)定向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)物料盤(pán)轉(zhuǎn)入閃烘室時(shí)，支撐導(dǎo)向板的萬(wàn)向支座與凸輪軌道最低點(diǎn)吻合，控制信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)停止。此時(shí)，導(dǎo)向盤(pán)協(xié)同導(dǎo)向板上的物料盤(pán)定位在計(jì)量工位上。加熱系統(tǒng)開(kāi)始在設(shè)定溫度下進(jìn)行快速干燥，重力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)物料盤(pán)內(nèi)物料的質(zhì)量，當(dāng)測(cè)試質(zhì)量恒定時(shí)(質(zhì)量變化幅度±0.05%)，計(jì)量模塊運(yùn)算并顯示雜糧含水率。并啟動(dòng)二次入料和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)程序，驅(qū)使導(dǎo)向盤(pán)協(xié)同物料盤(pán)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)物料盤(pán)轉(zhuǎn)至除料工位時(shí)，完成清掃料盤(pán)工作，進(jìn)入第二輪自主循環(huán)檢測(cè)。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 閃烘室設(shè)計(jì)

閃烘室采用加熱管、溫度傳感器和物料盤(pán)3層梯度格局。U形加熱管下部安裝均溫網(wǎng)孔散熱板，保證輻照熱量的均勻擴(kuò)散。如圖7所示，閃烘室采用干燥室底板加4個(gè)定位柱的框架結(jié)構(gòu)，在加熱管上方固定有隔板，周邊安裝耐熱玻璃，阻斷熱量散失。熱量由900 W碳素纖維加熱管提供，并通過(guò)散熱隔板將熱量均勻地輻射至物料盤(pán)。在加熱室最外層設(shè)有保護(hù)罩。PT100鉑電阻溫度傳感器安裝在側(cè)壁上，通過(guò)溫度控制模塊自主調(diào)節(jié)加熱溫度，即輻射溫度，本文中定義為閃烘溫度。頂蓋上安裝有排水柵孔用于排出濕分。

圖7 閃烘室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of quick drying chamber1.干燥室底板 2.隔熱玻璃 3.網(wǎng)孔散熱板 4.加熱管 5.定位柱 6.散熱隔板 7.保護(hù)罩 8.排水柵孔 9.溫度傳感器

3.2 轉(zhuǎn)送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析

轉(zhuǎn)送機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力促使物料盤(pán)定時(shí)轉(zhuǎn)位。同時(shí)在導(dǎo)向盤(pán)的限制下，物料盤(pán)隨凸輪軌跡作空間曲線仿形運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力源為兩相步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)送動(dòng)力經(jīng)錐齒輪副和中心軸，傳遞給導(dǎo)向盤(pán)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中均布3個(gè)導(dǎo)向盤(pán)。導(dǎo)向盤(pán)均布的方型槽孔與物料盤(pán)嵌合，受凸輪軌道仿行約束，實(shí)現(xiàn)料盤(pán)間歇脫離導(dǎo)向盤(pán)的運(yùn)動(dòng)。因而，導(dǎo)向盤(pán)協(xié)同物料盤(pán)繞中心軸作圓周仿形運(yùn)動(dòng)。具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

導(dǎo)向盤(pán)的定時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)屬于低頻仿形振動(dòng)，其運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)烈度影響測(cè)試精度。因此，應(yīng)用S996型低頻振動(dòng)分析儀磁性探頭吸附在凸輪軌道上進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)。通過(guò)JMtest動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試軟件采集振動(dòng)值(加速度)隨頻率的變化特征，如圖9所示。運(yùn)行中垂直于盤(pán)面方向振動(dòng)較明顯，加速度峰值為0.052 m/s2，頻域在1 Hz附近出現(xiàn)了明顯的共振峰。數(shù)值分析最大振動(dòng)幅值為0.060 mm。對(duì)照GB/T 2298—2010《機(jī)械振動(dòng)與沖擊標(biāo)準(zhǔn)》，說(shuō)明機(jī)構(gòu)運(yùn)行振動(dòng)極小。

圖9 導(dǎo)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)頻譜圖Fig.9 Spectrogram of steering disc rotating mechanism

3.3 稱量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

在稱量檢測(cè)過(guò)程中，物料盤(pán)與SZC型重力傳感器間歇式接觸配合，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、連貫性和快速性起到重要作用。因此，聯(lián)接傳感器懸臂的連桿托盤(pán)采用超輕鋁材結(jié)構(gòu)。當(dāng)帶支架的物料盤(pán)隨著導(dǎo)向盤(pán)轉(zhuǎn)到傳感器正上方時(shí)，萬(wàn)向支座與凸輪凹面吻合，傳感器承受物料重量。檢測(cè)精度與重力傳感器承載力有密切關(guān)系。本檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)測(cè)量物料質(zhì)量范圍65～75 g。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證傳感器數(shù)值測(cè)量情況，如圖10所示，傳感器記錄最大數(shù)值為91.507 g(含托盤(pán)質(zhì)量)，最小數(shù)值為70.173 g，均不超過(guò)有效檢測(cè)量程。在2.5 s(含延遲0.5 s)后質(zhì)量恒定。按照工業(yè)儀表精度等級(jí)計(jì)量，檢測(cè)精度為0.017級(jí)，屬于高精度級(jí)別[23]。

圖10 重力傳感器記錄數(shù)據(jù)曲線Fig.10 Gravity sensor recorded data curve

3.4 自主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自主控制系統(tǒng)由設(shè)備信息、信號(hào)采集和信號(hào)處理兩部分組成。信號(hào)采集主要是由繼電器與各種傳感器完成，采集電機(jī)、重力和溫度傳感器的開(kāi)關(guān)量與模擬量信息。信號(hào)處理主要由PLC和工控機(jī)完成，應(yīng)用組態(tài)軟件進(jìn)行信號(hào)的運(yùn)算與顯示。采用S7-224XPCN型可編程控制器對(duì)溫度控制、質(zhì)量檢測(cè)和電機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行匯總， 通過(guò)自編程序?qū)κ占盘?hào)進(jìn)行運(yùn)算，從而控制步進(jìn)電機(jī)啟停， 同時(shí)把信號(hào)傳輸給工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳素纖維加熱管和重力傳感器的精準(zhǔn)測(cè)控。檢測(cè)裝置的自主控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于設(shè)備調(diào)試和成本控制[24-28]。硬件控制系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 硬件控制系統(tǒng)原理圖Fig.11 Schematic diagram of hardware control system

采用V4.0 STEP7 Micro WIN SP9軟件進(jìn)行控制程序編寫(xiě)，分別實(shí)現(xiàn)溫度控制、質(zhì)量檢測(cè)和電機(jī)控制。閃烘室溫度采用PID控制，由固態(tài)調(diào)壓模塊調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)溫控。物料質(zhì)量信號(hào)的采集和運(yùn)算由PLC 完成并顯示。電機(jī)控制由脈沖輸出調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行。自動(dòng)檢測(cè)裝置的導(dǎo)向盤(pán)定位可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移，從而達(dá)到準(zhǔn)確工位。PLC控制流程圖如圖12所示。

圖12 PLC自主控制程序流程圖Fig.12 Flowchart of PLC control program

4 運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

4.1 試驗(yàn)因素

影響糧食含水率檢測(cè)的因素有：加熱溫度、物料厚度、熱風(fēng)風(fēng)速、谷物粒度、初始含水率、加熱時(shí)間等。根據(jù)國(guó)家糧食水分測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)[29]，確定加熱溫度和粉碎粒度是影響檢測(cè)效率的重要因素；物料量與供熱量密切相關(guān)，因此，確定試驗(yàn)因素為物料粒度、物料質(zhì)量和閃烘溫度。閃烘溫度是溫度傳感器(圖7)獲取的數(shù)據(jù)，間接反映加熱程度，不是物料內(nèi)部溫度(機(jī)構(gòu)運(yùn)行無(wú)法直接測(cè)量)。

本試驗(yàn)采用北安矮高粱為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)定檢測(cè)精度Y1和行程時(shí)間Y2為試驗(yàn)指標(biāo)。行程時(shí)間是指全程時(shí)間，包括自檢、入料、干燥計(jì)量、出料和復(fù)位總時(shí)間，即導(dǎo)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)360°，完成2份樣品檢測(cè)。檢測(cè)相對(duì)偏差計(jì)算公式為

(4)

式中Y1——檢測(cè)相對(duì)偏差，%

Mc——物料含水質(zhì)量檢測(cè)值，g

MZ——物料含水質(zhì)量真實(shí)值(干燥箱法測(cè)得)，g

4.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)干燥箱法含水率測(cè)定單因素試驗(yàn)和淀粉糊化條件[28]，結(jié)合黑龍江省高粱收儲(chǔ)實(shí)際狀況，選取物料粒度20～100目，測(cè)試物料質(zhì)量5～15 g，閃烘溫度135～295℃。試驗(yàn)采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究試驗(yàn)因素對(duì)檢測(cè)精度和檢測(cè)行程時(shí)間的規(guī)律和優(yōu)化參數(shù)組合，如表1、2所示，其中X1～X3分別為閃烘溫度、物料粒度、物料質(zhì)量的編碼值。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Experimental factors and codes

4.3 回歸方程的建立

運(yùn)用Design-Expert軟件進(jìn)行分析，并評(píng)價(jià)回歸模型的各個(gè)回歸系數(shù)，建立檢測(cè)相對(duì)偏差Y1和行程時(shí)間Y2的有效回歸方程

(5)

(6)

方差分析結(jié)果表明，所建立的回歸方程中回歸顯著，擬合程度達(dá)89.5%。

4.4 綜合優(yōu)化分析

為了獲得高精度的雜糧含水率快速檢測(cè)儀的優(yōu)化參數(shù)，需要對(duì)檢測(cè)相對(duì)偏差Y1和行程時(shí)間Y2指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)分配，采用線性合成法對(duì)雜糧含水率快速檢測(cè)儀進(jìn)行評(píng)判，指標(biāo)權(quán)重的設(shè)計(jì)采用主觀賦值法獲取。一般檢測(cè)儀器精度的重要性大于檢測(cè)時(shí)間。應(yīng)用層次分析法，專家評(píng)分構(gòu)建比較矩陣，編寫(xiě)Matlab程序計(jì)算權(quán)重并檢驗(yàn)一致性，修正檢測(cè)相對(duì)偏差權(quán)重η1和行程時(shí)間權(quán)重η2分別為0.70和0.30。為兼顧各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響和目標(biāo)函數(shù)量綱不同，將各目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱函數(shù)，建立協(xié)同評(píng)價(jià)定量模型對(duì)于雜糧含水率快速檢測(cè)來(lái)說(shuō)，應(yīng)具有較小檢測(cè)相對(duì)偏差和較短的檢測(cè)行程時(shí)間。當(dāng)F最小時(shí)相應(yīng)的X1、X2、X3值即為最優(yōu)的檢測(cè)參數(shù)。應(yīng)用Design-Expert軟件進(jìn)行加權(quán)綜合優(yōu)化處理，得到最優(yōu)參數(shù)組合為：閃烘溫度285℃、物料粒度60目、物料質(zhì)量9.2 g，獲得試驗(yàn)指標(biāo)綜合最優(yōu)值為：檢測(cè)相對(duì)偏差為0.137%、行程時(shí)間為325 s，綜合評(píng)分為0.908。由于考慮到生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)參數(shù)進(jìn)行取整處理，結(jié)果為：閃烘溫度285℃、物料粒度60目、物料質(zhì)量9.0 g。結(jié)合理論分析和生產(chǎn)實(shí)際，在綜合優(yōu)化條件下，測(cè)得檢測(cè)相對(duì)偏差為0.125%，行程時(shí)間為319 s。優(yōu)化值與驗(yàn)證值接近，證明優(yōu)化結(jié)果真實(shí)可信。

(7)

式中F——綜合評(píng)價(jià)模型函數(shù)

Y1a——檢測(cè)相對(duì)偏差最小值，%

Y1b——檢測(cè)相對(duì)偏差最大值，%

Y2a——行程時(shí)間最小值，s

Y2b——行程時(shí)間最大值，s

5 質(zhì)量評(píng)價(jià)與性能測(cè)試

5.1 檢測(cè)質(zhì)量評(píng)價(jià)

含水率測(cè)定系統(tǒng)的穩(wěn)定性、重復(fù)性和再現(xiàn)性是全面評(píng)價(jià)LKS-Ⅱ型雜糧含水率快速測(cè)定儀的科學(xué)質(zhì)量指標(biāo)。測(cè)量穩(wěn)定性是指測(cè)量系統(tǒng)的偏移和精度值在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持恒定的能力。重復(fù)性反映的是測(cè)量?jī)x器的波動(dòng)，再現(xiàn)性則反映的是操作者的波動(dòng)和操作者與測(cè)量?jī)x器交互作用的波動(dòng)[30]。

(1)評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法

測(cè)量穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，選用采集品種和收獲時(shí)間一致的高粱試樣進(jìn)行分析，每小時(shí)安排操作人員連續(xù)重復(fù)測(cè)定3次，重復(fù)操作測(cè)得40組谷物含水率檢測(cè)值。根據(jù)Minitab均值極差控制圖(Xbar-R)中的點(diǎn)及鏈的分布和排列進(jìn)行穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。

重復(fù)性和再現(xiàn)性評(píng)價(jià)，遵照重復(fù)性和再現(xiàn)性分析方法，采樣10個(gè)代表性樣本。隨機(jī)安排3名操作人員對(duì)10個(gè)樣本各測(cè)定3次，運(yùn)用Minitab軟件，計(jì)算并判別測(cè)量系統(tǒng)的R&R指標(biāo)能力[31]。

(2)穩(wěn)定性分析

將測(cè)試數(shù)據(jù)輸入Minitab得到Xbar-R控制圖，如圖13所示。所有極值未超出控制限范圍，控制限內(nèi)有極差不為零，且70%在下限區(qū)域，可以判定測(cè)量系統(tǒng)有足夠的分辨率。再按照均值判定準(zhǔn)則進(jìn)行比對(duì)[32]，8項(xiàng)判異標(biāo)準(zhǔn)均符合要求，因此，LKS-Ⅱ型雜糧含水率快速測(cè)定儀的穩(wěn)定性可靠。

(3)重復(fù)性和再現(xiàn)性分析

利用Minitab對(duì)隨機(jī)3名操作人員測(cè)試30組含水率進(jìn)行計(jì)算，并基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法估計(jì)測(cè)量系統(tǒng)中各變異源的方差。根據(jù)不同變差計(jì)算出重復(fù)性和再現(xiàn)性變差，用6σ質(zhì)量管理法的均方誤差來(lái)定義R&R指標(biāo)[30]，進(jìn)而判別本測(cè)量系統(tǒng)的指標(biāo)能力。

從表3可以看出，R&R指標(biāo)變差為4.42%，小于10%，該含水率測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性可以接受。R&R指標(biāo)貢獻(xiàn)率0.35%，說(shuō)明大部分變差來(lái)源于高粱樣品間的變差。取樣的差異會(huì)導(dǎo)致誤差，但都是在可接受的范圍內(nèi)，測(cè)量系統(tǒng)可靠。

表3 重復(fù)性和再現(xiàn)性Tab.3 Repeatability and reproducibility %

5.2 性能測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)和典型雜糧生產(chǎn)性檢驗(yàn)結(jié)果，2018年9月由黑龍江省農(nóng)墾農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站檢測(cè)定型為L(zhǎng)KS-Ⅱ型雜糧含水率快速測(cè)定儀，并按照技術(shù)規(guī)范進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定[33]，檢測(cè)雜糧品種為當(dāng)?shù)禺a(chǎn)高粱和小豆，鑒定使用樣機(jī)如圖14所示，檢定結(jié)果如表4所示。

圖14 LKS-Ⅱ型雜糧含水率快速測(cè)定儀樣機(jī)Fig.14 LKS-Ⅱ measuring device for moisture content

測(cè)試指標(biāo)數(shù)值測(cè)試指標(biāo)數(shù)值環(huán)境溫度/℃19.0加熱溫度/℃280±1相對(duì)濕度/%40.5測(cè)試粒度/目60自檢時(shí)間/s12.0檢測(cè)效率/(批·h-1)17含水率測(cè)試范圍/%10～18全程檢測(cè)時(shí)間/s365稱量精度/mg1溫度控制精度/%96檢測(cè)穩(wěn)定性指數(shù)/%≥99含水率檢測(cè)相對(duì)偏差/%±0.1

LKS-Ⅱ型雜糧含水率快速測(cè)定儀檢測(cè)高粱的效率達(dá)到17～18批/h。儀器免除大量人工誤差，如手工取放物料盤(pán)對(duì)稱量系統(tǒng)沖擊造成的精準(zhǔn)度偏差、測(cè)試間隔放冷時(shí)間不可控對(duì)連續(xù)測(cè)試的影響、平鋪托盤(pán)上物料延遲入機(jī)時(shí)對(duì)重量缺失的影響、人工操作不可避免的系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量系統(tǒng)精度的影響。全程檢測(cè)失誤率接近于零。測(cè)試和實(shí)際生產(chǎn)考核表明：LKS-Ⅱ型雜糧含水率快速測(cè)定儀滿足寒地高粱、雜豆、粟米等農(nóng)產(chǎn)品快速測(cè)量含水率的技術(shù)要求，在節(jié)本增效等方面性能顯著。對(duì)于高粱和雜豆的含水率檢測(cè)都有良好的穩(wěn)定性和檢測(cè)精度。

雜糧含水率在13%～17%時(shí)，應(yīng)用本儀器與國(guó)家食品中含水率測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)(GB 5009.3—2016)相比，高粱、紅小豆等含水率相對(duì)誤差在0.1%～0.3%之間，檢測(cè)精度能達(dá)到±0.05%。如圖15所示，以干燥箱法作參照，與市場(chǎng)在售的電容式含水率檢測(cè)儀和鹵素含水率測(cè)量?jī)x做對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：與干燥箱法含水率檢測(cè)相對(duì)偏差小于0.2%，相比鹵素含水率測(cè)量?jī)x精度提高0.5%以上。相比電容式含水率檢測(cè)儀精度提高1.2%～2.0%。測(cè)量值更接近于干燥箱值，實(shí)測(cè)含水率略低，主要原因是在線測(cè)定粉料帶有余溫，閃烘室內(nèi)氣態(tài)組分未能及時(shí)擴(kuò)散，存在微少的揮發(fā)物未去除，導(dǎo)致直接讀數(shù)的含水率略低。

圖15 不同測(cè)量?jī)x器檢測(cè)對(duì)比結(jié)果Fig.15 Comparison of different measuring equipments

自2017年以來(lái)，在黑龍江省農(nóng)墾總局西部管局7個(gè)農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用所設(shè)計(jì)儀器檢測(cè)高粱、紅小豆等雜糧收儲(chǔ)工作，按照國(guó)家收儲(chǔ)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，收儲(chǔ)雜糧水分損失減少3%，檢測(cè)效率提高1倍以上，同比收儲(chǔ)可減小損失8%～10%。

6 結(jié)論

(1)基于機(jī)電融合對(duì)雜糧含水率檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行探討，結(jié)合TRIZ理論完成控制物料盤(pán)運(yùn)動(dòng)的凸輪軌道設(shè)計(jì)、多工位轉(zhuǎn)送機(jī)構(gòu)、稱量系統(tǒng)和閃烘機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真分析，優(yōu)化雜糧含水率快速檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)。按照PLC控制設(shè)計(jì)原則，完成自主控制檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了雜糧含水率測(cè)量的精確性，縮短了檢測(cè)行程時(shí)間。

(2)通過(guò)二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，對(duì)影響本裝置檢測(cè)性能的因素進(jìn)行試驗(yàn)分析，建立檢測(cè)精度和檢測(cè)行程時(shí)間的有效回歸模型。采用線性功效系數(shù)法進(jìn)行加權(quán)綜合分析，得到最優(yōu)參數(shù)組合：閃烘溫度285℃、物料粒度60目、物料質(zhì)量9.0 g。其檢測(cè)精度和行程時(shí)間較優(yōu)。

(3)運(yùn)用Minitab軟件進(jìn)行檢測(cè)穩(wěn)定性、重復(fù)性和再現(xiàn)性分析，進(jìn)行雜糧含水率快速測(cè)定儀的可靠性和檢測(cè)質(zhì)量評(píng)價(jià)，實(shí)踐應(yīng)用證明，該含水率測(cè)量系統(tǒng)可以滿足生產(chǎn)要求，性能可靠。該儀器檢測(cè)相對(duì)偏差小于0.2%，滿足國(guó)家食品中含水率測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)(GB 5009.3—2016)中的要求。