在线粮食取样器清理系统结构设计*

卢友鹏 林运波

(佛山市粮食集团有限公司南海储备分公司 528000)

随着“新冠”疫情的爆发，国家粮食安全战略要求也越来越高，粮食储备任务的增加，浅圆仓、大直径筒仓等具有单位仓容造价低、结构受力合理、机械化程度高、单仓容量大、占地面积小、密闭性能好等优点[1-2]，结合互联网的发展，建设智能化、信息化、机械化的高标准粮仓成为我国粮食仓储发展的主流。传统的扦样方式，存在扦取效率低、机械化程度不高、作业人员劳动强度大等问题[2]，与自动化程度较高的筒仓不相匹配。因此研究开发更科学的在线自动取样器十分必要，这也是粮食行业发展的趋势。

1 粮食在线取样器的现状及问题

1.1 粮食在线取样器的现状

为了满足自动取样的功能，在线取样器一般安装在筒仓粮食出入库作业生产线上，在粮食流动过程实现自动取样。经查阅有关粮食扦样取样的文献，国内对固定式粮食扦样器的研究较多，且把研究重点放在了固定式粮食扦样器的控制系统中[3]，但对在线粮食取样器的研究很少，在机构优化方面，有很大的提升空间。

1.2 存在的问题

现有的在线自动取样器大多存在一些问题：①操作不方便，在使用过程中经常出现运动部件卡料故障等；②设备内部长期暴露在粉尘中，取样料斗及管道会出现堆积粉尘的情况，如果该设备不常用，甚至出现粉尘杂质结块现状，直接影响设备的使用，降低样品的精确度及代表性；③在线取样器一般为密封状态，内部清理难度极大，如果不及时清理多余的杂质粉尘，会影响到下次取样的效果。

2 新型取样器的结构装置

2.1 机械设计装配建模技术应用

目前有许多的三维建模软件，在产品设计与改造中起到非常重要的作用，它能够形象直观地表达设计者的想法与思路，并为后期的详细出图提供便利，改变了传统的设计过程，极大地缩短产品的设计周期，取得的效果也非常明显，如果能够熟练灵活地掌握软件提供的装配体及零件建模方法，将更进一步发挥其设计优点[4]。本文以某3D建模仿真软件为例，介绍它的设计过程，常规的设计方法有两种[5]：一是掌控整个系统，从整体到局部，自上而下在装配体环境中，根据上层零件进行下层零件的关联设计；二是利用已有数据，自下而上，先进行底层的零件设计，然后添加零件间的配合关系生成装配体[6]。

2.2 新型取样器整体结构分析

经过前期的设计模拟，该设备结构组成部分包括取样机构、料斗导向主件、接料机构等装置，该取样器一般安装在浅圆仓或筒仓粮食入库自动化生产线上，可根据生产线的产量控制自动取样的频率，例如：佛山市粮食集团南海储备分公司(以下简称佛粮)，浅圆仓粮食入仓自动化生产线有两条，每条线设计产量为200 t/h，考虑实际因素的影响，实际产量约为130 t/h，每车粮食约30 t，经过计算得出如下结果：卸粮坑上卸完一辆车的粮食，大概需要15 min。根据此卸车的频率，在线取样器，可以设定为15 min自动取样一次，配合样品出口外的样品罐转动托盘，实现样品的自动取样，同时样品基本覆盖到每一车粮食。另外可以调节取样料斗伸缩出去的停留时间，控制每次取样的重量，根据佛粮质检有关要求，每次取样控制在1 kg左右。

图1 整体结构图

图2 内部结构图

2.2.1 取样机构 取样料斗用于对腔室内通过的粮食进行取样，通过气缸实现取样料斗在导向组件上的滑动。所述料斗导向组件和第一驱动气缸伸缩杆均安装在腔室内，取样料斗的一端与导向组件的滑动端固定连接，另一端与气缸的输出端固定连接。

2.2.2 料斗导向组件 包括导轨及与导轨对应适配的滑块，导轨安装在腔室内，滑块的一端可滑动设置在导轨上，另一端与取样料斗固定连接。

2.2.3 接料机构 用于承接取样机构收集的粮食并将其排出到接料斗、通过启闭接料斗出料口的阀门组件，最终实现粮食样品的输出。接料斗安装在腔室内且位于取样机构的下方，阀门组件安装在腔室外部；阀门组件与接料斗的出料口抵接，气管连接件与接料斗的出料口连通。

2.3 控制系统和动力源的选择与分析

在动力选择上，气缸驱动系统构成简单、易于获得稳定速度，擅长作往复直线运动[7]，同时结合粮食行业的特点，杨敬军等人也做了类似的对比研究，气缸驱动存在无污染、取材方便、符合粮食粉尘防爆要求等优点[8]，成为粮食在线取样器驱动力源的首选。其中，气缸驱动的气源存在两种选择方式，分别是：小型压缩机直接驱动气缸系统、集中式驱动气缸系统，鉴于这两种方式，赵思恺等人做了相关对比试验[9]，结果如下：小型压缩机直接驱动气缸系统成本与能耗较少，但对气缸的速度平稳性要求特别高或适用于工作频率很高的场合，适宜于采用集中式气源驱动气缸系统。所以，综合考虑本次在线取样器的工作环境与特点，采用集中式气源驱动气缸系统相对合适。

在控制系统上，PLC可编程逻辑控制器专门用于工业控制的计算机，通过PLC技术的运用可以实现信息技术与自动化控制中通信技术的完美结合[10]，由处理器、控制指令、数据内存、接口、电源等功能单元组成，可以执行逻辑运算、控制、定时以及算术操作等指令[11]，相比传统电气控制具有便于逻辑控制，控制回路相对稳定，适应性强，可实现数字信号输出，达到可视化要求等优点。在自动化程度较高的现代化粮库中，设备的控制系统中，基本都是在PLC控制基础上开发衍生出来的，系统具有较大的兼容性，如果把在线取样器的控制系统接入到粮食生产自动化系统中，工作量不算太大。

3 在线取样器气体清理功能结构设计与原理

3.1 设计思路及工作流程

根据粮食取样的规范要求，结合实际取样工作中遇到的困难和问题，如操作不便，故障率高、粉尘杂质容易堆积、清理困难等，对现有的取样设备进行结构上的创新设计，实现在线取样器的自动清理等多种功能，采用机械设计软件等工具进行设计参数、运动仿真、结构冲突分析，经过一系列的探讨研究，把最终设计成果应用到实际工作中，解决遇到的问题与困难。新型取样器工作流程如图3和取样动作状态如图4所示。

图3 设备工作流程

图4 取样动作状态图

3.2 自动清理系统的原理及构造

空气动力抑尘技术最早在火电输送系统中应用，并取得较大的经济效益，利用涡流抑尘、环流抑尘等装置，持续消除粉尘气体的剩余空气动力，达到抑尘的作用[12]。本设计的清理系统利用了空气动力抑尘技术，但从原理上依然有区别，其区别在于：本设计利用了空气的正压作用，与设备上的粉尘流动形成对流、环流效果，从而达到抑制粉尘杂质的效果。蒋权等人利用离散元和流体力学软件，对粉尘进行了DEM-CFD耦合的数值模拟分析[13]，为本次空气抑尘的结构研究提供可行的方式。

经过多次的试验和模拟，设计了相对合理的机构：样品出口气动阀门边框通过螺纹孔与气管连接件配合，连接件与气体软管连接，形成正气压通道，气体软管另一端与气体开关连接，控制气体的通断状态，实现自动清理功能。在粮食输送流程中，设备上存在较多的气动元件，加压的气体取材十分便利。

3.2.1 设备为非取样状态时，气体软管开关打开，利用气体正压原理，阻止周围的粉尘进入上下端取料斗等位置，达到抑制粉尘堆积的效果。

3.2.2 设备为取样状态时，可以先用气管清理接料斗、气动阀门和溜管等部位的杂质粉尘，从而实现提高样品的可靠性和精确度。设备在取样过程中，气管为关闭状态，取样结束后重新开启。

3.3 手动清理孔的应用

取样器安装在生产线上，位置空间相对狭窄，不容易拆卸，针对设备内部清理困难且容易积尘等问题，本设计中增加了手动清理孔，当取样料斗及管道出现堆积粉尘的情况，可以打开清理孔，把气管伸进积尘部位，进行精准清理，有效解决了拆卸盖子清理的困难。

3.4 在实际应用中的效果

通过取样器现场的使用情况分析，设备的故障率明显降低，工作效率有效提高。利用气体的自动清理功能，基本保持设备取样料斗及溜管的畅通。同时，本次设计改造，在设备维护保养方面更加便利快捷。

4 结论

通过理论研究与现场试验结合，本次在线粮食取样器清理系统设计取得着实的成果。气体的自动清理系统与手动清理结构相结合，有效解决在线取样器的积尘、清理困难、使用不便的问题，从而提升取样器的工作效率，降低维护成本、降低故障率，间接提高了检测样品的精确率和代表性，具有较广的应用前景和推广价值，目前，该技术已申请国家实用新型专利。