自主轉送式雜糧含水率快速測定儀設計與試驗

車 剛 陳正發 王 鑫，2 唐宏宇 萬 霖

(1.黑龍江八一農墾大學工程學院, 大慶 163319； 2.黑龍江省農機智能裝備重點實驗室, 大慶 163319)

0 引言

隨著人們對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]。各地區雜糧品種繁多，產后雜糧含水率的準確檢測是保證安全存儲和商業流通的重要環節[1-2]。近幾年來，我國雜糧生產能力逐年增長，尤其黑龍江省國家商品糧基地的高粱、紅小豆和谷子等雜糧產量大，尺寸差異大，如果雜糧含水率評定不準，會導致交易、儲藏和運輸環節的損失。因此，在收儲運環節中高效評價雜糧含水率等級是戰略性難題[3-5]。

目前，我國檢測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，存在對靶性強、通用檢測精度穩定性與重復性差等問題。缺少通用型全自動雜糧含水率測量儀，各種雜糧籽粒外觀尺寸各異、容重偏差大，如高粱、蕎麥等含水率測試偏差在2%～3%，無法滿足多樣性雜糧含水率快速檢測需求[6-7]。而現有的糧食含水率間接測量儀易受環境因素、雜糧種類和物性參數的影響[8-19]，實際測試性能并不理想，測量值存在較大偏差，難以滿足雜糧收儲環節準確性的要求。

本文結合多品種雜糧收儲環節測量作業標準，分析現有靜態糧食含水率快速測定技術存在的弊端，融合TRIZ設計理論與機械運動學原理，進行多工位轉送機構原創設計，由PLC自主控制定量入料、閃烘測量、快速除料等工序，通過精準轉送和計量轉換模塊協同完成雜糧含水率的準確測定。

1 設計依據

1.1 測量方法

雜糧的品種眾多，在我國東北地區收獲含水率一般在13%～18%。按照GB/T 21305—2007《谷物及谷物制品水分的測定常規法》進行測定，采用105℃或135℃定時干燥法[20]。此方法適合于麥類、稻米、小米和高粱等農產品。谷物含水率的表達方法有干基含水率和濕基含水率兩種，雜糧收儲計量時，一般都采用濕基含水率。濕基含水率以濕物料質量為分母，公式為

(1)

式中MS——濕基含水率，%

W——雜糧中水的質量，g

GS——干燥前雜糧的質量，g

Gg——干燥后雜糧的質量，g

1.2 基于TRIZ技術沖突的創新設計

干燥箱法測量雜糧含水率包括取料、粉碎、分樣、入料、檢測、除料等多個工序。人為操作存在不確定性，致使檢測精確度不穩定且測量時間長。因此，基于簡化工序且自主作業的角度，考慮樣品盤的連續運動規律與各工序的配合關系，建立雜糧含水率快速測定儀組件間相互作用矩陣。根據組件間的相互作用關系，建立檢測功能模型，如圖1所示。

圖1 檢測功能模型Fig.1 Functional model of measuring instrument

由檢測功能模型分析可知，物料盤進出閃烘室功能性不足，使得這一步需人為操作，存在操作技術沖突。物料盤與重力傳感器非實時接觸，存在接觸技術沖突。檢測時間與入料和除料時間不同，存在時間損失沖突。因此需要改善協調度、操作性、力和時間損失。運用TRIZ發明技術中組合、多功能、向另一維過渡、周期作用和連續有益作用的5項準則，以物料盤的運動軌跡作為改進對象，提出采用封閉式三維中心對稱圓柱凸輪曲線作為物料盤運動軌跡曲線，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與重力傳感器的離合，其中F點為平行于A、B、C3點所構成平面的最遠點。該軌跡曲線具有封閉性、對稱性、空間性和相似性，符合效率準則[21]。

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

圓柱凸輪機構設計如圖3所示。圓柱凸輪機構的設計主要考慮與之配合傳動機構尺寸和工位要求。轉送工位采用中心對稱結構，3個精加工的凸輪軌道均布嵌合在環形板面上。凸輪軌道通過環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，運行平穩。

圖3 圓柱凸輪機構三維等軸測圖Fig.3 Three dimensional structure diagram of shaft side of cam1.連接架 2.凸輪支架 3.凸輪 4.環形板

1.3 設計規則與軌跡曲線模型

結合物料盤載重和轉送速度的要求，依據圓柱凸輪從動件運動規律特性[22],選擇物料盤與凸輪之間的移動副為空間運動副，Φ12 mm萬向球作為高副。在凸輪軌跡曲線中，根據物料盤和傳感器接觸距離確定凸輪升程h=3.0 mm。分析凸輪常用運動規律特性，凸輪升程軌跡設計滿足正弦加速度運動規律，加速度連續變化，無突變值，無沖擊現象。

為便于增加設計中萬向球與凸輪軌跡曲線的配合性和方便性，選取45°作為推程轉角和回程轉角。利用Matlab計算并繪制該段萬向球位移和速度曲線圖，如圖4所示。

仿真計算求得凸輪配合段滾子位移曲線連續平滑、無尖點，其運動速度曲線連續平滑、無沖擊，表明凸輪設計曲線合理。

過平均圓柱半徑rm處的滾子中心B作凸輪理論輪廓線的法線n-n與從動件速度VB的夾角即為圓柱凸輪機構的壓力角α，該角也等于凸輪理論輪廓線在B點切線t-t與凸輪線速度V1的夾角。如圖5所示，高副萬向球在圓柱凸輪軌道上運轉時，應滿足最大壓力角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量摩擦角，(°)

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

根據凸輪機構尺寸最小化和防自鎖原則，求得圓柱凸輪的最優尺寸參數rm=168 mm，最大壓力角αmax=17.324 6°。由于該軌跡為中心對稱且平分3等份，因此選取其中0°～120°的軌跡函數作為代表，軌跡函數為

(3)

式中j——物料盤轉角，(°)

s——凸輪升程，mm

φ——升程運動轉角，0°≤φ≤90°

φ——回程運動角，0°≤φ≤90°

x、y、z——0°～120°軌跡上任意點坐標

2 結構與原理

2.1 基本結構

本裝置由閃烘、轉位、動力、測量、自主控制和輔助投料等系統組成。完成入料、閃烘測量和除料3種工位的自主循環作業。基本構造如圖6所示。

圖6 含水率快速檢測裝置結構示意圖Fig.6 Structure diagram of quick measuring device1.機架 2.萬向支座 3.罩殼 4.閃烘室 5.料盤 6.定量粉碎投料機構 7.入料口 8.定量調節手柄 9.稱量機構 10.轉送傳動機構 11.清掃機構 12.控制與顯示裝置 13.凸輪軌道

加熱系統由發熱管、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；轉位機構由凸輪軌道、導向盤和環形板等構成，完成3種工位循環切換；動力機構由步進電機、步進電機控制器、控制面板組成，協助完成入料、移動和除料動作；測量系統由重力傳感器、數模轉換電路、數碼顯示管和支撐柱組成，實時測量物料樣品的質量，并記錄數據；自主控制系統主要由PLC模塊組成，其包含動力系統信號的輸出、加熱溫度的控制、含水率模塊的運算，并自主調節各系統的工作參數。輔助系統包括入料機構、除料機構和機架，為本裝置提供協作空間。

2.2 工作原理

首先由定量粉碎投料機構定時落料到承料盤上，通過PLC信號輸出調節步進電機轉動，經由錐齒輪組將動力傳給中心軸，帶動導向盤定向轉動。當物料盤轉入閃烘室時，支撐導向板的萬向支座與凸輪軌道最低點吻合，控制信號使步進電機停止。此時，導向盤協同導向板上的物料盤定位在計量工位上。加熱系統開始在設定溫度下進行快速干燥，重力傳感器實時檢測物料盤內物料的質量，當測試質量恒定時(質量變化幅度±0.05%)，計量模塊運算并顯示雜糧含水率。并啟動二次入料和電機運轉程序，驅使導向盤協同物料盤繼續轉動，當物料盤轉至除料工位時，完成清掃料盤工作，進入第二輪自主循環檢測。

3 關鍵部件設計

3.1 閃烘室設計

閃烘室采用加熱管、溫度傳感器和物料盤3層梯度格局。U形加熱管下部安裝均溫網孔散熱板，保證輻照熱量的均勻擴散。如圖7所示，閃烘室采用干燥室底板加4個定位柱的框架結構，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，并通過散熱隔板將熱量均勻地輻射至物料盤。在加熱室最外層設有保護罩。PT100鉑電阻溫度傳感器安裝在側壁上，通過溫度控制模塊自主調節加熱溫度，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 閃烘室結構示意圖Fig.7 Structure diagram of quick drying chamber1.干燥室底板 2.隔熱玻璃 3.網孔散熱板 4.加熱管 5.定位柱 6.散熱隔板 7.保護罩 8.排水柵孔 9.溫度傳感器

3.2 轉送機構設計與運動分析

轉送機構傳遞動力促使物料盤定時轉位。同時在導向盤的限制下，物料盤隨凸輪軌跡作空間曲線仿形運動。動力源為兩相步進電機，轉送動力經錐齒輪副和中心軸，傳遞給導向盤。導向機構中均布3個導向盤。導向盤均布的方型槽孔與物料盤嵌合，受凸輪軌道仿行約束，實現料盤間歇脫離導向盤的運動。因而，導向盤協同物料盤繞中心軸作圓周仿形運動。具體結構如圖8所示。

導向盤的定時轉動屬于低頻仿形振動，其運轉振動烈度影響測試精度。因此，應用S996型低頻振動分析儀磁性探頭吸附在凸輪軌道上進行振動檢測。通過JMtest動態信號測試軟件采集振動值(加速度)隨頻率的變化特征，如圖9所示。運行中垂直于盤面方向振動較明顯，加速度峰值為0.052 m/s2，頻域在1 Hz附近出現了明顯的共振峰。數值分析最大振動幅值為0.060 mm。對照GB/T 2298—2010《機械振動與沖擊標準》，說明機構運行振動極小。

圖9 導向盤轉動機構頻譜圖Fig.9 Spectrogram of steering disc rotating mechanism

3.3 稱量系統設計與驗證

在稱量檢測過程中，物料盤與SZC型重力傳感器間歇式接觸配合，對檢測數據的準確性、連貫性和快速性起到重要作用。因此，聯接傳感器懸臂的連桿托盤采用超輕鋁材結構。當帶支架的物料盤隨著導向盤轉到傳感器正上方時，萬向支座與凸輪凹面吻合，傳感器承受物料重量。檢測精度與重力傳感器承載力有密切關系。本檢測裝置設計測量物料質量范圍65～75 g。

通過試驗驗證傳感器數值測量情況，如圖10所示，傳感器記錄最大數值為91.507 g(含托盤質量)，最小數值為70.173 g，均不超過有效檢測量程。在2.5 s(含延遲0.5 s)后質量恒定。按照工業儀表精度等級計量，檢測精度為0.017級，屬于高精度級別[23]。

圖10 重力傳感器記錄數據曲線Fig.10 Gravity sensor recorded data curve

3.4 自主控制系統設計

自主控制系統由設備信息、信號采集和信號處理兩部分組成。信號采集主要是由繼電器與各種傳感器完成，采集電機、重力和溫度傳感器的開關量與模擬量信息。信號處理主要由PLC和工控機完成，應用組態軟件進行信號的運算與顯示。采用S7-224XPCN型可編程控制器對溫度控制、質量檢測和電機控制信號進行匯總， 通過自編程序對收集信號進行運算，從而控制步進電機啟停， 同時把信號傳輸給工控機，實現對碳素纖維加熱管和重力傳感器的精準測控。檢測裝置的自主控制系統采用模塊化設計，便于設備調試和成本控制[24-28]。硬件控制系統如圖11所示。

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

采用V4.0 STEP7 Micro WIN SP9軟件進行控制程序編寫，分別實現溫度控制、質量檢測和電機控制。閃烘室溫度采用PID控制，由固態調壓模塊調節輸出電壓來實現溫控。物料質量信號的采集和運算由PLC 完成并顯示。電機控制由脈沖輸出調節電機運行。自動檢測裝置的導向盤定位可以通過控制脈沖個數來控制角位移，從而達到準確工位。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 運行參數優化

4.1 試驗因素

影響糧食含水率檢測的因素有：加熱溫度、物料厚度、熱風風速、谷物粒度、初始含水率、加熱時間等。根據國家糧食水分測定標準[29]，確定加熱溫度和粉碎粒度是影響檢測效率的重要因素；物料量與供熱量密切相關，因此，確定試驗因素為物料粒度、物料質量和閃烘溫度。閃烘溫度是溫度傳感器(圖7)獲取的數據，間接反映加熱程度，不是物料內部溫度(機構運行無法直接測量)。

本試驗采用北安矮高粱為試驗對象，設定檢測精度Y1和行程時間Y2為試驗指標。行程時間是指全程時間，包括自檢、入料、干燥計量、出料和復位總時間，即導向盤轉動360°，完成2份樣品檢測。檢測相對偏差計算公式為

(4)

式中Y1——檢測相對偏差，%

Mc——物料含水質量檢測值，g

MZ——物料含水質量真實值(干燥箱法測得)，g

4.2 試驗方案

根據干燥箱法含水率測定單因素試驗和淀粉糊化條件[28]，結合黑龍江省高粱收儲實際狀況，選取物料粒度20～100目，測試物料質量5～15 g，閃烘溫度135～295℃。試驗采用三因素五水平二次回歸正交旋轉組合試驗設計方法，研究試驗因素對檢測精度和檢測行程時間的規律和優化參數組合，如表1、2所示，其中X1～X3分別為閃烘溫度、物料粒度、物料質量的編碼值。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Experimental factors and codes

4.3 回歸方程的建立

運用Design-Expert軟件進行分析，并評價回歸模型的各個回歸系數，建立檢測相對偏差Y1和行程時間Y2的有效回歸方程

(5)

(6)

方差分析結果表明，所建立的回歸方程中回歸顯著，擬合程度達89.5%。

4.4 綜合優化分析

為了獲得高精度的雜糧含水率快速檢測儀的優化參數，需要對檢測相對偏差Y1和行程時間Y2指標進行加權分配，采用線性合成法對雜糧含水率快速檢測儀進行評判，指標權重的設計采用主觀賦值法獲取。一般檢測儀器精度的重要性大于檢測時間。應用層次分析法，專家評分構建比較矩陣，編寫Matlab程序計算權重并檢驗一致性，修正檢測相對偏差權重η1和行程時間權重η2分別為0.70和0.30。為兼顧各評價指標的影響和目標函數量綱不同，將各目標函數轉換為無量綱函數，建立協同評價定量模型對于雜糧含水率快速檢測來說，應具有較小檢測相對偏差和較短的檢測行程時間。當F最小時相應的X1、X2、X3值即為最優的檢測參數。應用Design-Expert軟件進行加權綜合優化處理，得到最優參數組合為：閃烘溫度285℃、物料粒度60目、物料質量9.2 g，獲得試驗指標綜合最優值為：檢測相對偏差為0.137%、行程時間為325 s，綜合評分為0.908。由于考慮到生產實際，對參數進行取整處理，結果為：閃烘溫度285℃、物料粒度60目、物料質量9.0 g。結合理論分析和生產實際，在綜合優化條件下，測得檢測相對偏差為0.125%，行程時間為319 s。優化值與驗證值接近，證明優化結果真實可信。

(7)

式中F——綜合評價模型函數

Y1a——檢測相對偏差最小值，%

Y1b——檢測相對偏差最大值，%

Y2a——行程時間最小值，s

Y2b——行程時間最大值，s

5 質量評價與性能測試

5.1 檢測質量評價

含水率測定系統的穩定性、重復性和再現性是全面評價LKS-Ⅱ型雜糧含水率快速測定儀的科學質量指標。測量穩定性是指測量系統的偏移和精度值在規定時間內保持恒定的能力。重復性反映的是測量儀器的波動，再現性則反映的是操作者的波動和操作者與測量儀器交互作用的波動[30]。

(1)評價試驗方法

測量穩定性評價，選用采集品種和收獲時間一致的高粱試樣進行分析，每小時安排操作人員連續重復測定3次，重復操作測得40組谷物含水率檢測值。根據Minitab均值極差控制圖(Xbar-R)中的點及鏈的分布和排列進行穩定性分析評價。

重復性和再現性評價，遵照重復性和再現性分析方法，采樣10個代表性樣本。隨機安排3名操作人員對10個樣本各測定3次，運用Minitab軟件，計算并判別測量系統的R&R指標能力[31]。

(2)穩定性分析

將測試數據輸入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，控制限內有極差不為零，且70%在下限區域，可以判定測量系統有足夠的分辨率。再按照均值判定準則進行比對[32]，8項判異標準均符合要求，因此，LKS-Ⅱ型雜糧含水率快速測定儀的穩定性可靠。

(3)重復性和再現性分析

利用Minitab對隨機3名操作人員測試30組含水率進行計算，并基于數理統計方法估計測量系統中各變異源的方差。根據不同變差計算出重復性和再現性變差，用6σ質量管理法的均方誤差來定義R&R指標[30]，進而判別本測量系統的指標能力。

從表3可以看出，R&R指標變差為4.42%，小于10%，該含水率測量系統的重復性和再現性可以接受。R&R指標貢獻率0.35%，說明大部分變差來源于高粱樣品間的變差。取樣的差異會導致誤差，但都是在可接受的范圍內，測量系統可靠。

表3 重復性和再現性Tab.3 Repeatability and reproducibility %

5.2 性能測試

根據試驗優化參數和典型雜糧生產性檢驗結果，2018年9月由黑龍江省農墾農業機械產品質量監督檢驗站檢測定型為LKS-Ⅱ型雜糧含水率快速測定儀，并按照技術規范進行現場檢定[33]，檢測雜糧品種為當地產高粱和小豆，鑒定使用樣機如圖14所示，檢定結果如表4所示。

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

測試指標數值測試指標數值環境溫度/℃19.0加熱溫度/℃280±1相對濕度/%40.5測試粒度/目60自檢時間/s12.0檢測效率/(批·h-1)17含水率測試范圍/%10～18全程檢測時間/s365稱量精度/mg1溫度控制精度/%96檢測穩定性指數/%≥99含水率檢測相對偏差/%±0.1

LKS-Ⅱ型雜糧含水率快速測定儀檢測高粱的效率達到17～18批/h。儀器免除大量人工誤差，如手工取放物料盤對稱量系統沖擊造成的精準度偏差、測試間隔放冷時間不可控對連續測試的影響、平鋪托盤上物料延遲入機時對重量缺失的影響、人工操作不可避免的系統誤差對測量系統精度的影響。全程檢測失誤率接近于零。測試和實際生產考核表明：LKS-Ⅱ型雜糧含水率快速測定儀滿足寒地高粱、雜豆、粟米等農產品快速測量含水率的技術要求，在節本增效等方面性能顯著。對于高粱和雜豆的含水率檢測都有良好的穩定性和檢測精度。

雜糧含水率在13%～17%時，應用本儀器與國家食品中含水率測定標準(GB 5009.3—2016)相比，高粱、紅小豆等含水率相對誤差在0.1%～0.3%之間，檢測精度能達到±0.05%。如圖15所示，以干燥箱法作參照，與市場在售的電容式含水率檢測儀和鹵素含水率測量儀做對比試驗，試驗結果表明：與干燥箱法含水率檢測相對偏差小于0.2%，相比鹵素含水率測量儀精度提高0.5%以上。相比電容式含水率檢測儀精度提高1.2%～2.0%。測量值更接近于干燥箱值，實測含水率略低，主要原因是在線測定粉料帶有余溫，閃烘室內氣態組分未能及時擴散，存在微少的揮發物未去除，導致直接讀數的含水率略低。

圖15 不同測量儀器檢測對比結果Fig.15 Comparison of different measuring equipments

自2017年以來，在黑龍江省農墾總局西部管局7個農場應用所設計儀器檢測高粱、紅小豆等雜糧收儲工作，按照國家收儲質量標準計算，收儲雜糧水分損失減少3%，檢測效率提高1倍以上，同比收儲可減小損失8%～10%。

6 結論

(1)基于機電融合對雜糧含水率檢測裝置的設計過程進行探討，結合TRIZ理論完成控制物料盤運動的凸輪軌道設計、多工位轉送機構、稱量系統和閃烘機構等關鍵部件的設計，通過仿真分析，優化雜糧含水率快速檢測裝置的結構參數。按照PLC控制設計原則，完成自主控制檢測系統設計，提高了雜糧含水率測量的精確性，縮短了檢測行程時間。

(2)通過二次正交旋轉組合試驗，對影響本裝置檢測性能的因素進行試驗分析，建立檢測精度和檢測行程時間的有效回歸模型。采用線性功效系數法進行加權綜合分析，得到最優參數組合：閃烘溫度285℃、物料粒度60目、物料質量9.0 g。其檢測精度和行程時間較優。

(3)運用Minitab軟件進行檢測穩定性、重復性和再現性分析，進行雜糧含水率快速測定儀的可靠性和檢測質量評價，實踐應用證明，該含水率測量系統可以滿足生產要求，性能可靠。該儀器檢測相對偏差小于0.2%，滿足國家食品中含水率測定標準(GB 5009.3—2016)中的要求。