大型糧倉深層糧食扦樣器設計與使用

楊敬君，張賀松，劉躍華，范灼航，羅 斌，吳 平

(廣東省儲備糧管理總公司東莞直屬庫，廣東 東莞 523145)

糧食是關系國計民生的重要商品,是關系經濟發展、社會穩定和國家自立的基礎,保障國家糧食安全是治國安邦的頭等大事。近年來，隨著我國糧食“四散”化和全國糧食物流倉儲體系的不斷推進和完善，淺圓倉、大直徑筒倉因具有單位倉容造價低，結構受力合理，機械化程度高，單倉容量大，占地面積小，密閉性能好，抗震性能強等優點[1]，成為我國近幾年大力發展的主力新倉型。雖然淺圓倉的建造在一定程度上緩解了我國糧多倉少的局面，但也存在一些弊端，比如單倉糧層高、裝糧自動分級嚴重、倉壁沒有且難以采取防潮措施，特別是在糧食儲存期間，糧情若發生局部異常情況，處理難度大，處理成本高等問題。

安全儲糧是糧食保管企業貫徹落實國家糧食安全戰略、守住管好“天下糧倉”的重要任務。糧食檢化驗工作則是落實上述任務的重要一環，一批糧食檢化驗數據的準確性與否取決于糧食樣品是否真實且具有代表性，因此，在糧倉中扦取一個具有代表性的樣品是糧食檢驗過程中重要的環節。

目前，1～2萬t倉容淺圓倉、大型筒倉等倉型的設計裝糧高度從25～40 m不等，糧食出入庫前后和糧食儲藏過程中樣品的扦取及檢化驗是落實糧食品質監管與過程保管必不可少的環節。淺圓倉、大直徑筒倉因裝糧高度深，糧食入庫后深層糧食樣品扦取難度大，給倉儲作業人員增加了很大的工作強度，且扦樣效率低。

因此，結合實際工作需要，研發了一款氣動扦樣器，該扦樣器性能優良可靠，搬運輕便，扦樣深度深，可有效降低倉儲作業人員打管布線、樣品扦取的勞動強度，大大提高了扦樣效率，達到了糧食倉儲環節高裝糧倉深度糧食樣品取得到，取得輕松，取得精準的目標，為政策性糧食庫存和質量大清查及糧食儲存期間質量檢驗提供強有力的技術支持。

1 糧食行業扦樣設備現狀分析

1.1 傳統扦樣設備結構

目前，國內糧食倉儲企業中高大平房倉、淺圓倉、立筒倉倉內深層糧食取樣主要是靠糧食深層扦樣器，其機械構造主要由：主機(吸塵器)、配套接頭(含彎頭)、輸糧軟管、不銹鋼中接鋼管、不銹鋼取樣探頭和助壓器(加力鉗、助力鉗)等部件組成，傳統扦樣器結構示意圖見圖1。

圖1 傳統扦樣器結構示意圖

1.2 傳統扦樣過程

取樣操作人員利用糧食深層扦樣器進行糧食取樣工作，其在糧堆的扦樣過程為：主機吸風口依次連接著配套接頭、軟管、彎頭、扦樣管、取樣扦尖，助壓器則固定于扦樣管上。在主機啟動后，操作人員則靠人力借助助壓器將不銹鋼鋼管往下壓，以獲取不同糧層糧食樣品，若要獲取更深層糧食樣品，則需續接扦樣管，并將其固定于上一節扦樣管上的助壓器拆下安裝在下一節上，如此反復以獲取不同糧層的糧食樣品。

1.3 傳統扦樣作業弊端

采用上述傳統扦樣設備進行大型糧庫深層糧食樣品扦取的操作過程中，扦樣管的下壓與抽拔都是靠人力完成，機械化程度、技術含量低，勞動強度大，作業效率低，主要歸結于三個方面的因素：一是取樣過程中需要多次拆裝助壓器，以扦取28 m深度糧層樣品為例，目前市面上常規的扦樣管為1.2 m一根，頂部12 m左右可以靠單人或多人合力人工下壓，而剩余深度則需要借助助壓器進行下壓，需反復拆裝助壓器10余次，此過程較為繁瑣；二是糧食樣品扦取時，隨著扦樣深度的增加，糧食作用于扦樣管的阻力不斷增加，需靠三四個人的人力借助助壓器方可艱難將不銹鋼扦樣鋼管往下壓，此過程作業人員勞動強度大；三是取樣過程無法實時顯示取樣深度，需要人工根據下壓扦樣管的根數來核算扦樣深度，使用極為不便。迫切需要一種能夠減輕糧食深層扦樣過程中作業人員勞動強度，產品性能優良可靠，搬運輕便，扦樣深度滿足要求且可實時顯示扦樣深度，使用簡單方便的機械裝置代替人工高強度體力勞動。

2 新型扦樣器方案設計

2.1 傳統扦樣過程原理分析

傳統人工操作扦樣過程主要原理是：作業人員在借助助壓器的基礎上靠人力克服糧食作用于扦樣管的摩擦力將扦樣管下壓，然后，微型吸糧器(除塵器)開啟后使吸糧管與扦樣桿形成一定的負壓，糧食從扦樣孔進入，通過吸糧管進入微型吸糧器內，即完成了扦樣作業。該過程中，提前開啟微型吸糧器(除塵器)，可將扦樣管底部糧食抽空(松散)，有利于減少扦樣管下壓的阻力。另外，由于單根扦樣管長度受限，為了獲取不同深度的糧食樣品，需多次續接扦樣管，而續接過程中需要頻繁拆裝助壓器。

2.2 新型扦樣器設計思路

傳統扦樣過程中，扦樣管壓拔過程主要有2個動作：一是扦樣管的直線上下運動，其方向靠人的經驗把握，下壓動力為人力；二是由于扦樣管下壓受到糧食的摩擦阻力，需要借助助壓器多人方可下壓，而此過程中因為續接扦樣管，需要多次頻繁拆卸助壓器。因此，提出下壓可采用機械執行機構來替代人工作業，該機構可實現驅動助壓器沿特定路徑上下往復運動并具有足夠的伸縮力；二是由于扦樣管下壓受到糧食的摩擦阻力影響，需要借助助壓器多人方可下壓，而此過程中因為續接扦樣管，需要多次頻繁拆卸助壓器，我們擬設計一種夾鉗機構(夾緊機構)替代原有助壓器，用于快速夾緊松弛扦樣管，并確保夾緊時具有足夠的夾緊力，以方便扦樣管的續接、拆卸和在壓拔機構動作時夾鉗與扦樣管不出現滑管現象。

動力選擇上，主要從氣動、電動和液壓驅動3種方式中選取，經比選，采用氣缸作為執行機構的執行元件較合適，其優勢在于：氣缸驅動以壓縮空氣為動力源，無污染，不會對糧食產生污染，同時，在淺圓倉、立筒倉、大直徑筒倉等機械化糧庫中高壓氣源獲取方便，無需再增加附屬驅動配件。且考慮到使用場所為室內粉塵防爆區域，各驅動機構動力采用氣動驅動，確保設備本質安全。而液壓系統需新增加壓泵，且在倉房內使用存在油管爆裂污染糧食的風險，而電動執行待機時產生噪音，且驅動方式非本質安全型。幾種執行機構動力源比選見表1。

表1 幾種執行機構動力源對比

2.3 其他附件

為確保上述執行機構的正常工作，需設計與之配套的機座系統和控制系統。

3 扦樣器裝置構成

基于上述原理分析及功能需求，研發了該款扦樣器設備，該設備主要由機械裝置和控制檢測系統2大部分組成。扦樣器機械結構示意圖見圖2。

圖2 扦樣器機械結構示意圖

3.1 機械裝置

機械裝置部分主要由支架機構、設于支架系統中構成垂直升降運動的壓拔機構和用于夾緊松弛扦樣管的夾緊機構組成。

3.1.1支架系統

支架系統包括由折疊底座、頂板、固定于底座與頂板間的導軌和絞龍等組成,用于固定支撐各執行機構(壓拔機構、夾緊機構)，確保各執行機構順利運行的基礎框架，能夠置放于糧堆表面，在執行機構壓扦樣管時不上拱和拔扦樣管時不自下沉。主要由輕質鋁合金型材和鋁板經機加工裝配而成，確保了設備輕巧便攜、強度剛度足夠。

折疊底座用于支撐整個機械裝置平穩置放于糧面且不自下沉，與埋入糧堆部分的絞龍相互配合使用，通過將絞龍垂直鉆入糧堆中利用糧堆的內部壓力對支架系統進行穩固定位，可有效平衡扦樣管下壓過程中的反作用力，省去了底座的配重需求，大大降低了設備自重；其次，將底座設計成可折疊底座，降低設備底座尺寸，提高了設備的便攜性。頂板主要用于連接固定導軌、壓拔機構驅動氣缸和安裝控制電箱。為確保壓拔機構運動的穩定性，在支架系統中設置了3條直線導軌，用于固定、引導安裝于導軌上的滑塊沿著導軌做上下直線往復運動，直線導軌采用中空設計，有效降低設備自重。為確保扦樣管可以垂直深入糧堆內部，我們在底座上設置了一套水平萬向儀，用于顯示支架系統水平垂直度，調整扦樣器作業前的水平度。

3.1.2夾緊機構

夾緊機構主要由驅動氣缸、鉗臂、夾頭和連接件組成，本夾緊機構由2個輕薄型氣缸驅動，2個氣缸均勻對稱布置，各驅動夾鉗的一半鉗臂，鉗臂一端與氣缸連接，另一端與夾頭連接，隨著氣缸的伸縮實現快速夾緊、松弛扦樣管；執行氣缸固定在嵌套于導軌的滑塊上，隨滑塊的上下滑動而運動。夾緊機構結構示意圖見圖3。

圖3 夾緊機構結構示意圖

夾緊機構是確保壓拔機構動作時使扦樣管壓入糧堆的重要部件，夾緊機構若不能保持足夠的夾緊力，壓拔機構就無法正常將扦樣管壓入糧堆或無法將扦樣管拔出糧堆，因此，為了保證扦樣管續接、拆卸和在壓拔機構動作時夾頭與扦樣管不出現滑管狀況，在夾頭內側增加了帶菱形網紋的橡膠片(表面粗糙)，有效增加夾頭與扦樣管間的摩擦力；其次，考慮到扦樣器的通用性，將夾頭設計成可更換結構，滿足不同管徑扦樣需求；夾緊機構的氣源通斷控制元件采用24 V兩位五通電磁閥，而電磁閥的控制電源則由PLC系統根據控制需要進行輸出。另外，在夾頭處設置一扦樣管檢測開關，并將檢測信號反饋到PLC控制系統中，用于實現扦樣器的自動和邏輯控制。在自動控制模式下，當該檢測開關檢測不到扦樣管時，系統會自動停止運行，待作業人員續接好扦樣管后再人工一鍵啟動扦樣作業。

3.1.3壓拔機構

壓拔機構是將扦樣管壓入、拔出糧堆的動力機構，扦樣作業期間克服糧食與扦樣管間的摩擦阻力做功，主要由固定于支架系統頂端固定板上的驅動氣缸、磁性開關、嵌套于機架直線導軌上的滑塊及直線軸承組成。驅動氣缸伸出端端面用螺栓固定于支架頂板上，活塞桿固定于滑塊上，直接驅動安置著夾緊機構的滑塊沿3根直線導軌上下往復運動。壓拔機構的驅動氣缸氣源通斷采用三位五通24 V電磁閥控制，電磁閥的通斷同樣由PLC控制系統進行控制；氣缸選用磁性氣缸，配套2個磁性感應開關，分別安裝在氣缸的兩端，負責檢測氣缸的動作信號反饋至PLC控制系統中。

3.2 控制系統

控制系統是本扦樣器的大腦中樞，負責處理扦樣器采集信號處理及控制信號輸出，主要包括PLC控制電路板，控制電箱(控制按鈕、急停開關、顯示面板)、感應檢測元件、電磁閥等部件組成。

PLC控制相比傳統電氣控制具有便于邏輯控制，控制回路相對穩定，可實現數字信號輸出,達到可視化要求等優點，且其控制輸入輸出電壓均為24 V及以下，有效確保了倉庫內部電氣控制的用電安全。為實現扦樣深度的實時反饋，在支座系統頂板上設置了測距模塊，通過檢測傳感器、測距模塊、PLC特定的算法編程，實現了扦樣深度的統計核算，并輸出數字信號顯示在安裝于控制箱上的顯示屏，實現扦樣深度的實時顯示。

扦樣設備的控制電箱采用粉塵防爆電箱，控制電箱內部設置一降壓電源模塊，為PLC控制提供24 V電源。在操作方式上，為滿足不同的功能需要，設計了手動、自動壓管和一鍵拔管3種控制模式，實現了手動單獨控制和(或)自動控制壓拔機構和夾緊機構的動作。

為確保設備使用安全，在控制電箱顯著位置設置了急停開關，便于緊急情況下緊急停機。2種電氣控制模式對比見表2。

4 使用效果

通過實際使用驗證，在扦樣作業人員投入方面，相比傳統扦樣作業需要4～5人高強度作業，利用本研究開發的深層糧食扦樣器開展扦樣作業，整個扦樣過程只需2個人即可輕松配合完成。在扦樣設備性能及效率方面，利用該深層扦樣器，單倉倉容1萬t的淺圓倉，其扦樣深度25 m耗時僅需25 min；單倉倉容5 000 t的立筒倉，扦樣深度35 m耗時約40 min。相比傳統純人工扦樣過程，大大降低了作業人員勞動強度和企業人力成本，提高了扦樣效率，確保了深層糧食樣品取得到、取得輕松、取得精準，為糧食儲藏期間開展質量檢驗提供了較好的技術支持，有效解決了行業面臨的新難題。

5 結論

糧食儲藏安全是糧食安全的主要內容之一，而糧食入庫后樣品扦取是反映糧食真實等級和品質的重要步驟，質量檢測的數據準確性是基于是否提供了具有代表性的糧食樣品，本裝置解決了大型糧庫深層糧食扦樣困難的難題，可為扦取有代表性檢化驗樣品提供較好的解決方案。

本裝置整機質量輕，搬運方便，操作、三兩個人互相配合便可完成設備的準備和樣品扦取工作，使用維護量少，機械化程度高，具有較廣闊的市場應用前景及推廣價值。目前，該技術已申請國家發明專利并獲得國家實用新型專利證書。