◎魏革新

（作者單位：光明食品（集團）有限公司）

本文為解決船運散裝糧食扦樣過程自動化、智能化，在已有車載散糧扦樣設(shè)備的基礎(chǔ)上，利用機械、液壓、電氣相關(guān)工作原理，提出了船運散糧扦樣設(shè)備的研發(fā)設(shè)計思路，并結(jié)合企業(yè)實際業(yè)務(wù)場景，對智能化扦樣設(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)備在試點糧庫的試運行過程中得到了充分的驗證。

一、智能化船扦設(shè)備的研究背景

作為糧食儲運、交易過程中的重要環(huán)節(jié)，糧樣扦取和檢驗是保護糧戶、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。糧庫在接收船運散糧之前，首先要進(jìn)行扦樣化驗，符合相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 5491-1985 糧食、油料檢驗、扦樣、分樣法》后，方可接收入庫。船運散糧的扦樣過程自動化、智能化研究，對船運散糧的扦樣效率、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)在河道岸線船運散糧扦樣的實際需求，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、自動化的可行性，并通過實際試用得到了充分的驗證。

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）：主要用于人工手動扦樣作業(yè)，適用范圍2—3m 糧層深度；

半自動扦樣機（固定式/移動式）：主要用于散裝/袋裝運輸車輛，可實現(xiàn)遙控器操作，實現(xiàn)多點扦樣，但扦樣區(qū)域、扦樣深度、移動范圍受限；

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

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)河糧食運輸主要以中小型船運散糧為主。糧庫船運散糧一般采用人工扦樣，操作勞動強度大，工作效率低下，作業(yè)時間長，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

1.設(shè)計思路。

圍繞河道碼頭船運糧食扦樣場景的特征與實際需求，結(jié)合工程機械、液壓、氣動、電控、自動化控制等原理，利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)、傳感技術(shù)等，設(shè)計一款符合國內(nèi)中小型船舶運輸糧食扦樣需求的扦樣設(shè)備，實現(xiàn)船舶扦樣過程的智能化、自動化。設(shè)計過程須結(jié)合作業(yè)現(xiàn)場的場景需求，對鋼結(jié)構(gòu)底盤、機械大臂等作業(yè)主件和移動組件等關(guān)鍵零部件進(jìn)行強度剛度分析。通過試做設(shè)備在作業(yè)現(xiàn)場的試運行，驗證了設(shè)備自動化、智能化、移動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)備是一套涵蓋機械、液壓、電氣自動化、氣動等多領(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，通過程序算法計算自動扦樣的點位模型，實現(xiàn)單船扦樣全過程自動化。當(dāng)找到扦樣設(shè)備與船泊的相對位置基準(zhǔn)點，操作人員可選擇船舶型號，通過內(nèi)置參數(shù)控制大臂伸展至扦樣點位，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)機吸糧減少插入糧食行程的阻力，扦樣桿自動下降插入糧食內(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，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)的糧食自動落回船艙。

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

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

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

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

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、移動電機、減速機、扦桿支架、自動反彈裝置、鏈條鏈輪）等；

液壓部分：包含動力單元/發(fā)電機組、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、顯示器）、人機交互（操作面板及無線遙控器）等。

氣動部分：包含吸糧部分、除塵部分、余糧返船部分等。

四、設(shè)計方案可行性分析

結(jié)合船運糧食扦樣設(shè)備在港口碼頭的使用場景，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，尚未有實際案例供考究，但在車運散裝糧扦樣方面，國內(nèi)外常用的糧食扦樣設(shè)備包括固定式和移動式兩種。

就車運與船運的糧食扦樣相比較，主要區(qū)別在于以下兩方面：

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

（2）周圍環(huán)境不同：散糧運輸車周圍環(huán)境相對固定，車輛移動方便，所以車運扦樣設(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，始終處于動態(tài)變化的環(huán)境下。

針對上述比較，從散糧運輸車延伸到散糧運輸船，要實現(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)合不同的特點進(jìn)行如下升級改良：

（1）扦樣設(shè)備具有較好的移動性能。

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械臂自身的轉(zhuǎn)動伸縮覆蓋的范圍，這就要求設(shè)備整體具有可移動性。

船舶扦樣設(shè)備配備定制底盤，裝配行走履帶，自帶動力，可實現(xiàn)碼頭范圍內(nèi)的自由行走，有效解決原固定式扦樣設(shè)備無法移動的弊端，且履帶式設(shè)備在移動過程中方向可控，不易偏移。履帶增加橡膠塊，行駛過程中減少對碼頭路面的損壞。兩個履帶之間設(shè)計寬度為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)糧船的大小可手動或自動伸縮，從而覆蓋全部船體糧倉。扦樣設(shè)備工作臂在伸出、縮回動作過程中，設(shè)備整體重心會沿大臂的伸出、縮回方向前后移動，當(dāng)設(shè)備重心偏移一定程度時，設(shè)備有傾翻的風(fēng)險。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（遙控器、按鈕和各種檢測單元等信號）通過電氣線路將信號傳遞給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傳遞給中間繼電器。中間繼電器通過二次電氣控制實現(xiàn)船舶扦樣設(shè)備各種動作輸出。

3.其他安全性分析。

定制底盤設(shè)計，自帶動力，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，保護液壓泵的長期安全穩(wěn)定運行。

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)計自動反彈功能，當(dāng)扦桿接觸船底或船壁時，扦桿自動回升，避免折彎。

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

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

五、樣機制作及試運行的主要驗證措施

根據(jù)上述設(shè)計思路，結(jié)合相關(guān)企業(yè)船運糧食扦樣的實際場景，試做了一款船運糧食扦樣機。具體樣機如下圖示：

樣機可行性驗證過程主要通過對扦樣場景適用性、便捷性、安全性等方面的分析，通過對車身承重穩(wěn)定性、大臂伸縮的扦樣范圍、程控式自動扦樣及扦樣糧層深度、車身移動性、整機協(xié)作性等關(guān)鍵部件的設(shè)計，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，實現(xiàn)作業(yè)扦樣自動化，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)備機械的現(xiàn)狀，查閱大量的扦樣設(shè)備機械文獻(xiàn)資料，對比市場上現(xiàn)有扦樣設(shè)備的特點，結(jié)合我國糧食扦樣的現(xiàn)狀，設(shè)計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)計和技術(shù)實驗，初步確定了扦樣設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)和規(guī)格參數(shù)。

2.利用solidworks 建模軟件對船舶扦樣設(shè)備進(jìn)行三維建模，結(jié)合設(shè)計要求，強度要求，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、實用性及安全性要求。

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

4.為驗證設(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算，驗證了選用10 噸承載力履帶的可行性。

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

六、結(jié)論

本文對國內(nèi)外主要糧食扦樣設(shè)備及其適用的場景進(jìn)行了分析，對船運糧食扦樣設(shè)備進(jìn)行多方面的可行性研究和樣品研制與試用。對推動傳統(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)化糧食儲運模式與服務(wù)能力等方面有著非常積極的意義。