車載式籽棉回潮率檢測裝置的研究及應用

〔鄭州棉麻工程技術設計研究所，河南鄭州450004〕

隨著國家棉檢體制改革的不斷深化，我國棉花加工行業現代化、信息化和規模化水平不斷提高，傳統棉花加工工藝得到進一步的優化和完善。籽棉回潮率的快速檢測技術成為籽棉收購的關鍵環節。籽棉回潮率對加工工藝系統穩定性、棉花安全儲運、加工質量起重要作用，而且是棉花貿易結算的重要依據，所以，回潮率的測量以及數據的真實可靠性直接與棉花收購商以及棉農的經濟利益有關。新疆作為我國重要的棉花種植基地，對我國棉花供應發揮重要作用。當下，新疆棉花的籽棉回潮率基本依靠人工進行測量，這種測量方式不僅采集效率低、勞動強度大，且其數據的真實性、可靠性受人為因素影響較大，嚴重制約了新疆棉花產業的快速積極發展，迫切需要開發一種籽棉回潮率的快速檢測裝置。

一、簡介

通過探索籽棉收購的特點，結合模擬樣機的結構特點和電阻法檢測籽棉回潮率的成熟技術，鄭州棉麻工程技術設計研究所研制出了車載式籽棉回潮率檢測裝置（圖1）。可有效提高籽棉回潮率檢測精度，降低勞動強度。

車載式籽棉回潮率檢測裝置主要由兩部分構成，即檢測單元和載體叉車，滿足了籽棉回潮率的無死角檢測。

圖1 車載式籽棉回潮率檢測裝置

二、檢測單元

物料可分為絕干物料和濕物料兩種。絕干物料是指不含水分的物料，濕物料是指含有一定水分的物料。描述濕物料水分含量可用兩種方法：

式中：hg——干基濕含量；

hs——濕基濕含量；

ms——濕料中的水分質量，kg；

mw——濕料中的絕干物料質量，kg。

按照國家標準籽棉含濕量使用濕基含濕量描述，通常稱為棉花回潮率或籽棉回潮率。本裝置采用電阻法對籽棉回潮率進行快速檢測。電阻式水分儀是利用物體的電導或直流電阻隨其含水量的不同而變化的原理設計的，根據電阻的變化來檢測物體的含水量。電阻Rx與濕基濕含量hs的關系為：

式中：K1、K2為常數，hs含水率與電阻 Rx之間呈對數關系。

電阻式水分儀具有結構簡單，成本低，響應速度快等優點，我國從20世紀50年代就開始了電阻式水分儀的研制，檢測精度可達0.5%。

本裝置采用把回潮率檢測探頭安裝在探測桿中的方法，使其可與籽棉充分壓緊接觸，保證了檢測的穩定性和準確性。同時對檢測單元的機械部分采用高標準要求，實現了檢測深度和高度的無級調節，具有檢測位置可變，對場地適應性強的特點。其自動化程度高，既有效降低了勞動強度，又滿足了對籽棉運輸車進行無死角檢測的要求。

探測桿的水平進給運動，采用普通絲桿傳動、滾珠絲杠傳動、電動推桿、液壓或氣壓傳動等方式。對比分析，液壓或氣壓傳動需要增加泵，且液壓或氣壓也不太適合新疆的環境條件；電動推桿的傳動距離有限，普通絲杠的傳動效率較低，滾珠絲杠傳動效率較高并且目前使用較為廣泛。另外，導向上目前主要有光桿配合直線軸承、直線導軌副等，相比跨度較大的傳動，直線導軌副較為適宜，剛度高，承載能力強。

圖2 探測桿結構示意圖

為解決探測尖頭與籽棉之間的壓力問題，在探測桿與絲杠螺母之間增加了彈簧，如圖2所示。滑動板連接于絲杠螺母，在絲杠螺母的帶動下可以沿導軌前后移動；直線軸承連接于滑動板，探測桿安裝于直線軸承中，其中探測桿上焊接有彈簧擋塊，在彈簧擋塊與直線軸承之間安裝壓縮彈簧，對應端在探測桿上裝有鎖緊螺母以及減震墊。這樣進給過程中，在籽棉的阻擋下，彈簧壓縮，進給停止，探測桿在彈簧的作用下與籽棉貼緊，在籽棉阻力的作用下，探測桿尖頭與籽棉之間保持了一定的壓力。

為提高檢測精度，本裝置采用雙探測桿檢測，如圖3所示。兩個探測桿通過彈簧柔性連接于滑動板，滑動板連接于絲杠螺母。采用步進電機通過聯軸器與絲杠連接的直接傳動方式。傳動部件以及探測桿安裝在箱體上，箱體內部安裝控制元件及蓄電池組。檢測電路板安裝在滑動板上。

圖3 檢測單元俯視圖

三、籽棉回潮率檢測裝置控制方式以及流程

籽棉回潮率檢測裝置的控制流程如圖4所示。

控制系統主要包括以下幾個方面，各功能及其相互關系如下。

1.籽棉回潮率檢測控制系統。

根據操作面板的指令協調控制執行部分的前進，探測桿運動進給完成后，進行回潮率的檢測，發送測量結果到顯示部分，并控制執行部分返回原位置。

2.執行部分。

包含步進電機及其配套驅動器，接受籽棉回潮率檢測控制系統的控制，之間通過有線連接方式實現通信。

3.操作面板。

置于駕駛室，便于駕駛員操作，停車到位后，按下“測量”按鈕，通過無線通信方式發送“開始測量”指令給籽棉測水控制系統。

圖4 控制流程圖

4.顯示部分。

置于駕駛室，通過無線通信方式接收籽棉回潮率檢測控制系統發送的測量結果和測量狀態，顯示并語音播報測量結果。

籽棉回潮率檢測控制系統和顯示部分配備單片機，操作員通過操作面板發送“開始測量”指令通過顯示部分和籽棉回潮率檢測控制系統通信。籽棉回潮率檢測控制系統和探測桿固定在一起，和探測桿一起往復運動。籽棉回潮率檢測控制系統和執行部分之間通過有線連接，并配備拖鏈。

此外，為方便設備電氣部分安裝、調試及運行，兼顧安全用電，我們將該成套設備的配電柜安裝在了叉車駕駛室座椅右后側立柱上，探測桿的伸縮運動控制采用觸摸屏與PLC相配合的控制模式。探測桿的伸縮運動均設置有安全檢測接近開關，確保伸縮運動安全可靠。

該裝置以叉車為運載平臺，搭載自動化檢測單元、控制系統、電池組等部件，檢測位置不受限，檢測高度、深度可調。檢測單元采用滾珠絲杠以及伺服驅動裝置等精密傳動裝置，從而實現棉花收購過程中棉模的無死角檢測，同時采用插入式電阻法檢測原理確保籽棉回潮率檢測的精準可靠。

四、結論

車載式籽棉回潮率檢測裝置是結合我國棉花加工行業籽棉收購的特點，研制的適用于籽棉收購的回潮率快速檢測裝置。該裝置解決了手持插針式棉花回潮率檢測方式存在的勞動強度大、檢測位置單一，檢測準確性受人為因素影響大以及檢測的速度慢等問題，適合大范圍推廣使用。