羊毛鉆芯取樣器研發(fā)

文/戴玲杰 姚苗苗 王 偉 程 騰 李禹欣

1 引言

內(nèi)蒙古是我國綿羊毛主產(chǎn)區(qū)，年產(chǎn)綿羊毛10萬噸以上，綿羊毛年公證檢驗量超過2萬噸。取樣是綿羊毛檢驗環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)，取樣的代表性，直接影響檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，我國長期以來綿羊毛取樣是采用人力錘擊的方式將取樣管插入毛包，費力、費時、效率低，根據(jù)GB 1523—2013 綿羊毛的取樣要求，在羊毛包打包壓實后，進行羊毛硬包取樣抽檢。目前人工手動取樣器在使用過程中，需要兩人配合完成，一人把扶取樣管對準(zhǔn)取樣部位，另一人使用橡膠錘錘擊取樣管尾部（如圖1所示），將取樣管敲入毛包內(nèi)，拔出后取出被切入取樣管的羊毛樣品，完成取樣過程。該方法危險系數(shù)極高，人員勞動強度大，不宜長時間操作，并且取樣刀頭容易出現(xiàn)崩刀、卷邊等問題，取樣效率低。

圖1 人力錘擊取樣方法

目前國際上羊毛檢測、標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)管理最權(quán)威的國際機構(gòu)——國際毛紡織組織（IWTO）的取樣標(biāo)準(zhǔn)《IWTO鉆芯試驗規(guī)則》是采用大型鉆孔取樣機進行樣品扦取，而我國羊毛生產(chǎn)分散，收購環(huán)節(jié)規(guī)模小、集中度差，受取樣機運輸、操作場地等因素的限制不太適合大型鉆孔取樣機，無法直接引進大型鉆芯取樣機，需要根據(jù)我國羊毛實際情況研制一款攜帶方便、操作簡單、電動鉆芯取樣的便攜式鉆孔取樣器。

2 鉆芯取樣器標(biāo)準(zhǔn)要求

按照GB 1523《綿羊毛》標(biāo)準(zhǔn)要求鉆孔深度應(yīng)大于毛包長度的50%，按照我國毛包尺寸一般套毛堆疊面最大長度為90cm計算，鉆孔深度為45cm， DB/T 662—2014《原毛軟硬包取樣試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的鉆芯取樣要求為刀頭內(nèi)徑25mm，管長500mm。按照檢驗毛批每批12000kg，約60包，子樣重量應(yīng)不少于150g計算，每批5個子樣，每包扦取鉆芯樣品量不少于12.5g。此外，研制出的鉆芯取樣器除滿足以上標(biāo)準(zhǔn)要求外，還應(yīng)滿足以下要求，如表1所示。

表1 鉆芯取樣器次要設(shè)計要求

3 研究內(nèi)容

3.1 基本原理

取樣器根據(jù)凸輪活塞和曲柄搖桿機構(gòu)的工作原理，將凸輪旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為活塞往復(fù)運動，通過活塞高頻往復(fù)運動錘擊取樣管，取樣管及取樣刀頭依靠多次錘擊對羊毛纖維縱向切割，再依靠操作人員推動取樣機，取樣管進入毛包，到達指定深度后停止錘擊，拔出取樣器取出樣品，實現(xiàn)安全、快速的鉆芯取樣過程。

3.2 取樣機主機設(shè)計

取樣機主要由電動主機、取樣管、取樣刀頭組成。電動主機包括殼體、電動馬達、凸輪、減速齒輪、連桿、活塞、錘塊和微動開關(guān)等部分組成，樣機構(gòu)造如圖2所示。

圖2 取樣機構(gòu)造示意圖

3.3 可行性試驗與存在問題

現(xiàn)場試驗采用橫向、縱向、斜45°三個不同角度取樣，在電力驅(qū)動作用下，取樣管能夠快速、順利地插進入羊毛硬包，但由于毛包壓實密度過高，取樣管表面粗糙度過大，取樣管拔出過程困難，刀頭內(nèi)徑與取樣管內(nèi)徑不匹配，取樣量未達到取樣標(biāo)準(zhǔn)，需要對取樣管和刀頭內(nèi)徑進行研究改進。

3.4 取樣管改進

3.4.1 第一次取樣管設(shè)計與測試

依據(jù)可行性驗證數(shù)據(jù)，改進取樣管設(shè)計，取樣管內(nèi)徑25mm，鉆芯長度470mm，材質(zhì)沿用304不銹鋼。受取樣管長度的影響，加工廠難以一次成型，所以在設(shè)計過程中，將取樣管結(jié)構(gòu)分為錘頭和套管兩部分，中間銜接處采用細牙螺紋連接，內(nèi)部填充螺紋膠緊固，刀頭沿用P20研磨技術(shù)加工，淬火硬度60HRC。

取樣管經(jīng)過多次測試，能夠順利進出毛包完成取樣。但由于取樣管與錘頭采用螺紋連接工藝，多次使用后連接處容易造成斷裂，如圖3，存在壽命短、易損壞等缺點。

圖3 第一階段取樣管斷裂

3.4.2 第二次取樣管設(shè)計與測試

經(jīng)過第一階段的試驗數(shù)據(jù)，取樣管和刀頭在材質(zhì)不變，改進取樣管的連接設(shè)計。在錘頭與套管中間增加緊固銷，接縫處外層包裹加固管，加固管外圍塞焊孔焊接，提高錘頭與套管的連接性，延長取樣管的使用壽命。

按照新的改進設(shè)計加工多套取樣管，經(jīng)過實驗室多次反復(fù)鉆芯取樣測試后，取樣管無明顯損壞痕跡。但由于受實驗室毛包數(shù)量限制，測試次數(shù)無法達到現(xiàn)場檢驗試驗次數(shù)。

最終，經(jīng)過現(xiàn)場大量實際應(yīng)用測試后發(fā)現(xiàn)，焊接式取樣管優(yōu)于螺紋連接式，單根取樣管取樣次數(shù)達到50多包，但仍不能達到單根取樣管取樣300次目標(biāo)。

3.4.3 第三次取樣管設(shè)計與測試

從第一次和第二次的測試中得知，取樣管在高頻錘擊過程中，管材表面升溫，不銹鋼特性在加熱后屈服能力下降，易折斷或彎曲，參考以上試驗結(jié)果，修改取樣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

取樣管選取高強度馬氏體17-4PH材料，采用一體式長孔鉆削加工工藝，將錘頭和套管合成為一體，解決斷裂問題，延長使用壽命，該材料韌性好，耐高溫，耐腐蝕，屈服強度優(yōu)于奧氏體不銹鋼，該材質(zhì)主要應(yīng)用于鉆桿、葉輪等高強度零件中。

刀頭采用P20（中國牌號3Gr2Mo）和440C（中國牌號9Cr18Mo）兩種高強度切削材料，刀頭螺紋根部設(shè)計無工藝槽，增加刀頭螺紋根部壁厚。P20材質(zhì)具有硬度高、抗拉性強、耐腐蝕性差，其最高硬度可達60HRC，常用于模具加工領(lǐng)域；440C材料耐熱性強，具有優(yōu)質(zhì)的防銹能力、較高的屈服能力，硬度可達58HRC，屬于刃具鋼的一種，常用于各種刀具的原材料。兩種不同材料的刀頭在經(jīng)過高頻淬火處理后，對取樣管使用壽命及抗疲勞強度進行對比。

經(jīng)過改進后的取樣管經(jīng)過大量現(xiàn)場試驗后，結(jié)果表明取樣管的壽命明顯有所提高，并且一體式設(shè)計能夠最大化將取樣機的功力傳遞至刀頭。兩種材質(zhì)刀頭對比后發(fā)現(xiàn)P20材質(zhì)的刀頭經(jīng)受振動或撞擊堅硬物時會存在破碎等現(xiàn)象，440C材質(zhì)的刀頭僅會出現(xiàn)崩口現(xiàn)象，如圖4所示。整體測試取樣管達到100多包以后，取樣管鉆孔根部仍會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，未能達到研發(fā)目標(biāo)，如圖5所示。

圖4 第三階段的不同材質(zhì)刀頭損壞圖

圖5 第三階段的取樣管斷裂圖

3.4.4 第四次取樣管設(shè)計與測試

延用第三次取樣管的一體式加工工藝，選用高強度馬氏體17-4PH作為取樣管主材，刀頭選用440C作為主材，淬火硬度55HRC。取樣管管體根部增加斜角緩沖處理，縮短管體中部長槽孔，避免頻繁使用造成根部斷裂，如圖6所示。刀頭螺紋處由密封膠帶改用高強度且耐高溫螺紋膠固定處理，確保長時間使用刀頭不松動，降低刀頭及管體連接處斷裂的風(fēng)險。

圖6 第四階段改進后的取樣管

在經(jīng)過大量現(xiàn)場取樣試驗后，本次改進方案取樣大于300包，達到研制預(yù)期目標(biāo)。

3.5 移動升降支架設(shè)計

鉆芯取樣器機身重量15kg，成年男士長時間操作后，仍然感覺吃不消，因此，增加移動升降支架，減少機身重量對人體體力的消耗，減輕勞動強度。移動升降支架根據(jù)氣動彈簧的工作特性，操作取樣機上下調(diào)節(jié)，隨機變換取樣位置。取樣機安裝于移動升降支架上方，與連接器通過快擰螺絲固定，連接器與伸縮管固定為一體，可360度橫向旋轉(zhuǎn)；氣動彈簧安裝于伸縮管內(nèi)部，伸縮管中間部位安裝彈簧限位鎖扣，在操作人員上下調(diào)節(jié)時彈簧限位鎖扣可自動在3個位置插銷式鎖緊；伸縮管下方安裝3根支撐桿，支撐桿的分布角為60度，并分別在支撐桿底端安裝萬向腳輪支撐桿與萬向腳輪，支撐桿與萬向腳輪可向下折疊收納，便于現(xiàn)場操作人員搬運，萬向腳輪可在現(xiàn)場靈活移動，為現(xiàn)場取樣帶來更方便、省力、快捷的解決方案。如圖7所示。

圖7 移動升降支架結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

經(jīng)過多次試驗與改進后，最終取樣管采用17-4PH材料，一體式深孔鉆芯技術(shù)加工，表面拋光處理，有效將取樣機的最大推力傳遞至刀頭處；刀頭采用440C材料，研磨技術(shù)加工，加工后淬火處理55HRC，刀頭與取樣管之間螺紋膠緊固，消除在多次使用后螺紋松動造成的損壞隱患，該設(shè)計能夠使取樣機的動力最大化提高。同時，加裝可移動升降支架，使操作人員更輕松地完成取樣，最大化地降低勞動強度。