棉包溫濕度傳感器載體植入推管的設計

■ 劉齊舟

〔安徽電子信息職業技術學院，安徽蚌埠233010〕

棉花在儲存和運輸過程中，其回潮率隨著環境條件的變化而變化，為了分析回潮率隨環境條件的變化規律，在“棉包內部溫濕度分層研究”項目研究中，采用在棉包中按不同位置不同深度安放溫濕度和回潮率傳感器進行實時監控。考慮到棉包的對稱性和試驗監測點設置的合理性，本研究選擇1/4棉包進行布點，在棉包長度方向上設置了3個監測層面；寬度方向上設置了2個監測層面；高度方向上設置了5個監測層面；棉包兩面的取樣口位置各設置1個監測層面，其布局如圖1所示。

圖1 棉包內部溫濕度分層監測布點圖

從圖1可以看出，傳感器安放點較多且有一定的位置要求，最深位置在棉包的中心，在寬度530 mm方向上深度達265 mm。由于棉包內棉層分布明顯但不均勻，整包為彈性擠壓體，密度達到450 kg/m3左右，質地致密堅硬，對棉包內部置入傳感器進行相關監測操作難度很大，置入困難，加上棉包試驗有防火要求，監測傳感器有定位和防損傷要求等，檢測傳感器置入過程必須平穩推進。考慮到電源和信號線的鏈接，設計用細長的管狀桿件來配合推薦裝置完成傳感器載體的置入工作。那么，如何合理確定細長管的結構尺寸，保證傳感器載體置入工作的安全可靠，是亟需解決的關鍵問題。

一、傳感器載體進入棉包過程中受力情況分析

傳感器載體推進機構示意圖如圖2所示。

圖2 傳感器載體推進機構示意圖

載體內部的傳感器是通過信號線與外界傳遞信號的，外力F作用在推管的B端面上，經A端面作用在載體上，將載體推入棉包內部，其中P為內部壓強，大小為4.8×105Pa，當載體和推管進入棉包后，棉花在內部壓強P的作用下緊緊包裹在載體和推管的外圓面上，外部推力需要克服的主要阻力是外圓表面的摩擦力，載體按傳感器電路尺寸已設計定型，最大外徑尺寸為13 mm，為避免額外增加阻力，推管的外徑應該不大于載體外徑尺寸，推管中孔是信號線穿出通道并通過載體尾部臺階定位保證與載體同心，當載體被送入棉包后，通過回拉槽將推管拉出棉包。隨著推管的深入，表面摩擦力越來越大，顯然從材料抗壓強度考慮，將載體向棉包最深處推進中，推管的回拉槽頸部橫截面最為薄弱。另外從材料力學理論知道，對于推管這樣的細長受壓桿，穩定失效往往先于強度失效，所以對推管還要進行穩定性設計。

二、推管回拉槽處的抗壓強度校核

如前所述，推管的外徑尺寸不能大于載體外徑，現暫確定為12 mm，內孔的大小由傳感器四根通訊線尺寸決定，通過測量與實際穿線操作，將推管內孔直徑確定為9 mm；為了保證回拉槽工作可靠性，回拉槽單邊深度不能小于0.5 mm，所以回拉槽底部最大外徑為11 mm。當傳感器到達棉包中心，推進距離約為290 mm（載體超越中心20 mm～30 mm），此時推桿回拉槽所受推力最大，抗壓強度校核如下所示：

式中：F—外界推力；

P—棉包內部壓強；

S—載體與推管埋入棉包外表面積；

f—棉花與金屬表面摩擦系數，取0.22［1］。

可見，回拉槽部位強度滿足要求。

三、壓桿（推管）穩定臨界力校核

根據材料力學壓桿穩定理論，細長桿受壓時，當軸向壓力F大于臨界壓力Fcr，即使遠未達到材料的屈服極限，壓桿也會發生突然彎曲而失效，稱為壓桿失穩，為了保證壓桿可靠工作，避免失穩情況發生，必須滿足：F?Fcr，根據歐拉公式：

式中：E—材料彈性模量，不銹鋼E=190 GPa；

I—壓桿最小截面二次矩。

式中：D—管外徑，m；

d—管內徑，m；

L—壓桿長度，這里是露在棉包外部的長度，m；

μ—與支承情況有關的長度系數。

當推管進入棉包后，此時的支承情況屬于一端固定，一端自由，長度系數μ=2，則：

隨著推管逐步壓入棉包，雖然推管外露長度縮短，但摩擦力卻逐步增大，設軸向推力為F，由式1得：

圖3是方程式4的曲線圖，從曲線圖可以看出，只要推管外露長度小于300 mm，推管的臨界壓力大于2 037 N，而由式5可知，摩擦力最大也只有1 538 N，所以按上述設計的推管不會發生失穩現象。

圖3

四、推管結構完善設計

1.為了避免金屬浮銹對棉花造成污染，選用304不銹鋼直徑12 mm光圓型材，外圓基本不需加工，降低了制造成本，同時降低了摩擦阻力。

2.推管前端用內孔與載體定位，保證二者同心度，避免了可能因錯位帶來的額外阻力。

3.在推管外圓表面設置了刻度標志，使載體位置一目了然。

4.推管的回拉槽與螺旋推進機構可靠聯結，只需反轉螺旋即可很方便的將推管從棉包中拉出，將載體留在了棉包內部。

五、結論

將傳感器載體推入致密的棉包內部，必須采用管狀的細長桿件才能完成，該細長桿外徑過大會推進阻力大，且推管拔出后遺留的孔道不易回漲密合；直徑太小，不能保證強度與置入安全。本文從抗壓強度和壓桿失穩兩個方面對推管進行了校核驗證，對推管外徑和內孔尺寸進行了優化設計，完善了功能結構，從理論上保障了推管工作可靠性，為試驗項目順利進行奠定了裝備基礎，也為其他類似部件設計提供了借鑒。