棉包温湿度传感器载体植入推管的设计

■ 刘齐舟

〔安徽电子信息职业技术学院，安徽蚌埠233010〕

棉花在储存和运输过程中，其回潮率随着环境条件的变化而变化，为了分析回潮率随环境条件的变化规律，在“棉包内部温湿度分层研究”项目研究中，采用在棉包中按不同位置不同深度安放温湿度和回潮率传感器进行实时监控。考虑到棉包的对称性和试验监测点设置的合理性，本研究选择1/4棉包进行布点，在棉包长度方向上设置了3个监测层面；宽度方向上设置了2个监测层面；高度方向上设置了5个监测层面；棉包两面的取样口位置各设置1个监测层面，其布局如图1所示。

图1 棉包内部温湿度分层监测布点图

从图1可以看出，传感器安放点较多且有一定的位置要求，最深位置在棉包的中心，在宽度530 mm方向上深度达265 mm。由于棉包内棉层分布明显但不均匀，整包为弹性挤压体，密度达到450 kg/m3左右，质地致密坚硬，对棉包内部置入传感器进行相关监测操作难度很大，置入困难，加上棉包试验有防火要求，监测传感器有定位和防损伤要求等，检测传感器置入过程必须平稳推进。考虑到电源和信号线的链接，设计用细长的管状杆件来配合推荐装置完成传感器载体的置入工作。那么，如何合理确定细长管的结构尺寸，保证传感器载体置入工作的安全可靠，是亟需解决的关键问题。

一、传感器载体进入棉包过程中受力情况分析

传感器载体推进机构示意图如图2所示。

图2 传感器载体推进机构示意图

载体内部的传感器是通过信号线与外界传递信号的，外力F作用在推管的B端面上，经A端面作用在载体上，将载体推入棉包内部，其中P为内部压强，大小为4.8×105Pa，当载体和推管进入棉包后，棉花在内部压强P的作用下紧紧包裹在载体和推管的外圆面上，外部推力需要克服的主要阻力是外圆表面的摩擦力，载体按传感器电路尺寸已设计定型，最大外径尺寸为13 mm，为避免额外增加阻力，推管的外径应该不大于载体外径尺寸，推管中孔是信号线穿出通道并通过载体尾部台阶定位保证与载体同心，当载体被送入棉包后，通过回拉槽将推管拉出棉包。随着推管的深入，表面摩擦力越来越大，显然从材料抗压强度考虑，将载体向棉包最深处推进中，推管的回拉槽颈部横截面最为薄弱。另外从材料力学理论知道，对于推管这样的细长受压杆，稳定失效往往先于强度失效，所以对推管还要进行稳定性设计。

二、推管回拉槽处的抗压强度校核

如前所述，推管的外径尺寸不能大于载体外径，现暂确定为12 mm，内孔的大小由传感器四根通讯线尺寸决定，通过测量与实际穿线操作，将推管内孔直径确定为9 mm；为了保证回拉槽工作可靠性，回拉槽单边深度不能小于0.5 mm，所以回拉槽底部最大外径为11 mm。当传感器到达棉包中心，推进距离约为290 mm（载体超越中心20 mm～30 mm），此时推杆回拉槽所受推力最大，抗压强度校核如下所示：

式中：F—外界推力；

P—棉包内部压强；

S—载体与推管埋入棉包外表面积；

f—棉花与金属表面摩擦系数，取0.22［1］。

可见，回拉槽部位强度满足要求。

三、压杆（推管）稳定临界力校核

根据材料力学压杆稳定理论，细长杆受压时，当轴向压力F大于临界压力Fcr，即使远未达到材料的屈服极限，压杆也会发生突然弯曲而失效，称为压杆失稳，为了保证压杆可靠工作，避免失稳情况发生，必须满足：F˂Fcr，根据欧拉公式：

式中：E—材料弹性模量，不锈钢E=190 GPa；

I—压杆最小截面二次矩。

式中：D—管外径，m；

d—管内径，m；

L—压杆长度，这里是露在棉包外部的长度，m；

μ—与支承情况有关的长度系数。

当推管进入棉包后，此时的支承情况属于一端固定，一端自由，长度系数µ=2，则：

随着推管逐步压入棉包，虽然推管外露长度缩短，但摩擦力却逐步增大，设轴向推力为F，由式1得：

图3是方程式4的曲线图，从曲线图可以看出，只要推管外露长度小于300 mm，推管的临界压力大于2 037 N，而由式5可知，摩擦力最大也只有1 538 N，所以按上述设计的推管不会发生失稳现象。

图3

四、推管结构完善设计

1.为了避免金属浮锈对棉花造成污染，选用304不锈钢直径12 mm光圆型材，外圆基本不需加工，降低了制造成本，同时降低了摩擦阻力。

2.推管前端用内孔与载体定位，保证二者同心度，避免了可能因错位带来的额外阻力。

3.在推管外圆表面设置了刻度标志，使载体位置一目了然。

4.推管的回拉槽与螺旋推进机构可靠联结，只需反转螺旋即可很方便的将推管从棉包中拉出，将载体留在了棉包内部。

五、结论

将传感器载体推入致密的棉包内部，必须采用管状的细长杆件才能完成，该细长杆外径过大会推进阻力大，且推管拔出后遗留的孔道不易回涨密合；直径太小，不能保证强度与置入安全。本文从抗压强度和压杆失稳两个方面对推管进行了校核验证，对推管外径和内孔尺寸进行了优化设计，完善了功能结构，从理论上保障了推管工作可靠性，为试验项目顺利进行奠定了装备基础，也为其他类似部件设计提供了借鉴。