劉志海 崔鑫龍 柏海龍

(山東科技大學(xué)交通學(xué)院，山東 青島 266590)

豆腐是一種傳統(tǒng)的大豆制品，其制作過程主要包括熱處理、凝固、壓制和成型[1]。目前，在中國的一些中大型豆腐加工廠中，豆?jié){從磨漿桶轉(zhuǎn)移到點漿機，豆腐腦從點漿機轉(zhuǎn)移到成型機，以及豆腐從成型機轉(zhuǎn)移到儲運盒等過程，常見的是先將其裝入不銹鋼食品盒，然后采用人工搬運或板車運輸?shù)姆绞皆趶S房內(nèi)進行轉(zhuǎn)移，費時、費力且效率低下。由于廠房內(nèi)部環(huán)境過于潮濕，為了安全起見，企業(yè)經(jīng)營者們并不推薦使用傳統(tǒng)的電動輸送機，而是希望能有一款氣動輸送機來改變現(xiàn)有的工作模式。如今市面上氣動輸送設(shè)備樣式繁多，常熟市百聯(lián)自動機械有限公司[2]設(shè)計了一款可應(yīng)用于服裝廠的氣動流水線，能通過氣缸伸縮來循環(huán)搬運周轉(zhuǎn)筐；段華榮等[3]設(shè)計了一種用于步進輸送的氣缸輸送機構(gòu)，滿足了長物料如拖拉機橋殼類零件的橫向步進輸送需求；劉建芳等[4]設(shè)計了一種氣動懸浮式非接觸自動輸送裝置，實現(xiàn)了重載物體的非接觸輸送。但由于這些氣動輸送設(shè)備都是針對特定的作業(yè)需求設(shè)計，所以根本無法實際應(yīng)用到豆腐廠中。

基于上述情況，對傳統(tǒng)的無動力輥子輸送機進行改進，設(shè)計了一款新型的氣動輸送機，該氣動輸送機通過氣缸伸縮，經(jīng)齒輪鏈輪將動力傳遞到鏈條上，利用固定在鏈條上的撥塊推動食品盒在輥子上移動，從而解決了潮濕廠房中運輸難題。本研究對該新型氣動輸送機的結(jié)構(gòu)原理做了介紹，對食品盒在輸送機上的速度變化做了推導(dǎo)，并借助流體仿真軟件Flow 3D對輸送機輸送豆?jié){這一過程進行了仿真，以期為后期輸送機的速度控制提供了重要依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

氣動輸送機是在傳統(tǒng)的無動力輥子輸送機的基礎(chǔ)上改進設(shè)計而來，在保留原有主要結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一套氣動驅(qū)動系統(tǒng)。輸送機主要由輥子臺架、氣缸、驅(qū)動舵輪、齒輪、鏈輪、鏈條等組成(圖1)，其中，輥子臺架起主要支撐作用，氣缸為整臺輸送機提供動力，并經(jīng)一系列齒輪、鏈輪將動力傳遞到鏈條上。使用時，將食品盒放置在輥子臺架上，使其置于2個撥塊之間，通過氣缸伸縮以利用單向推桿推動驅(qū)動舵輪單向旋轉(zhuǎn)，與驅(qū)動舵輪同軸固連的齒輪2將帶動與其嚙合的齒輪1轉(zhuǎn)動，齒輪1會帶動與其同軸連接的鏈輪轉(zhuǎn)動，鏈條運動時便可通過固定在上面的撥塊推動食品盒在輥子上移動，從而實現(xiàn)對食品盒的運輸。根據(jù)實際需要，將多臺輸送機進行首尾拼接便可實現(xiàn)遠距離運輸。

1. 氣缸 2. 單向推桿 3. 驅(qū)動舵輪 4. 齒輪1 5. 鏈輪 6. 齒輪2 7. 鏈條 8. 輥子 9. 撥塊 10. 食品盒

2 食品盒運動速度分析

研究氣缸的伸縮速度vq與食品盒在輸送機上的運動速度vh之間的關(guān)系對后期相應(yīng)的設(shè)備改進與控制具有重大意義。氣缸做直線往復(fù)運動，作用區(qū)間為點a至點b(圖2)，每一次伸縮推動驅(qū)動舵輪旋轉(zhuǎn)45°，循環(huán)往復(fù)。假設(shè)氣缸推桿作用終端從點a移動至點c，推動驅(qū)動舵輪旋轉(zhuǎn)過的角度為θ(0°≤θ≤45°)，在這一旋轉(zhuǎn)過程中(圖3)，可將速度vq(m/s)分解為垂直于桿的vq1與沿桿的vq2，則

vq1=vqcos(45-θ)，

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：

n1——驅(qū)動舵輪轉(zhuǎn)速，r/min；

l——點O與點b之間的距離，m；

t——驅(qū)動舵輪轉(zhuǎn)過角度θ所經(jīng)歷的時間，s；

ω1——驅(qū)動舵輪的角速度，rad/s。

由上可推出氣缸伸縮速度vq與驅(qū)動舵輪轉(zhuǎn)速n1滿足以下關(guān)系：

(5)

圖2 驅(qū)動舵輪旋轉(zhuǎn)示意Figure 2 Diagram of driving rudder

圖3 驅(qū)動舵輪速度分析Figure 3 Analysis of velocity about driving rudder

(6)

驅(qū)動舵輪與齒輪2同軸固連，齒輪1與鏈輪同軸固連，齒輪2與齒輪1相互嚙合，則相應(yīng)的速度關(guān)系滿足如下：

n2=n1，

(7)

(8)

n4=n3，

(9)

式中：

n2——齒輪2轉(zhuǎn)速，r/min；

i——兩齒輪之間的傳動比；

n3——齒輪1轉(zhuǎn)速，r/min；

n4——鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min。

鏈輪將動力傳遞到鏈條上，不考慮鏈傳動多邊形效應(yīng)的情況，鏈的平均速度vl為[5]：

(10)

式中：

z——鏈輪的齒數(shù)；

P——鏈條的節(jié)距，mm。

食品盒的運動速度vh與鏈條的運動速度vl同步，綜上可得食品盒運動速度vh與氣缸伸縮速度vq關(guān)系如下：

(11)

(12)

針對青島某豆制品加工廠A的實際需求，所設(shè)計的輸送機數(shù)字化樣機見圖4。其中輸送機部分相關(guān)參數(shù)見表1。結(jié)合表1與式(11)、(12)可得出食品盒運動速度vh與氣缸伸縮速度vq之間的關(guān)系為：

vh=1.4vqcos(45-θ)，

(13)

(14)

圖4 輸送機數(shù)字化樣機Figure 4 Digitalmodel machine of conveyor

表1 輸送機部分參數(shù)Table 1 Partial parameters of conveyor

3 輸送過程仿真

氣缸的伸縮速度vq影響著輸送機的輸送效率Q，為了提高Q，應(yīng)適當(dāng)增大vq，當(dāng)食品盒內(nèi)盛裝的是豆腐或豆腐腦時，vq值可以適當(dāng)增大，但當(dāng)食品盒內(nèi)盛裝豆?jié){時，為了防止豆?jié){濺出，速度不宜過快，控制好速度才能獲得相對更佳的輸送效率，故利用流體仿真軟件Flow 3D探討輸送豆?jié){時的最佳速度，以便為后期實際應(yīng)用提供參考。

3.1 流體參數(shù)設(shè)置及仿真模型建立

Flow 3D自帶的流體數(shù)據(jù)庫中并沒有豆?jié){這一流體，需新建。豆?jié){的黏度一般>4 mPa·s[6]，密度與水的密度接近[7]，故流體參數(shù)黏度一欄中設(shè)定黏度為4 mPa·s，密度設(shè)為1 g/mL便可滿足仿真需求。擬推廣應(yīng)用的加工廠A目前所使用的食品盒為0.8 mm厚不銹鋼板加工成的長520 mm、寬360 mm、高160 mm的長方盒體，利用UG建立好模型后導(dǎo)出stl格式文件，然后將stl文件導(dǎo)入到Flow 3D中。

當(dāng)采用Flow 3D進行數(shù)值模擬時，網(wǎng)格尺度會直接影響模擬結(jié)果[8]，網(wǎng)格尺度越小，對水流的解析度越高[9]，考慮到計算時間和數(shù)據(jù)處理量，決定選用最小結(jié)構(gòu)尺寸0.1倍的網(wǎng)格尺度模擬結(jié)構(gòu)。在食品盒三維模型內(nèi)部添加初始流體區(qū)域，完全按照實際加工情況，令流體上表面低于食品盒上邊緣3 cm，同時在食品盒正下方設(shè)置一虛擬平板Baffles。Baffles在Flow 3D中是沒有厚度的孔隙孔板，用于測量通過某斷面的水流流量且完全不影響水流流動[10]。本研究利用Baffles設(shè)置追蹤器監(jiān)測食品盒運動過程中是否有豆?jié){濺出，建立的仿真模型見圖5。

圖5 仿真模型Figure 5 The entity model

3.2 速度參數(shù)設(shè)置

一般情況下，氣缸的使用速度需>40 mm/s[11]且<3 m/s，若速度<40 mm/s，由于氣缸的密封、潤滑、供氣壓力、溫度等因素產(chǎn)生的不穩(wěn)定摩擦力影響[12]，氣缸活塞可能不會穩(wěn)定地移動，時走時停，出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象，若速度>3 m/s，氣缸緩沖效果不明顯，壽命會嚴重縮短[13-14]。

為更準確地把握輸送豆?jié){時氣缸相對更佳的伸縮速度，令vq取值隨仿真次數(shù)變化如下：

vq=0.04i，

(15)

式中：

i——仿真次數(shù)。

即令氣缸的速度變化梯度為0.04 m/s，模擬在不同vq取值下，食品盒以相應(yīng)速度在輸送機上的運動情況，仿真過程中暫不考慮實際情況下可能由電磁閥或氣缸緩沖裝置等造成的氣缸伸縮換向時的延時以及抖動。其中第1次仿真，當(dāng)vq=0.04 m/s時，食品盒的移動速度變化如圖6所示。

圖6 食品盒運動速度Figure 6 Speed of food box movement

3.3 仿真結(jié)果及分析

Flow 3D采用VOF(volume of fluid)方法進行自由表面追蹤，此方法的核心是通過求解流體體積函數(shù)的運輸方程來重構(gòu)運動的自由液面，并將自由液面以分段常數(shù)來近似表示[15]。前8次仿真，追蹤器監(jiān)測到流經(jīng)虛擬平板的流量皆為0，表明當(dāng)氣缸速度vq低于0.32 m/s時，食品盒內(nèi)盛裝的豆?jié){不會濺出。第9次仿真過程中部分時刻液面活動情況見圖7，由于食品盒運動速度較快，導(dǎo)致液面活動劇烈。

追蹤器監(jiān)測到流經(jīng)虛擬平板的流量統(tǒng)計結(jié)果見圖8，曲線表明從2.3 s左右開始有流體流經(jīng)虛擬平板，即氣缸的伸縮速度vq達到0.36 m/s，食品盒以相應(yīng)的速度在輸送機上運行時，食品盒內(nèi)部的豆?jié){會濺出。以加工廠A目前的實際情況來看，當(dāng)食品盒的平均速度≥0.2 m/s時便可滿足生產(chǎn)節(jié)拍，部分工序速度需求可能更低，故所設(shè)計的氣動輸送機可以滿足加工廠的實際需求。

圖7 不同時刻自由液面的活動情況Figure 7 Activity of free surface at different times

圖8 流經(jīng)追蹤面的流體體積變化曲線Figure 8 Volume change curve of the fluid flowing throughthe tracking surface

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)加工廠的實際作業(yè)需求，在傳統(tǒng)無動力輥子輸送機的基礎(chǔ)上進行改進，設(shè)計了一款氣動輸送機，由氣缸伸縮提供動力，利用固定在鏈條上的撥塊推動食品盒在輥子臺架上移動。并且經(jīng)推導(dǎo)，得出了在氣缸伸縮速度一定的前提下，食品盒移動速度與驅(qū)動舵輪轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系，函數(shù)表明，食品盒移動速度將隨驅(qū)動舵輪轉(zhuǎn)角增大而增大。整臺輸送機結(jié)構(gòu)簡單，易于制造生產(chǎn)，實現(xiàn)了在潮濕環(huán)境下安全輸送，具有一定的應(yīng)用價值。

(2) 結(jié)合實際條件，通過Flow 3D對輸送機輸送豆?jié){這一過程進行了仿真驗證和分析。結(jié)果表明，該輸送機可以保證食品盒在氣缸伸縮速度低于0.32 m/s時穩(wěn)定地被輸送，滿足加工廠的實際需求。

此次仿真試驗僅在食品盒內(nèi)豆?jié){體積一定的前提下對輸送機輸送豆?jié){時的穩(wěn)定性做了探討，為適應(yīng)不同環(huán)境下的需要，后期可針對食品盒不同裝載量時的輸送情況作進一步探究。