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(guó)的一些中大型豆腐加工廠中，豆?jié){從磨漿桶轉(zhuǎn)移到點(diǎn)漿機(jī)，豆腐腦從點(diǎn)漿機(jī)轉(zhuǎn)移到成型機(jī)，以及豆腐從成型機(jī)轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)運(yùn)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(yùn)或板車運(yùn)輸?shù)姆绞皆趶S房?jī)?nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且效率低下。由于廠房?jī)?nèi)部環(huán)境過于潮濕，為了安全起見，企業(yè)經(jīng)營(yíng)者們并不推薦使用傳統(tǒng)的電動(dòng)輸送機(jī)，而是希望能有一款氣動(dòng)輸送機(jī)來改變現(xiàn)有的工作模式。如今市面上氣動(dòng)輸送設(shè)備樣式繁多，常熟市百聯(lián)自動(dòng)機(jī)械有限公司[2]設(shè)計(jì)了一款可應(yīng)用于服裝廠的氣動(dòng)流水線，能通過氣缸伸縮來循環(huán)搬運(yùn)周轉(zhuǎn)筐；段華榮等[3]設(shè)計(jì)了一種用于步進(jìn)輸送的氣缸輸送機(jī)構(gòu)，滿足了長(zhǎng)物料如拖拉機(jī)橋殼類零件的橫向步進(jìn)輸送需求；劉建芳等[4]設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)懸浮式非接觸自動(dòng)輸送裝置，實(shí)現(xiàn)了重載物體的非接觸輸送。但由于這些氣動(dòng)輸送設(shè)備都是針對(duì)特定的作業(yè)需求設(shè)計(jì)，所以根本無(wú)法實(shí)際應(yīng)用到豆腐廠中。

基于上述情況，對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)動(dòng)力輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一款新型的氣動(dòng)輸送機(jī)，該氣動(dòng)輸送機(jī)通過氣缸伸縮，經(jīng)齒輪鏈輪將動(dòng)力傳遞到鏈條上，利用固定在鏈條上的撥塊推動(dòng)食品盒在輥?zhàn)由弦苿?dòng)，從而解決了潮濕廠房中運(yùn)輸難題。本研究對(duì)該新型氣動(dòng)輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)原理做了介紹，對(duì)食品盒在輸送機(jī)上的速度變化做了推導(dǎo)，并借助流體仿真軟件Flow 3D對(duì)輸送機(jī)輸送豆?jié){這一過程進(jìn)行了仿真，以期為后期輸送機(jī)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(dòng)輸送機(jī)是在傳統(tǒng)的無(wú)動(dòng)力輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)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(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。輸送機(jī)主要由輥?zhàn)优_(tái)架、氣缸、驅(qū)動(dòng)舵輪、齒輪、鏈輪、鏈條等組成(圖1)，其中，輥?zhàn)优_(tái)架起主要支撐作用，氣缸為整臺(tái)輸送機(jī)提供動(dòng)力，并經(jīng)一系列齒輪、鏈輪將動(dòng)力傳遞到鏈條上。使用時(shí)，將食品盒放置在輥?zhàn)优_(tái)架上，使其置于2個(gè)撥塊之間，通過氣缸伸縮以利用單向推桿推動(dòng)驅(qū)動(dòng)舵輪單向旋轉(zhuǎn)，與驅(qū)動(dòng)舵輪同軸固連的齒輪2將帶動(dòng)與其嚙合的齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪1會(huì)帶動(dòng)與其同軸連接的鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈條運(yùn)動(dòng)時(shí)便可通過固定在上面的撥塊推動(dòng)食品盒在輥?zhàn)由弦苿?dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)食品盒的運(yùn)輸。根據(jù)實(shí)際需要，將多臺(tái)輸送機(jī)進(jìn)行首尾拼接便可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。

1. 氣缸 2. 單向推桿 3. 驅(qū)動(dòng)舵輪 4. 齒輪1 5. 鏈輪 6. 齒輪2 7. 鏈條 8. 輥?zhàn)?9. 撥塊 10. 食品盒

2 食品盒運(yùn)動(dòng)速度分析

研究氣缸的伸縮速度vq與食品盒在輸送機(jī)上的運(yùn)動(dòng)速度vh之間的關(guān)系對(duì)后期相應(yīng)的設(shè)備改進(jìn)與控制具有重大意義。氣缸做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，作用區(qū)間為點(diǎn)a至點(diǎn)b(圖2)，每一次伸縮推動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)a移動(dòng)至點(diǎn)c，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)舵輪轉(zhuǎn)速，r/min；

l——點(diǎn)O與點(diǎn)b之間的距離，m；

t——驅(qū)動(dòng)舵輪轉(zhuǎn)過角度θ所經(jīng)歷的時(shí)間，s；

ω1——驅(qū)動(dòng)舵輪的角速度，rad/s。

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

(5)

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

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

(6)

驅(qū)動(dòng)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(dòng)比；

n3——齒輪1轉(zhuǎn)速，r/min；

n4——鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min。

鏈輪將動(dòng)力傳遞到鏈條上，不考慮鏈傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度vh與鏈條的運(yùn)動(dòng)速度vl同步，綜上可得食品盒運(yùn)動(dòng)速度vh與氣缸伸縮速度vq關(guān)系如下：

(11)

(12)

針對(duì)青島某豆制品加工廠A的實(shí)際需求，所設(shè)計(jì)的輸送機(jī)數(shù)字化樣機(jī)見圖4。其中輸送機(jī)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(yùn)動(dòng)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(jī)數(shù)字化樣機(jī)Figure 4 Digitalmodel machine of conveyor

表1 輸送機(jī)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(jī)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(shí)，vq值可以適當(dāng)增大，但當(dāng)食品盒內(nèi)盛裝豆?jié){時(shí)，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(duì)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(shí)的最佳速度，以便為后期實(shí)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(kù)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(zhǎng)520 mm、寬360 mm、高160 mm的長(zhǎng)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(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，網(wǎng)格尺度會(huì)直接影響模擬結(jié)果[8]，網(wǎng)格尺度越小，對(duì)水流的解析度越高[9]，考慮到計(jì)算時(shí)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(shí)際加工情況，令流體上表面低于食品盒上邊緣3 cm，同時(shí)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(cè)量通過某斷面的水流流量且完全不影響水流流動(dòng)[10]。本研究利用Baffles設(shè)置追蹤器監(jiān)測(cè)食品盒運(yùn)動(dòng)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(rùn)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(huì)穩(wěn)定地移動(dòng)，時(shí)走時(shí)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(huì)嚴(yán)重縮短[13-14]。

為更準(zhǔn)確地把握輸送豆?jié){時(shí)氣缸相對(duì)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(jī)上的運(yùn)動(dòng)情況，仿真過程中暫不考慮實(shí)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(shí)的延時(shí)以及抖動(dòng)。其中第1次仿真，當(dāng)vq=0.04 m/s時(shí)，食品盒的移動(dòng)速度變化如圖6所示。

圖6 食品盒運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(yùn)輸方程來重構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(cè)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(shí)，食品盒內(nèi)盛裝的豆?jié){不會(huì)濺出。第9次仿真過程中部分時(shí)刻液面活動(dòng)情況見圖7，由于食品盒運(yùn)動(dòng)速度較快，導(dǎo)致液面活動(dòng)劇烈。

追蹤器監(jiān)測(cè)到流經(jīng)虛擬平板的流量統(tǒng)計(jì)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(dá)到0.36 m/s，食品盒以相應(yīng)的速度在輸送機(jī)上運(yùn)行時(shí)，食品盒內(nèi)部的豆?jié){會(huì)濺出。以加工廠A目前的實(shí)際情況來看，當(dāng)食品盒的平均速度≥0.2 m/s時(shí)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(jì)的氣動(dòng)輸送機(jī)可以滿足加工廠的實(shí)際需求。

圖7 不同時(shí)刻自由液面的活動(dòng)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(shí)際作業(yè)需求，在傳統(tǒng)無(wú)動(dòng)力輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一款氣動(dòng)輸送機(jī)，由氣缸伸縮提供動(dòng)力，利用固定在鏈條上的撥塊推動(dòng)食品盒在輥?zhàn)优_(tái)架上移動(dòng)。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(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)舵輪轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系，函數(shù)表明，食品盒移動(dòng)速度將隨驅(qū)動(dòng)舵輪轉(zhuǎn)角增大而增大。整臺(tái)輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了在潮濕環(huán)境下安全輸送，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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

此次仿真試驗(yàn)僅在食品盒內(nèi)豆?jié){體積一定的前提下對(duì)輸送機(jī)輸送豆?jié){時(shí)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(duì)食品盒不同裝載量時(shí)的輸送情況作進(jìn)一步探究。