路陽陽，弭俊波

(天津工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院；天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室；天津市機械基礎(chǔ)及紡織裝備設(shè)計虛擬仿真實驗教學(xué)中心：天津 300387)

目前，隨著寶瑪泰克劍桿織機和史陶比爾提花機的不斷引進，毛巾生產(chǎn)的織造效率得到了大幅度提高[1]，然而，后續(xù)折疊、包裝環(huán)節(jié)的自動化程度較為落后，仍須用大量的人工。因此，急需開發(fā)一種自動化毛巾折疊設(shè)備。針對其關(guān)鍵環(huán)節(jié)毛巾分摞的裝置，國內(nèi)的何曉東、李賀分別研發(fā)了一種利用刺輥、粘性膠筒來完成成摞毛巾的分離任務(wù)[2-3]；但是，由于毛巾特殊的毛圈結(jié)構(gòu)，刺輥易破壞毛巾表面，粘性膠筒也需要定期更換，使生產(chǎn)連續(xù)性均無法得到保障。國外的Kazuyuki提出一種利用兩個指尖安裝壓力傳感器的手指來拾取毛巾[4]，而Marco則提出一種基于視覺輔助技術(shù)配合機械臂的方式來進行毛巾的拾取與折疊[5-6]；但這兩種方法操作周期較長，無法滿足毛巾行業(yè)大批量生產(chǎn)的需求。

針對上述問題，筆者設(shè)計了一種自動上料毛巾折疊設(shè)備，其原理是利用負(fù)壓方式完成毛巾的上料工作，能改善現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高毛巾行業(yè)的生產(chǎn)效率。該設(shè)備分為儲料機構(gòu)、負(fù)壓上料機構(gòu)、卸料機構(gòu)、折疊機構(gòu)和摞放機構(gòu)，其中的負(fù)壓上料機構(gòu)是核心環(huán)節(jié)，對該機構(gòu)的關(guān)鍵部件負(fù)壓吸盤進行CFD仿真，在滿足吸附要求的條件下，不斷優(yōu)化其機構(gòu)以盡可能降低上料環(huán)節(jié)的能源消耗。

1 工作原理

自動上料毛巾折疊機上料機構(gòu)的工作原理如圖1所示。真空泵通過氣閥與真空罐連接，真空表設(shè)置于真空罐上用于檢測工作表壓力；真空罐提供穩(wěn)定的負(fù)壓環(huán)境與負(fù)壓吸盤連接，通過電磁閥控制兩者通道的開啟和閉合；負(fù)壓吸盤安裝于機械臂執(zhí)行末端，用于毛巾的吸附與轉(zhuǎn)移。

1—真空泵；2—開關(guān)；3—真空罐；4—真空表；5—電磁閥；6—負(fù)壓吸盤；7—毛巾；8—機械臂。圖1 上料機構(gòu)工作原理

2 控制方程

為簡化氣流建模，假設(shè)空氣為粘彈性理想氣體。本研究的控制方程采用三維非定常可壓縮Navier-Stokes方程[7]，其質(zhì)量、動量和能量守恒的方程如下[8-10]。

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

其中：ρ為密度，U為速度矢量，p為靜壓，μeff為有效粘度，p′為修正壓強，T為靜溫，B是集合體壓強之和，htot為總焓，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，τ為傳感器壓強，SM為動量源，SE為能量源。

湍流模型選用經(jīng)典的k-ε模型，當(dāng)空氣高速通過負(fù)壓吸盤時幾乎無時間傳遞熱量，因此，該流體假定為絕熱氣流，邊界條件設(shè)置為絕熱和無滑移。

3 穩(wěn)定吸附的條件分析

負(fù)壓吸盤穩(wěn)定吸附須滿足兩個主要條件：① 上層毛巾吸附穩(wěn)定；② 下層毛巾保持平整。負(fù)壓吸盤吸附方式及靜力學(xué)分析如圖2所示。

1—負(fù)壓吸盤；2—毛巾。圖2 系統(tǒng)靜力學(xué)分析

圖2中，毛巾受到負(fù)壓的總吸附力為nF，其中n表示進氣孔數(shù)量，F(xiàn)表示單孔吸力，毛巾質(zhì)量為G，則負(fù)壓吸盤需滿足的穩(wěn)定吸附條件為：

G≤nF≤2G

(4)

設(shè)進氣孔直徑為D，出氣孔負(fù)壓值為P1，進氣孔負(fù)壓值為P2，又已知：

(5)

G≤n·π·(D/2)2·f(P1)≤2G

(6)

從式(6)中可知，保證毛巾能被穩(wěn)定吸附的影響因素很多，但主要是進氣孔數(shù)量、進氣孔直徑、出氣孔負(fù)壓值等，可通過協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)參數(shù)與負(fù)壓值的關(guān)系，以消耗較少的能源、獲得良好的吸附性能。

4 FLUENT仿真與分析

負(fù)壓吸盤外形尺寸為360 mm×200 mm，初始狀態(tài)下的高度h設(shè)定為10 mm，負(fù)壓值P1為-20 kPa，絕對溫度T為293 K；出氣孔直徑為40 mm，負(fù)壓值P2為0.101 3 MPa，絕對溫度為293 K。

4.1負(fù)壓吸盤FLUENT仿真

為保證負(fù)壓效果最優(yōu)，設(shè)計出4種不同結(jié)構(gòu)并在FLUENT中進行仿真分析，得到的速度流線圖如圖3所示。通過分析結(jié)果得到進氣孔負(fù)壓值，并計算進氣孔負(fù)壓值，見表1所示。

圖3 4種結(jié)構(gòu)仿真負(fù)壓吸盤速度流線圖

表1 不同結(jié)構(gòu)進氣孔負(fù)壓值

項目參數(shù)孔數(shù)n/個46孔徑D/mm20(結(jié)構(gòu)1)20(結(jié)構(gòu)2)10(結(jié)構(gòu)3)10(結(jié)構(gòu)4)單孔吸力F/N0.910.530.990.78單孔分布質(zhì)量g/N0.250.170.170.11(F-g)/N0.660.360.820.67

由表1數(shù)據(jù)分析得出：結(jié)構(gòu)3的吸附效果較優(yōu)，優(yōu)化起始模型采用方案3。此外，優(yōu)化所用負(fù)壓吸盤結(jié)構(gòu)參數(shù)中的孔徑D、孔數(shù)n和吸盤高度h，取值如表2所示。

表2 負(fù)壓吸盤結(jié)構(gòu)參數(shù)

項目參數(shù)孔徑D/mm4,5,6,7,8孔數(shù)n/個6,8,10,12,14,16,18高度h/mm10,15,20,25,30負(fù)壓P/kPa-8,-9,-10,-15,-20

4.2負(fù)壓吸盤孔數(shù)對負(fù)壓性能影響

保持初始狀態(tài)的其他參數(shù)不變，通過調(diào)節(jié)負(fù)壓吸盤進氣孔數(shù)以改變進氣孔負(fù)壓值，驗證其對負(fù)壓吸盤吸附性能的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 進氣孔數(shù)對負(fù)壓吸盤吸附性能的影響

由圖4可知，隨著進氣孔數(shù)量n的增多，單孔分布質(zhì)量g逐漸減小，單孔的吸力F緩慢降低；這是由于出氣孔負(fù)壓值較大，吸盤存在“閉塞”現(xiàn)象。毛巾負(fù)壓吸附過程中，既要保證上層毛巾的吸附穩(wěn)定性，還要保證下層毛巾的平整性，其單孔吸力F應(yīng)滿足G

2.4.3 共有峰的指認(rèn)及相關(guān)分析 10批藥材樣品有11個共有峰，通過與對照品HPLC圖譜（詳見圖3）比對，指認(rèn)保留時間為25.588 min的6號峰為橙皮苷峰。其分離度良好，保留時間合適，故以其為參照峰，計算其他峰相對于該峰的相對保留時間和相對峰面積，詳見表4、表5。

4.3負(fù)壓吸盤孔徑對負(fù)壓性能影響

在得到滿足條件的孔數(shù)n為8的基礎(chǔ)上，改變進氣孔直徑D，驗證其對負(fù)壓吸盤吸附性能的影響，其結(jié)果見圖5所示。

圖5 進氣孔直徑對負(fù)壓吸盤吸附性能的影響

由圖5可見，單孔吸力F隨著直徑D的增加而增大，但仍需要滿足G

4.4負(fù)壓吸盤高度對負(fù)壓性能影響

在得到符合條件的出氣孔負(fù)壓值P1為-10 kPa、進氣孔數(shù)n為8和進氣孔直徑D為6 mm的基礎(chǔ)上，改變負(fù)壓吸盤高度h，驗證其對負(fù)壓吸盤吸附性能的影響，結(jié)果如圖6所示。

由圖6a)可知，隨著吸盤高度h的增大，進氣孔負(fù)壓值開始為增大而后趨于平緩，在h為25 mm處，負(fù)壓達到穩(wěn)定值，因此，負(fù)壓吸盤高度h可選用25 mm。由圖6b)可知，F(xiàn)1，F(xiàn)2分別表示出氣孔負(fù)壓值為-10 kPa，-9 kPa時對應(yīng)的單進氣孔吸力，為滿足G

a) 吸盤高度h對進氣孔負(fù)壓值的影響

b) 出氣孔負(fù)壓值對進氣孔吸力的影響

4.5負(fù)壓吸盤孔形對吸附性能的影響

為了盡可能降低能源消耗、提高吸附性能，在上述優(yōu)化數(shù)據(jù)條件下將負(fù)壓孔形設(shè)置為等面積的圓形、三角形、正方形進行仿真對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)正方形孔的吸附力要優(yōu)于圓形孔和三角形孔，仿真曲線如圖7所示。

圖7 不同孔形對負(fù)壓性能的影響

5 試驗驗證

本試驗所用的負(fù)壓泵采用藤原550D型微電腦控制，表壓顯示范圍為(-0.1～0)MPa，所用到的表壓范圍為(-0.099～0.081)MPa，對應(yīng)的真空度為-2 kPa～-20 kPa，根據(jù)結(jié)果與討論所得出的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作出負(fù)壓吸盤實物，按照圖3進行連接并試驗負(fù)壓吸盤的吸附性能，試驗過程如圖8所示。

以300 mm×720 mm的毛巾為例，通過設(shè)置不同進氣孔負(fù)壓值對毛巾進行吸附試驗，每組10次，試驗結(jié)果見表3。

a) 負(fù)壓吸盤下降并與毛巾接觸

b) 負(fù)壓吸盤吸附毛巾上升

c) 吸附過程完成

表3 不同負(fù)壓值吸附毛巾情況

出氣孔負(fù)壓/kPa壓力吸取成功率/%毛巾平整度/%-8G2G8010010080-9G2G9010010080-10G2G1001001000-15G2G100100800

理論結(jié)果表明，進氣孔負(fù)壓值達到-9 kPa，負(fù)壓吸盤吸力可將單獨一條毛巾吸附上來；當(dāng)負(fù)壓值達到-10 kPa時，負(fù)壓吸盤吸力足夠?qū)蓷l毛巾吸附上來。但是，根據(jù)試驗結(jié)果可知，進氣孔負(fù)壓值為 -10 kPa吸取毛巾中間位置時，可順利將單獨一條毛巾吸附起來，且不影響下一層毛巾的平整性。理論結(jié)果與試驗結(jié)果間存在誤差是因為毛巾具有特殊的毛圈結(jié)構(gòu)，各層毛巾之間存在一定的結(jié)合力，且隨著負(fù)壓吸盤與毛巾之間的按壓力增大而增大。因此，試驗結(jié)果與理論結(jié)果存在一定合理的差值。

6 結(jié)論

6.1自動上料毛巾折疊機的負(fù)壓吸盤裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)條件下設(shè)備穩(wěn)定性差、效率低的問題。

6.2針對負(fù)壓吸盤的吸附特性進行FLUENT仿真分析，得出進氣孔n為8、進氣孔直徑D為6 mm、吸盤高度h為25 mm和正方形孔形時，滿足吸附力要求且吸附性能較好。

6.3通過負(fù)壓吸盤結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，出氣孔負(fù)壓值由最初設(shè)定的-20 kPa降低為-10 kPa，使能源消耗降低50%。