劉志海，崔鑫龍，柏海龍，劉涵彬

山東科技大學(xué)交通學(xué)院（青島 266590）

在中國(guó)，豆腐是一種傳統(tǒng)的大豆制品，其制作步驟有選豆、浸泡、磨漿、濾漿、煮漿、點(diǎn)腦、蹲腦、破腦、上腦、成型、成品[1]。當(dāng)前，豆腐加工進(jìn)入到規(guī)?；褪袌?chǎng)化階段，引入大型機(jī)械和自動(dòng)化設(shè)備已成為業(yè)界常態(tài)，選豆、浸泡方面有瀝水篩選清洗機(jī)，磨漿方面有磨漿機(jī)，濾漿方面有漿渣分離機(jī)，煮漿方面有煮漿機(jī)，點(diǎn)腦、上腦方面有自動(dòng)上腦點(diǎn)鹵機(jī)，成型方面有豆腐壓機(jī)。但在豆腐加工廠房?jī)?nèi)，豆?jié){從磨漿機(jī)轉(zhuǎn)移至分離機(jī)，豆腐腦從點(diǎn)鹵機(jī)轉(zhuǎn)移至壓機(jī)，以及后期豆腐從成型箱轉(zhuǎn)移至儲(chǔ)運(yùn)盒，像這樣的輸送工作卻普遍還是先將豆?jié){、豆腐腦或豆腐裝入不銹鋼制食品盒，由人工搬運(yùn)或板車運(yùn)輸，耗費(fèi)時(shí)間與體力，而且效率低下。由于廠房?jī)?nèi)部作業(yè)環(huán)境過(guò)于潮濕，企業(yè)經(jīng)營(yíng)者們出于安全考慮，希望能有一款氣動(dòng)輸送設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)廠房?jī)?nèi)的運(yùn)輸作業(yè)。現(xiàn)如今，市面上的氣動(dòng)輸送搬運(yùn)設(shè)備樣式繁多，吳吉瑩[2]基于推拉行走原理利用2組三足機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1種全氣動(dòng)邁步式運(yùn)輸裝置，用于礦井下短距離安全運(yùn)輸；馮明倫等[3]通過(guò)將氣動(dòng)馬達(dá)與膠帶輸送機(jī)相結(jié)合，設(shè)計(jì)1款氣動(dòng)膠帶輸送機(jī)，解決易燃、易爆、高溫環(huán)境下的輸送難題；劉建芳等[4]根據(jù)靜壓型氣浮支撐的工作原理設(shè)計(jì)1種氣動(dòng)懸浮式非接觸自動(dòng)輸送裝置，實(shí)現(xiàn)重載物體的非接觸輸送；段華榮等[5]設(shè)計(jì)一種用于步進(jìn)輸送的氣缸輸送機(jī)構(gòu)，滿足長(zhǎng)物料如拖拉機(jī)橋殼類零件的橫向步進(jìn)輸送需求。由于這些氣動(dòng)設(shè)備是針對(duì)特殊作業(yè)環(huán)境下的特殊設(shè)計(jì)，所以無(wú)法直接應(yīng)用在豆腐加工廠中。

基于上述實(shí)際情況，前期在傳統(tǒng)無(wú)動(dòng)力輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，增加1套氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)1款氣動(dòng)輸送機(jī)。該輸送機(jī)通過(guò)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)，實(shí)現(xiàn)潮濕環(huán)境下的安全運(yùn)輸。為使輸送平穩(wěn)性與輸送效率進(jìn)一步得到提升，在前期研究的基礎(chǔ)上改進(jìn)驅(qū)動(dòng)方案。對(duì)改進(jìn)后的氣動(dòng)輸送機(jī)結(jié)構(gòu)原理與傳動(dòng)方案進(jìn)行介紹，對(duì)食品盒的速度變化進(jìn)行分析，并借助流體仿真軟件Flow 3D對(duì)輸送機(jī)輸送豆?jié){這一過(guò)程進(jìn)行仿真，為后期輸送機(jī)的速度控制提供數(shù)據(jù)參考。

1 輸送機(jī)整體方案確定

輸送機(jī)輸送原理見(jiàn)圖1，鉸接頭連接氣缸活塞與驅(qū)動(dòng)桿，并把氣缸活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)桿的周向往復(fù)擺動(dòng)，驅(qū)動(dòng)桿通過(guò)單向軸承在單一轉(zhuǎn)向上向齒輪2傳遞扭矩，齒輪2經(jīng)齒輪1、鏈輪將動(dòng)力傳遞至鏈條，由安裝在鏈條上的撥塊推動(dòng)食品盒在輥?zhàn)优_(tái)架上移動(dòng)。同時(shí)，為保證輸送機(jī)的運(yùn)輸效率，在驅(qū)動(dòng)方案上采用1個(gè)氣缸加2套單向軸承（見(jiàn)圖2）。

圖1 輸送機(jī)輸送原理

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)方案

2 食品盒運(yùn)動(dòng)速度分析

為便于后期對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行設(shè)備控制與改進(jìn)，對(duì)氣缸伸縮速度vq與食品盒在輸送機(jī)上的移動(dòng)速度vh之間的關(guān)系進(jìn)行分析。氣缸活塞桿做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，作用區(qū)間為點(diǎn)a至點(diǎn)b（見(jiàn)圖3）。氣缸伸長(zhǎng)1次，驅(qū)動(dòng)桿正擺90°，收縮1次，驅(qū)動(dòng)桿反擺90°，循環(huán)往復(fù)。假設(shè)氣缸活塞桿作用端從點(diǎn)a勻速移動(dòng)至點(diǎn)b，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿轉(zhuǎn)過(guò)角度θ（0°≤θ≤90°），在這一過(guò)程中（見(jiàn)圖4），通過(guò)將活塞桿端速度vq分解為垂直于桿的vq1與沿桿的v[6]，可得氣缸伸縮速度vq與驅(qū)動(dòng)桿轉(zhuǎn)速n1滿足關(guān)系。

式中：n1為驅(qū)動(dòng)桿轉(zhuǎn)速，r/min；l為點(diǎn)o與直線ab之間的垂直距離，m；t為驅(qū)動(dòng)桿轉(zhuǎn)過(guò)角度θ所經(jīng)歷的時(shí)間，s。

圖3 驅(qū)動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)示意

圖4 驅(qū)動(dòng)桿速度分析圖

為保證食品盒被輸送時(shí)的平穩(wěn)性，避免輸送機(jī)鏈條在工作時(shí)速度出現(xiàn)過(guò)多波動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)，特意保證：

式中：i21為齒輪2至齒輪1的傳動(dòng)比；i53為齒輪5至齒輪3的傳動(dòng)比。

如此，無(wú)論氣缸伸縮速度vq如何變化，皆能保證：

式中：n11為齒輪1轉(zhuǎn)速，r/min；n33為齒輪3轉(zhuǎn)速，r/min。

動(dòng)力經(jīng)齒輪、鏈輪傳遞到鏈條上，不計(jì)鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)，鏈的平均速度vl（m/s）為[7]：

式中：z為鏈輪的齒數(shù)；n2為鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min；p為鏈條的節(jié)距，mm。

無(wú)論氣缸伸長(zhǎng)還是收縮，食品盒在輥?zhàn)优_(tái)架上的移動(dòng)速度vh與鏈條的運(yùn)動(dòng)速度vl同步，可得食品盒移動(dòng)速度vh與氣缸伸縮速度vq之間的關(guān)系。

改進(jìn)后的氣動(dòng)輸送機(jī)數(shù)字化樣機(jī)如圖5所示。

圖5 輸送機(jī)數(shù)字化樣機(jī)

3 輸送過(guò)程仿真

氣缸的伸縮速度vq與輸送機(jī)的輸送效率Q息息相關(guān)，為提高Q，應(yīng)適當(dāng)增大vq，但輸送機(jī)用于運(yùn)輸豆?jié){時(shí)，為防止豆?jié){從食品盒中濺出，速度不宜過(guò)快。適當(dāng)控制好速度才能獲得相對(duì)更佳的輸送效率，決定利用流體仿真軟件Flow 3D分析食品盒中豆?jié){液面不同高度下的最佳輸送速度，以便為后期的設(shè)備控制提供數(shù)據(jù)參考。

青島某企業(yè)A所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)輸送機(jī)部分零件參數(shù)見(jiàn)表1[6]，此次仿真沿用此參數(shù)。綜合表1與式（6）（7）可得食品盒移動(dòng)速度vh與氣缸伸縮速度vq之間的關(guān)系。

表1 輸送機(jī)部分參數(shù)

3.1 仿真模型搭建

在Flow 3D的流體數(shù)據(jù)庫(kù)中添加新流體代表豆?jié){，豆?jié){的黏度普遍＞4 mPa·s[8]，密度與水接近[9]，故設(shè)黏度4 mPa·s，密度1 g/mL即可。前期推廣應(yīng)用的企業(yè)A目前使用的是由0.8 mm厚不銹鋼板制成的520 mm×360 mm×160 mm長(zhǎng)方盒體，利用Solidworks建立好模型，生成stl格式文件，將stl文件導(dǎo)入Flow 3D中。

利用Flow 3D進(jìn)行仿真分析時(shí)，網(wǎng)格尺度將直接影響模擬結(jié)果[10]，網(wǎng)格尺度越小，對(duì)水流的解析度越高[11]，出于對(duì)計(jì)算時(shí)間和數(shù)據(jù)處理量的考量，決定采用最小尺寸0.1倍的網(wǎng)格尺度模擬結(jié)構(gòu)。在三維模型內(nèi)部添加初始流體區(qū)域，模擬盛裝有豆?jié){的食品盒。為檢測(cè)輸送機(jī)在工作時(shí)是否會(huì)有豆?jié){從盒內(nèi)濺出，在三維模型正下方添加Baffles，Baffles作為沒(méi)有厚度的虛擬平板，可用于測(cè)量通過(guò)某斷面的水流流量且完全不影響水流流動(dòng)[12]，搭建好的仿真模型見(jiàn)圖6。

圖6 仿真模型

3.2 速度、液高參數(shù)設(shè)定

一般情況下，氣缸的使用速度需大于40 mm/s[13]且小于3 m/s，速度小于40 mm/s時(shí)，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[14]，氣缸活塞可能不會(huì)穩(wěn)定移動(dòng)，時(shí)走時(shí)停，出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象，若速度大于3 m/s，氣缸緩沖效果不明顯，壽命會(huì)嚴(yán)重縮短[15-16]。

為準(zhǔn)確把握在豆?jié){液面不同高度L下的氣缸最佳伸縮速度vq，以獲得一相對(duì)更佳的輸送效率Q，需在L值一定、vq取不同值的情況下進(jìn)行多次仿真。設(shè)L的變化梯度為10 mm，vq的變化梯度為0.04 m/s。

式中：j為仿真第j階段；i為仿真次數(shù)。

仿真過(guò)程中暫不考慮實(shí)際情況下可能由電磁閥或氣缸內(nèi)置緩沖裝置等造成的氣缸速度波動(dòng)以及換向延時(shí)[6]。以第1階段第1次仿真為例，vq取值0.04 m/s時(shí)，食品盒速度變化如圖7所示。

圖7 食品盒運(yùn)動(dòng)速度

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，方法的核心是通過(guò)求解流體體積函數(shù)的運(yùn)輸方程來(lái)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(lái)近似表示[17]。

以L=130 mm時(shí)仿真為例，根據(jù)追蹤器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，前8次仿真，流經(jīng)虛擬平板的流量為0，表明氣缸伸縮速度vq低于0.32 m/s時(shí)，食品盒內(nèi)的豆?jié){不會(huì)濺出，輸送機(jī)可以正常運(yùn)行。第9次仿真過(guò)程中豆?jié){液面變化見(jiàn)圖8，食品盒運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快，液面活動(dòng)劇烈。追蹤器監(jiān)測(cè)到的流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖9，表明氣缸以0.36 m/s的速度伸縮時(shí)，食品盒內(nèi)的豆?jié){很容易被濺出。與上一代氣動(dòng)輸送機(jī)相比，液面高度同為130 mm，但輸送效率提高1倍。

圖8 不同時(shí)刻自由液面的活動(dòng)情況

經(jīng)過(guò)對(duì)豆?jié){液面不同高度下輸送過(guò)程仿真，得到的結(jié)果匯總于表2。

圖9 流經(jīng)追蹤面的流體體積變化曲線

表2 不同液高時(shí)氣缸最大伸縮速度

4 結(jié)論

1) 對(duì)前期設(shè)計(jì)的氣動(dòng)輸送機(jī)做了驅(qū)動(dòng)方案方面的改進(jìn)，氣缸的動(dòng)力經(jīng)由一對(duì)同軸并反向安裝的單向軸承傳遞至鏈輪，提高輸送效率。

2) 經(jīng)推導(dǎo)，根據(jù)輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理與相關(guān)參數(shù)得出氣缸伸縮速度與食品盒運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系。

3) 根據(jù)實(shí)際情況，利用Flow 3D對(duì)輸送機(jī)輸送豆?jié){這一過(guò)程做了仿真分析，得出不同液面高度下對(duì)應(yīng)的最佳氣缸伸縮速度，為滿足企業(yè)后期的多樣化需求提供數(shù)據(jù)參考。

改進(jìn)設(shè)計(jì)雖滿足企業(yè)的實(shí)際需求，但輸送機(jī)的輸送速度仍存在波動(dòng)，后期可從機(jī)械傳動(dòng)方式上再作改進(jìn)，以適應(yīng)不同環(huán)境下的需要。