張偉 花宇 金軍輝

[摘 ? ?要]在卷煙煙絲加工過程中，需要控制工業(yè)機器人將視覺識別技術(shù)檢測到的雜物分揀出去，相對夾持或表面吸附方式，輸送型真空發(fā)生器具有工作周期短、揀雜失敗率低等優(yōu)點。依據(jù)輸送型真空發(fā)生器的工作原理，針對一個卷煙生產(chǎn)中煙葉雜物分揀的實際案例，論述真空發(fā)生器在工程應(yīng)用中的口徑、吸取距離、壓縮空氣流量、輸送管道彎曲高度等參數(shù)的計算確定過程。

[關(guān)鍵詞]雜物分揀;真空發(fā)生器;伯努利原理

[中圖分類號]TB75 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]In the process of cigarette shredded tobacco processing， it is necessary to control industrial robots to sort out the debris detected by visual recognition technology. Compared with the clamping or surface adsorption method， the conveying vacuum generator has a short working cycle and a low failure rate of picking. Etc. Based on the working principle of the conveying vacuum generator， the article discusses in detail the diameter， suction distance， compressed air flow rate， and bending height of the conveying pipe of the vacuum generator in a practical case of tobacco debris sorting in cigarette production. The calculation and determination process of the parameters.

[Keywords]sorting of debris; vacuum generator; bernoulli principle

本文通過輸送型真空發(fā)生器的原理分析，針對不同規(guī)格雜物、不同應(yīng)用工況環(huán)境下對氣源要求，以及應(yīng)用時相關(guān)環(huán)境參數(shù)的計算，論述了輸送型真空發(fā)生器在雜物分揀中的應(yīng)用。

1 輸送型真空發(fā)生器工作原理

1.1 伯努利原理

伯努利方程是理想正壓流體在有勢體積力作用下作定常運動時，運動方程沿流線積分而得到的表達(dá)運動流體機械能守恒的方程。對于重力場中不可壓縮均質(zhì)流體，方程為p+ρgh+（1/2）×ρv2=c，式中，p、ρ、v分別為流體的壓強、密度和速度;h為鉛垂高度;g為重力加速度;c為常量。由于對于氣體，可忽略重力，方程可簡化為p+（1/2）×ρv2=常量（p0），各項分別稱為靜壓、動壓和總壓。顯然，流動中速度增大，壓強就減小;反之，壓強就增大。

1.2 真空發(fā)生器內(nèi)部靜壓分布

輸送型真空發(fā)生器內(nèi)部剖面與靜壓分布見圖1。

如圖1所示，壓縮空氣從真空發(fā)生器入口進(jìn)入，在內(nèi)部由一圈圓柱狀小口噴出，產(chǎn)生流速很大的氣流，根據(jù)伯努利原理，氣流流速越大，壓強越小，所以導(dǎo)致管道中有壓強很小的藍(lán)色部分，外部為大氣壓，位于真空發(fā)生器底部的物體受到上下壓強差被吸起。

2 真空發(fā)生器工作參數(shù)計算

2.1 被揀雜物樣本規(guī)格

混雜在煙葉中的雜物主要分為金屬雜物和非金屬雜物，通常金屬雜物由生產(chǎn)線上的金屬探測器檢測并通過翻板等機構(gòu)被剔除。本項目研究對象針對非金屬雜物，表1列出了在卷煙生產(chǎn)中常見的雜物種類及其規(guī)格。

2.2 真空發(fā)生器開口直徑選擇

根據(jù)表1 可知，對于“麻繩、紙片”等大部分柔軟雜物，在受到外力擠壓作用后其尺寸將變小，而對于“硬紙板邊角、橡膠邊角”等少數(shù)質(zhì)地較硬的雜物，需要受到較大外力擠壓才會產(chǎn)生少許的尺寸形變。

同時，依據(jù)方程p+（1/2）×ρv2=常量（p0），口徑越大，就需要更多體積流量的壓縮空氣進(jìn)入真空發(fā)生器。因此，在選擇真空發(fā)生器的開口直徑時，最大尺寸雜物能夠通過真空發(fā)生器內(nèi)部即可，這樣可降低真空發(fā)生器對壓縮空氣的要求。

所以，在本項目選擇真空發(fā)生器開口直徑時僅需參考“硬紙板邊角、橡膠邊角”等質(zhì)地較硬的不易形變雜物。綜上，本項目最終選定的真空發(fā)生器口徑為45 mm。

2.3 吸口與雜物間吸取距離

從圖1的真空發(fā)生器靜壓云圖中可知，當(dāng)真空發(fā)生器吸口與下方煙葉原料間空隙較小時，煙葉會被吸做一團(tuán)堵在真空發(fā)生器入口從而造成“煙葉堵料”將吸口悶住的現(xiàn)象。另一方面，即便利用振槽等手段使得輸送皮帶上煙葉原料厚度盡量均勻，但煙葉原料表面仍會起伏。因此，輸送型真空發(fā)生器進(jìn)行抽吸時，應(yīng)使得吸口與雜物（煙葉原料）保持一定距離。

相對大多數(shù)空氣壓縮機和輸送型真空發(fā)生器，距離真空發(fā)生器底部過遠(yuǎn)，在吸口上方產(chǎn)生的壓強差將不足以將雜物吸入管道。

綜上，本項目最終確定的真空發(fā)生器吸口與雜物（煙葉原料）的距離為30 mm。

2.4 入口壓縮空氣體積流量計算

為便于說明，本文取尺寸規(guī)格為“30 mm×30 mm×2 mm”，質(zhì)量為4 g的“橡膠邊角”為吸取雜物的計算樣本。

雜物上表面積為S=9×10-4 m2 ? ? 雜物質(zhì)量m=4×10-3 kg

F=mg=4×10-3×10=4×10-2 N

44.4 Pa

P靜壓=P大氣壓-ΔP=101 325-44.4=101 280.56 Pa

由上述計算知，在距離吸口30 mm處時，靜壓應(yīng)小于101 280.56 Pa才能將尺寸規(guī)格為“30 mm×30 mm×2 mm”、質(zhì)量為4 g的“橡膠邊角”吸到真空發(fā)生器管道內(nèi)。

圖2為在Ansys仿真環(huán)境下，環(huán)境大氣壓為101 325 Pa，湍流模型采用k-epsilon，入口速度為10 m/s、20 m/s、30 m/s、40 m/s、50 m/s、60 m/s的情況下，在吸口30 mm距離處真空發(fā)生器的靜壓曲線。

由上述曲線可以看到，當(dāng)壓縮空氣氣流速度不小于20 m/s時，可取得靜壓小于101 280.56 Pa的效果。因此，在本項目中取壓縮空氣氣流速度為20 m/s。

在本項目中，真空發(fā)生器壓縮空氣入口半徑為4 mm，則壓縮空氣體積流量為：

Vs=v·S=20×π×0.0042=0.001 m3/s

即所需壓縮空氣源流量為60 L/min。

2.5 輸送管道彎曲高度

雜物被真空發(fā)生器吸入后，經(jīng)由彎管輸送到后端的雜物收集箱。如輸送管道彎曲的最大高度過高，則雜物無法在真空發(fā)生器打開時間內(nèi)通過彎管，從而再次掉落回?zé)熑~原料上。

由于輸送型真空發(fā)生器要求的氣體入口體積流量很大，長時間保持開啟狀態(tài)將消耗大量壓縮空氣，同時也容易將煙葉原料大量吸入輸送管道。所以，在每次吸取雜物時只短暫打開真空發(fā)生器，在本項目中設(shè)定每次吸取時真空發(fā)生器開啟持續(xù)時間為300 ms。

根據(jù)圖2，大氣壓與雜物上表面壓強差P靜壓=P大氣壓-P絕對靜壓=101 325-101 241.3347=83.665 3 Pa，雜物上表面積為S=900×10-6 m2，雜物重力為G=4×10-2 N，輸送型真空發(fā)生器總長s=0.13 m，雜物與吸口距離為s1=0.03 m，仿真出的吸口面氣流的流速V=13 m/s。

雜物從傳送帶上吸取的過程分為三個階段：第一階段為雜物從輸送皮帶上被吸起到達(dá)吸口面，此時雜物受到的力為大氣壓與靜壓的差。經(jīng)計算，此過程中雜物速度由0上升到1.062 m/s，耗時0.056 5 s。第二階段為雜物從吸口面到達(dá)出口面，此時雜物受到的力為大氣壓與靜壓的差、氣流推力。此過程中氣流的推力為9.506×10-2 N，雜物速度由1.062 m/s上升到3.097 5 m/s，耗時0.089 3 s。第三階段為雜物從出口面到輸送管道最上方，該過程中雜物受到的力僅為氣流推力。此時雜物初始速度為3.097 5 m/s，如忽略氣流速度的衰減，則雜物在輸送管道中不會失去速度。但實際上真空發(fā)生器的開啟時間只有300 ms，即必須使得雜物在氣流持續(xù)時間內(nèi)被輸送到管道彎曲的最大高度。經(jīng)計算，在本項目中真空發(fā)生器后端輸送管道的彎曲高度最大不應(yīng)超過0.641 2 m。

3 結(jié)論

在工業(yè)現(xiàn)場壓縮空氣相較于真空氣源更容易獲得，在本來就有壓縮空氣的地方，需要抽氣量小，真空度要求不高且間歇性工作的工況下，使用真空發(fā)生器獲得真空是一個理想的方案。在實際應(yīng)用輸送型真空發(fā)生器作為雜物分揀時，應(yīng)針對被分揀雜物的規(guī)格尺寸選擇合適的口徑，確定真空發(fā)生器吸口與雜物的吸取距離，并結(jié)合雜物質(zhì)量計算得出所需壓縮空氣的氣源流量（通常工業(yè)用壓縮空氣壓力為某定值）。同時也應(yīng)考慮輸送路徑等環(huán)境情況，對實際應(yīng)用中的管道彎曲高度等加以約束。

通過本文計算并設(shè)計的輸送型真空發(fā)生器已應(yīng)用在某卷煙廠制絲回潮增溫出口處的智能雜物分揀研究項目中，該裝置安裝于工業(yè)機器人上，配合工業(yè)視覺識別系統(tǒng)，使得煙葉表面雜物分揀成功率達(dá)到了90%以上，較之機械手爪、鏟斗、吸盤等方式有了顯著提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 畢曉霖.伯努利原理及其應(yīng)用[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2020，49（10）：61-63.

[2] 吳健. 空壓機流量壓力優(yōu)化控制[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2020.