基于無動力輥子輸送機的改進設計與仿真分析

劉志海 崔鑫龍 柏海龍

(山東科技大學交通學院，山東 青島 266590)

豆腐是一種傳統的大豆制品，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，豆漿從磨漿桶轉移到點漿機，豆腐腦從點漿機轉移到成型機，以及豆腐從成型機轉移到儲運盒等過程，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的方式在廠房內進行轉移，費時、費力且效率低下。由于廠房內部環境過于潮濕，為了安全起見，企業經營者們并不推薦使用傳統的電動輸送機，而是希望能有一款氣動輸送機來改變現有的工作模式。如今市面上氣動輸送設備樣式繁多，常熟市百聯自動機械有限公司[2]設計了一款可應用于服裝廠的氣動流水線，能通過氣缸伸縮來循環搬運周轉筐；段華榮等[3]設計了一種用于步進輸送的氣缸輸送機構，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]設計了一種氣動懸浮式非接觸自動輸送裝置，實現了重載物體的非接觸輸送。但由于這些氣動輸送設備都是針對特定的作業需求設計，所以根本無法實際應用到豆腐廠中。

基于上述情況，對傳統的無動力輥子輸送機進行改進，設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構原理做了介紹，對食品盒在輸送機上的速度變化做了推導，并借助流體仿真軟件Flow 3D對輸送機輸送豆漿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。

1 結構與工作原理

氣動輸送機是在傳統的無動力輥子輸送機的基礎上改進設計而來，在保留原有主要結構的基礎上增加了一套氣動驅動系統。輸送機主要由輥子臺架、氣缸、驅動舵輪、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動舵輪單向旋轉，與驅動舵輪同軸固連的齒輪2將帶動與其嚙合的齒輪1轉動，齒輪1會帶動與其同軸連接的鏈輪轉動，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，從而實現對食品盒的運輸。根據實際需要，將多臺輸送機進行首尾拼接便可實現遠距離運輸。

1. 氣缸 2. 單向推桿 3. 驅動舵輪 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之間的關系對后期相應的設備改進與控制具有重大意義。氣缸做直線往復運動，作用區間為點a至點b(圖2)，每一次伸縮推動驅動舵輪旋轉45°，循環往復。假設氣缸推桿作用終端從點a移動至點c，推動驅動舵輪旋轉過的角度為θ(0°≤θ≤45°)，在這一旋轉過程中(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——驅動舵輪轉速，r/min；

l——點O與點b之間的距離，m；

t——驅動舵輪轉過角度θ所經歷的時間，s；

ω1——驅動舵輪的角速度，rad/s。

由上可推出氣缸伸縮速度vq與驅動舵輪轉速n1滿足以下關系：

(5)

圖2 驅動舵輪旋轉示意Figure 2 Diagram of driving rudder

圖3 驅動舵輪速度分析Figure 3 Analysis of velocity about driving rudder

(6)

驅動舵輪與齒輪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，則相應的速度關系滿足如下：

n2=n1，

(7)

(8)

n4=n3，

(9)

式中：

n2——齒輪2轉速，r/min；

i——兩齒輪之間的傳動比；

n3——齒輪1轉速，r/min；

n4——鏈輪轉速，r/min。

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

(10)

式中：

z——鏈輪的齒數；

P——鏈條的節距，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關系如下：

(11)

(12)

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

vh=1.4vqcos(45-θ)，

(13)

(14)

圖4 輸送機數字化樣機Figure 4 Digitalmodel machine of conveyor

表1 輸送機部分參數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，應適當增大vq，當食品盒內盛裝的是豆腐或豆腐腦時，vq值可以適當增大，但當食品盒內盛裝豆漿時，為了防止豆漿濺出，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探討輸送豆漿時的最佳速度，以便為后期實際應用提供參考。

3.1 流體參數設置及仿真模型建立

Flow 3D自帶的流體數據庫中并沒有豆漿這一流體，需新建。豆漿的黏度一般>4 mPa·s[6]，密度與水的密度接近[7]，故流體參數黏度一欄中設定黏度為4 mPa·s，密度設為1 g/mL便可滿足仿真需求。擬推廣應用的加工廠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建立好模型后導出stl格式文件，然后將stl文件導入到Flow 3D中。

當采用Flow 3D進行數值模擬時，網格尺度會直接影響模擬結果[8]，網格尺度越小，對水流的解析度越高[9]，考慮到計算時間和數據處理量，決定選用最小結構尺寸0.1倍的網格尺度模擬結構。在食品盒三維模型內部添加初始流體區域，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設置追蹤器監測食品盒運動過程中是否有豆漿濺出，建立的仿真模型見圖5。

圖5 仿真模型Figure 5 The entity model

3.2 速度參數設置

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、溫度等因素產生的不穩定摩擦力影響[12]，氣缸活塞可能不會穩定地移動，時走時停，出現“爬行”現象，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漿時氣缸相對更佳的伸縮速度，令vq取值隨仿真次數變化如下：

vq=0.04i，

(15)

式中：

i——仿真次數。

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的運輸方程來重構運動的自由液面，并將自由液面以分段常數來近似表示[15]。前8次仿真，追蹤器監測到流經虛擬平板的流量皆為0，表明當氣缸速度vq低于0.32 m/s時，食品盒內盛裝的豆漿不會濺出。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，導致液面活動劇烈。

追蹤器監測到流經虛擬平板的流量統計結果見圖8，曲線表明從2.3 s左右開始有流體流經虛擬平板，即氣缸的伸縮速度vq達到0.36 m/s，食品盒以相應的速度在輸送機上運行時，食品盒內部的豆漿會濺出。以加工廠A目前的實際情況來看，當食品盒的平均速度≥0.2 m/s時便可滿足生產節拍，部分工序速度需求可能更低，故所設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 結論

(1) 根據加工廠的實際作業需求，在傳統無動力輥子輸送機的基礎上進行改進，設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。并且經推導，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動舵輪轉角之間的函數關系，函數表明，食品盒移動速度將隨驅動舵輪轉角增大而增大。整臺輸送機結構簡單，易于制造生產，實現了在潮濕環境下安全輸送，具有一定的應用價值。

(2) 結合實際條件，通過Flow 3D對輸送機輸送豆漿這一過程進行了仿真驗證和分析。結果表明，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豆漿體積一定的前提下對輸送機輸送豆漿時的穩定性做了探討，為適應不同環境下的需要，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。