桌面數(shù)紙機采集氣道設計及特性分析

明 濤,錢自富,白竹川,張 俊

(四川九洲電器集團有限責任公司,四川 綿陽 621000)

引言

1 物理模型

1.1 轉(zhuǎn)盤跟真空角

如圖1所示,轉(zhuǎn)盤跟真空角貼合,工作過程中,真空角不動,轉(zhuǎn)盤高速逆時針旋轉(zhuǎn),為方便觀察,后續(xù)分析中,可將轉(zhuǎn)盤視為不動,真空角相對于轉(zhuǎn)盤順時針圓周運動。

圖1 轉(zhuǎn)盤跟真空角位置關系

1.真空角上吸氣口 2.真空角下吸氣口 3.傳感器安裝口 4.傳感器檢測口 5.轉(zhuǎn)盤吸氣氣道1 6.轉(zhuǎn)盤吸氣氣道2 7.轉(zhuǎn)盤吸氣氣道3 8.轉(zhuǎn)盤檢測口 9.轉(zhuǎn)盤檢測氣道 10.轉(zhuǎn)盤檢測吸氣口 11.轉(zhuǎn)盤檢測吸氣氣道 12.轉(zhuǎn)盤對外口

1.2 零件各部位定義及功能

真空角上吸氣口連接外部負壓泵,真空角相對轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)過程中,下吸氣口跟轉(zhuǎn)盤各個吸氣氣道依次連通時,實現(xiàn)吸氣分紙功能。真空角下吸氣口跟轉(zhuǎn)盤檢測吸氣口連通時,真空角檢測口跟轉(zhuǎn)盤檢測吸氣口也連通,實現(xiàn)吸氣檢測功能。如果有紙張,則轉(zhuǎn)盤對外口被堵住,傳感器安裝口感知到的負壓壓力值較高;如果沒有紙張,則轉(zhuǎn)盤對外口未堵住,傳感器安裝口感知到的負壓壓力值較低。以此實現(xiàn)紙張有無判斷和實現(xiàn)紙張過數(shù)計數(shù)。

1.3 采集氣道模型

真空角繞轉(zhuǎn)盤相對轉(zhuǎn)動過程中,真空角下吸氣口跟轉(zhuǎn)盤檢測吸氣口重合,同時傳感器檢測口跟轉(zhuǎn)盤檢測口重合后,形成數(shù)紙機的采集氣道,根據(jù)前述過程,采集氣道判斷是否有紙張經(jīng)過對外口,以此完成紙張計數(shù)。如圖3所示,為貼近實際,分析之前,將轉(zhuǎn)盤對外口擴大,在端口處設置為環(huán)境氣壓。

圖3 數(shù)紙機采集氣道

圖4 對開口處進行封蓋

數(shù)紙機在工作過程中,真空角貼合轉(zhuǎn)盤,真空角相對轉(zhuǎn)盤不斷做圓周運動,采集氣道不斷形成和破壞。采集氣道在形成的時候快速判斷紙張有無并實現(xiàn)計數(shù)。因此,采集氣道的質(zhì)量直接關系到桌面數(shù)紙機計數(shù)性能。

2 仿真模型

2.1 軟件介紹

SolidWorks Flow Simulation是一款集成在SolidWorks中的軟件,是比較經(jīng)典的流體分析軟件,能解決流體流動分析、熱分析、瞬態(tài)分析等,并能作出漂亮的動畫、圖片以及報表[6-8]。

2.2 仿真前處理及設定邊界條件

真空角跟轉(zhuǎn)盤貼合建立采集氣道后,氣流從轉(zhuǎn)盤對外口進入采集氣道,經(jīng)由轉(zhuǎn)盤檢測吸氣氣道最終流向真空角的吸氣口被吸走,而真空角的傳感器檢測口則檢測氣壓變化。

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SolidWorks Flow Simulation做內(nèi)流體仿真的時候,要求內(nèi)流體為一封閉的空間。因此,在仿真之前,需要確定內(nèi)流體區(qū)域,并且將該區(qū)域內(nèi)流體對外口創(chuàng)建封蓋進行封閉。真空角跟轉(zhuǎn)盤貼合后,軟件會默認貼合處為密封結(jié)構(gòu),因此,只需要創(chuàng)建三處封蓋并設定壓力邊界條件。分別是真空角下吸氣口處的封蓋,并設定該處壓力為10 kPa;轉(zhuǎn)盤對外口的封蓋,并設定壓力為101 kPa。

2.3 仿真參數(shù)

準備好模型后,在Flow Simulation插件里新建項目并設置好單位和參數(shù),再劃分好網(wǎng)格則可以開始仿真。設置參數(shù)的時候主要有邊界條件、目標等[9],目標為需要關心的位置。此處需要關心的目標有兩處,分別是轉(zhuǎn)盤對外口的流速、真空角傳感器檢測口的壓力。并且,假設流道進出口的流速、壓力等為數(shù)據(jù)的平均值[10-11]。如圖5所示,設置好后可以顯示流道和網(wǎng)格。

圖5 仿真前對參數(shù)進行設置

設置完成后直接進行仿真即可,仿真過程可以通過插入目標圖進行觀察,如圖6所示。

圖6 觀察迭代過程

仿真完成后可通過結(jié)果查看關心的目標數(shù)據(jù)及流道內(nèi)的流跡,如圖7所示。

圖7 流跡及對應的壓力

3 仿真結(jié)果

4.1 真空角下吸氣口為圓形

如圖8所示,真空角下吸氣口為圓形時,真空角下吸氣口跟轉(zhuǎn)盤檢測吸氣口導通的不同階段,采集氣道參數(shù)會有差別。階段1為真空角下吸氣口剛進入轉(zhuǎn)盤檢測吸氣口,階段2為真空角下吸氣口跟轉(zhuǎn)盤檢測吸氣口重合;階段3為真空角傳感器檢測口跟轉(zhuǎn)盤檢測口重合。

圖8 真空角下吸氣口圓形-采集氣道不同狀態(tài)

p為關注位置的平均絕對壓力,v為關注位置的平均氣流流速。對圖8a進行仿真結(jié)果,如圖9所示,轉(zhuǎn)盤對外口流速約2.6 m/s,真空角傳感器檢測口壓力約100 kPa。

圖9 圓形真空角下吸氣口階段1仿真結(jié)果

對圖8b進行仿真結(jié)果,如圖10所示,轉(zhuǎn)盤對外口流速約12 m/s,真空角傳感器檢測口壓力約64 kPa。

圖10 圓形真空角下吸氣口階段2仿真結(jié)果

對圖8c進行仿真結(jié)果,如圖11所示,轉(zhuǎn)盤對外口流速約10.5 m/s,真空角傳感器檢測口壓力約80 kPa。

圖11 圓形真空角下吸氣口階段3仿真結(jié)果

由上述分析可知:真空角下吸氣口跟轉(zhuǎn)盤檢測吸氣口導通到離開的整個過程,真空角傳感器檢測口壓力先變小再變大,在2個零件吸氣口重合的時候達到最小。

流體流動分為層流和紊流兩種狀態(tài),1985年管路壓力傳遞數(shù)學模型被提出[12-13],李萍等[14]對超長液壓管道的壓力損失進行了理論研究和試驗驗證。局部壓力損失的公式為[15]:

式中,ε——局部阻力系數(shù),取值與局部障礙形狀及雷諾數(shù)有關

ρ——管道內(nèi)流體密度,kg/m3

本研究中氣流回路相當于不規(guī)則管道,真空角下吸氣口跟轉(zhuǎn)盤檢測吸氣口重合到分離過程中,主氣流回路局部阻力系數(shù)不斷變化,導致局部壓力損失時刻變化,從而導致回路壓力和流量時刻發(fā)生變化。

真空角下吸氣口跟轉(zhuǎn)盤檢測吸氣口剛重合時,重合處開口小,整個氣路的最大壓力損失為此處的局部壓力損失。隨著重合處開口增大,局部壓力損失變小,流通阻力變小,流量增大。進而導致沿程壓力損失變大,體現(xiàn)在真空角傳感器檢測口檢測到的壓力變小。隨著真空角下吸氣口跟轉(zhuǎn)盤檢測吸氣口完全重合,回路流量達到最大,真空角傳感器檢測口檢測到的壓力變?yōu)樽钚　６?隨著重合變小,回路流量跟真空角傳感器檢測口壓力又反向變化。整個過程,真空角傳感器檢測口壓力波動很大,甚至有突變,對檢測造成很大干擾。因此,考慮將真空角下吸氣口形狀由圓形更改為橢圓形。一方面,減小下吸氣口跟轉(zhuǎn)盤檢測吸氣口重合跟分離過程中的氣壓突變;另一方面,增加檢測行程,從而增加檢測時間。

3.2 真空角下吸氣口橢圓形

真空角下吸氣口更改為橢圓形后,其形態(tài)如圖12所示。

圖12 真空角下吸氣口更改為橢圓口

采集氣道的不同狀態(tài)如圖13所示。真空角下吸氣口跟轉(zhuǎn)盤檢測吸氣口導通的不同階段。采集氣道參數(shù)會有差別。

圖13 真空角下吸氣口橢圓形-采集氣道不同狀態(tài)

對圖13a進行仿真結(jié)果,如圖14所示。轉(zhuǎn)盤對外口流速約11 m/s,真空角傳感器檢測口壓力約72 kPa。

圖14 橢圓形真空角下吸氣口階段1仿真結(jié)果

對圖13b進行仿真結(jié)果,如圖15所示。轉(zhuǎn)盤對外口流速約12 m/s,真空角傳感器檢測口壓力約65 kPa。

圖15 橢圓形真空角下吸氣口階段2仿真結(jié)果

對圖13c進行仿真結(jié)果,如圖16所示。轉(zhuǎn)盤對外口流速約11 m/s,真空角傳感器檢測口壓力約72 kPa。

圖16 橢圓形真空角下吸氣口階段3仿真結(jié)果

由上述分析可知:真空角下吸氣口更改為橢圓形后,采集氣道在三個階段均表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能,真空角傳感器采集口壓力變得穩(wěn)定,轉(zhuǎn)盤對外口流量也變得穩(wěn)定并且保持在高位,達到了預想的目標。但分析結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),檢測氣道形成后,真空角傳感器檢測口通過轉(zhuǎn)盤檢測氣道跟轉(zhuǎn)盤檢測吸氣氣道連接轉(zhuǎn)盤對外口。轉(zhuǎn)盤檢測吸氣氣道為沿程壓力損失段,要消除該沿程壓力損失影響,可將轉(zhuǎn)盤檢測口直連轉(zhuǎn)盤對外口。

3.3 轉(zhuǎn)盤檢測口直連對外口

轉(zhuǎn)盤檢測口通過轉(zhuǎn)盤檢測氣道跟轉(zhuǎn)盤檢測吸氣氣道連接吸氣口,重新設計獨立氣道,將轉(zhuǎn)盤檢測口直接連接對外口,采集氣道不同狀態(tài)如圖17所示。

圖17 轉(zhuǎn)盤檢測口直連對外口-采集氣道不同狀態(tài)

對圖17a進行仿真結(jié)果,如圖18所示。轉(zhuǎn)盤對外口流速約10 m/s,真空角傳感器檢測口壓力約96 kPa。

圖18 轉(zhuǎn)盤檢測口直連對外口階段1仿真結(jié)果

對圖17b進行仿真結(jié)果,如圖19所示。轉(zhuǎn)盤對外口流速約11 m/s,真空角傳感器檢測口壓力約94 kPa。

圖19 轉(zhuǎn)盤檢測口直連對外口階段2仿真結(jié)果

對圖17c進行仿真結(jié)果,如圖20所示。轉(zhuǎn)盤對外口流速約10 m/s,真空角傳感器檢測口壓力約95.5 kPa。

圖20 轉(zhuǎn)盤檢測口直連對外口階段3仿真結(jié)果

由上述分析可知:轉(zhuǎn)盤檢測口直連對外口后,真空角傳感器檢測口壓力保持恒定并且保持在高位,并且轉(zhuǎn)盤對外口的流速也均在10 m/s以上,這非常有利于采集氣道的計數(shù)。同時,轉(zhuǎn)盤檢測氣道或者獨立檢測氣道屬于主氣流回路上的檢測支路,其形態(tài)和質(zhì)量對系統(tǒng)幾乎沒影響。主氣流回路阻力越小,越有利于檢測氣道質(zhì)量。因此,增加真空角跟轉(zhuǎn)盤的接觸表面光滑度、減小泄漏等,同樣是設計和制造過程中應當注意的。

4 結(jié)論

本研究通過SolidWorks Flow Simulation對桌面數(shù)紙機采集氣道進行了仿真分析,對模型和仿真方式做了一部分介紹,并且得出了以下結(jié)論:桌面數(shù)紙機的采集氣道由真空角上的氣道跟轉(zhuǎn)盤上的檢測氣道在重合狀態(tài)下共同構(gòu)成。真空角的吸氣口為橢圓形更有利于采集氣道質(zhì)量,轉(zhuǎn)盤檢測口直連對外口更有利于采集氣道質(zhì)量。本研究的分析結(jié)論為桌面數(shù)紙機采集氣道的設計和制造提供了參考和理論依據(jù)。