刘志海 崔鑫龙 柏海龙

(山东科技大学交通学院，山东 青岛 266590)

豆腐是一种传统的大豆制品，其制作过程主要包括热处理、凝固、压制和成型[1]。目前，在中国的一些中大型豆腐加工厂中，豆浆从磨浆桶转移到点浆机，豆腐脑从点浆机转移到成型机，以及豆腐从成型机转移到储运盒等过程，常见的是先将其装入不锈钢食品盒，然后采用人工搬运或板车运输的方式在厂房内进行转移，费时、费力且效率低下。由于厂房内部环境过于潮湿，为了安全起见，企业经营者们并不推荐使用传统的电动输送机，而是希望能有一款气动输送机来改变现有的工作模式。如今市面上气动输送设备样式繁多，常熟市百联自动机械有限公司[2]设计了一款可应用于服装厂的气动流水线，能通过气缸伸缩来循环搬运周转筐；段华荣等[3]设计了一种用于步进输送的气缸输送机构，满足了长物料如拖拉机桥壳类零件的横向步进输送需求；刘建芳等[4]设计了一种气动悬浮式非接触自动输送装置，实现了重载物体的非接触输送。但由于这些气动输送设备都是针对特定的作业需求设计，所以根本无法实际应用到豆腐厂中。

基于上述情况，对传统的无动力辊子输送机进行改进，设计了一款新型的气动输送机，该气动输送机通过气缸伸缩，经齿轮链轮将动力传递到链条上，利用固定在链条上的拨块推动食品盒在辊子上移动，从而解决了潮湿厂房中运输难题。本研究对该新型气动输送机的结构原理做了介绍，对食品盒在输送机上的速度变化做了推导，并借助流体仿真软件Flow 3D对输送机输送豆浆这一过程进行了仿真，以期为后期输送机的速度控制提供了重要依据。

1 结构与工作原理

气动输送机是在传统的无动力辊子输送机的基础上改进设计而来，在保留原有主要结构的基础上增加了一套气动驱动系统。输送机主要由辊子台架、气缸、驱动舵轮、齿轮、链轮、链条等组成(图1)，其中，辊子台架起主要支撑作用，气缸为整台输送机提供动力，并经一系列齿轮、链轮将动力传递到链条上。使用时，将食品盒放置在辊子台架上，使其置于2个拨块之间，通过气缸伸缩以利用单向推杆推动驱动舵轮单向旋转，与驱动舵轮同轴固连的齿轮2将带动与其啮合的齿轮1转动，齿轮1会带动与其同轴连接的链轮转动，链条运动时便可通过固定在上面的拨块推动食品盒在辊子上移动，从而实现对食品盒的运输。根据实际需要，将多台输送机进行首尾拼接便可实现远距离运输。

1. 气缸 2. 单向推杆 3. 驱动舵轮 4. 齿轮1 5. 链轮 6. 齿轮2 7. 链条 8. 辊子 9. 拨块 10. 食品盒

2 食品盒运动速度分析

研究气缸的伸缩速度vq与食品盒在输送机上的运动速度vh之间的关系对后期相应的设备改进与控制具有重大意义。气缸做直线往复运动，作用区间为点a至点b(图2)，每一次伸缩推动驱动舵轮旋转45°，循环往复。假设气缸推杆作用终端从点a移动至点c，推动驱动舵轮旋转过的角度为θ(0°≤θ≤45°)，在这一旋转过程中(图3)，可将速度vq(m/s)分解为垂直于杆的vq1与沿杆的vq2，则

vq1=vqcos(45-θ)，

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：

n1——驱动舵轮转速，r/min；

l——点O与点b之间的距离，m；

t——驱动舵轮转过角度θ所经历的时间，s；

ω1——驱动舵轮的角速度，rad/s。

由上可推出气缸伸缩速度vq与驱动舵轮转速n1满足以下关系：

(5)

图2 驱动舵轮旋转示意Figure 2 Diagram of driving rudder

图3 驱动舵轮速度分析Figure 3 Analysis of velocity about driving rudder

(6)

驱动舵轮与齿轮2同轴固连，齿轮1与链轮同轴固连，齿轮2与齿轮1相互啮合，则相应的速度关系满足如下：

n2=n1，

(7)

(8)

n4=n3，

(9)

式中：

n2——齿轮2转速，r/min；

i——两齿轮之间的传动比；

n3——齿轮1转速，r/min；

n4——链轮转速，r/min。

链轮将动力传递到链条上，不考虑链传动多边形效应的情况，链的平均速度vl为[5]：

(10)

式中：

z——链轮的齿数；

P——链条的节距，mm。

食品盒的运动速度vh与链条的运动速度vl同步，综上可得食品盒运动速度vh与气缸伸缩速度vq关系如下：

(11)

(12)

针对青岛某豆制品加工厂A的实际需求，所设计的输送机数字化样机见图4。其中输送机部分相关参数见表1。结合表1与式(11)、(12)可得出食品盒运动速度vh与气缸伸缩速度vq之间的关系为：

vh=1.4vqcos(45-θ)，

(13)

(14)

图4 输送机数字化样机Figure 4 Digitalmodel machine of conveyor

表1 输送机部分参数Table 1 Partial parameters of conveyor

3 输送过程仿真

气缸的伸缩速度vq影响着输送机的输送效率Q，为了提高Q，应适当增大vq，当食品盒内盛装的是豆腐或豆腐脑时，vq值可以适当增大，但当食品盒内盛装豆浆时，为了防止豆浆溅出，速度不宜过快，控制好速度才能获得相对更佳的输送效率，故利用流体仿真软件Flow 3D探讨输送豆浆时的最佳速度，以便为后期实际应用提供参考。

3.1 流体参数设置及仿真模型建立

Flow 3D自带的流体数据库中并没有豆浆这一流体，需新建。豆浆的黏度一般>4 mPa·s[6]，密度与水的密度接近[7]，故流体参数黏度一栏中设定黏度为4 mPa·s，密度设为1 g/mL便可满足仿真需求。拟推广应用的加工厂A目前所使用的食品盒为0.8 mm厚不锈钢板加工成的长520 mm、宽360 mm、高160 mm的长方盒体，利用UG建立好模型后导出stl格式文件，然后将stl文件导入到Flow 3D中。

当采用Flow 3D进行数值模拟时，网格尺度会直接影响模拟结果[8]，网格尺度越小，对水流的解析度越高[9]，考虑到计算时间和数据处理量，决定选用最小结构尺寸0.1倍的网格尺度模拟结构。在食品盒三维模型内部添加初始流体区域，完全按照实际加工情况，令流体上表面低于食品盒上边缘3 cm，同时在食品盒正下方设置一虚拟平板Baffles。Baffles在Flow 3D中是没有厚度的孔隙孔板，用于测量通过某断面的水流流量且完全不影响水流流动[10]。本研究利用Baffles设置追踪器监测食品盒运动过程中是否有豆浆溅出，建立的仿真模型见图5。

图5 仿真模型Figure 5 The entity model

3.2 速度参数设置

一般情况下，气缸的使用速度需>40 mm/s[11]且<3 m/s，若速度<40 mm/s，由于气缸的密封、润滑、供气压力、温度等因素产生的不稳定摩擦力影响[12]，气缸活塞可能不会稳定地移动，时走时停，出现“爬行”现象，若速度>3 m/s，气缸缓冲效果不明显，寿命会严重缩短[13-14]。

为更准确地把握输送豆浆时气缸相对更佳的伸缩速度，令vq取值随仿真次数变化如下：

vq=0.04i，

(15)

式中：

i——仿真次数。

即令气缸的速度变化梯度为0.04 m/s，模拟在不同vq取值下，食品盒以相应速度在输送机上的运动情况，仿真过程中暂不考虑实际情况下可能由电磁阀或气缸缓冲装置等造成的气缸伸缩换向时的延时以及抖动。其中第1次仿真，当vq=0.04 m/s时，食品盒的移动速度变化如图6所示。

图6 食品盒运动速度Figure 6 Speed of food box movement

3.3 仿真结果及分析

Flow 3D采用VOF(volume of fluid)方法进行自由表面追踪，此方法的核心是通过求解流体体积函数的运输方程来重构运动的自由液面，并将自由液面以分段常数来近似表示[15]。前8次仿真，追踪器监测到流经虚拟平板的流量皆为0，表明当气缸速度vq低于0.32 m/s时，食品盒内盛装的豆浆不会溅出。第9次仿真过程中部分时刻液面活动情况见图7，由于食品盒运动速度较快，导致液面活动剧烈。

追踪器监测到流经虚拟平板的流量统计结果见图8，曲线表明从2.3 s左右开始有流体流经虚拟平板，即气缸的伸缩速度vq达到0.36 m/s，食品盒以相应的速度在输送机上运行时，食品盒内部的豆浆会溅出。以加工厂A目前的实际情况来看，当食品盒的平均速度≥0.2 m/s时便可满足生产节拍，部分工序速度需求可能更低，故所设计的气动输送机可以满足加工厂的实际需求。

图7 不同时刻自由液面的活动情况Figure 7 Activity of free surface at different times

图8 流经追踪面的流体体积变化曲线Figure 8 Volume change curve of the fluid flowing throughthe tracking surface

4 结论

(1) 根据加工厂的实际作业需求，在传统无动力辊子输送机的基础上进行改进，设计了一款气动输送机，由气缸伸缩提供动力，利用固定在链条上的拨块推动食品盒在辊子台架上移动。并且经推导，得出了在气缸伸缩速度一定的前提下，食品盒移动速度与驱动舵轮转角之间的函数关系，函数表明，食品盒移动速度将随驱动舵轮转角增大而增大。整台输送机结构简单，易于制造生产，实现了在潮湿环境下安全输送，具有一定的应用价值。

(2) 结合实际条件，通过Flow 3D对输送机输送豆浆这一过程进行了仿真验证和分析。结果表明，该输送机可以保证食品盒在气缸伸缩速度低于0.32 m/s时稳定地被输送，满足加工厂的实际需求。

此次仿真试验仅在食品盒内豆浆体积一定的前提下对输送机输送豆浆时的稳定性做了探讨，为适应不同环境下的需要，后期可针对食品盒不同装载量时的输送情况作进一步探究。