林晉立，高麗紅，林盈妤，林欽志，陸要珍

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642）

0 引言

目前，大多數(shù)密集烤房靠人力將煙夾放置于烤架，整個(gè)過(guò)程需要一個(gè)壯年站在烤房煙架上，把由下方工作人員送上的煙夾放置于煙架，裝滿鮮葉的煙夾重約15 kg～20 kg，人工將其送至3 m高的烤房煙架上，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，對(duì)工作人員的身體條件要求也高。隨著煙葉生產(chǎn)規(guī)?；陌l(fā)展，烤煙生產(chǎn)對(duì)雇工的需求越來(lái)越大，成為煙葉生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸。研發(fā)烤房煙草裝煙設(shè)備是煙草行業(yè)可持續(xù)規(guī)模化生產(chǎn)的必由之路[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)烤房裝煙機(jī)的研究逐漸增多，國(guó)內(nèi)研究成果大多可分為移動(dòng)式烘烤架裝煙設(shè)備和舉升式裝煙設(shè)備。張大斌等[2]研發(fā)設(shè)計(jì)了一種煙葉運(yùn)烤一體化密集烤房烘烤結(jié)構(gòu)。移動(dòng)式烘烤架裝煙設(shè)備大多數(shù)需要對(duì)現(xiàn)有烤房進(jìn)行升級(jí)改造，前期設(shè)施費(fèi)用投入大，對(duì)煙農(nóng)造成經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，不適合大面積推廣。聶威等[3]設(shè)計(jì)發(fā)明了一種移動(dòng)式煙夾舉升機(jī)。舉升式裝煙設(shè)備投入成本相對(duì)較低，裝置模仿人工裝煙過(guò)程，設(shè)計(jì)時(shí)可規(guī)劃舉升路徑來(lái)避免與煙架發(fā)生碰撞，使用起來(lái)較為方便，相比移動(dòng)式烘烤架裝煙設(shè)備更容易推廣。

本研究所設(shè)計(jì)的鏈條舉升式裝煙機(jī)屬于舉升式裝煙設(shè)備。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，操作方便，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有的烤房進(jìn)行改造，能將煙夾運(yùn)輸?shù)揭欢ǜ叨炔⒎胖糜跓熂苌希行p輕了煙農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高裝煙效率。

1 鏈條舉升式裝煙機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

鏈條舉升式裝煙機(jī)主要由四部分組合而成，分別是機(jī)架、鏈條輸送機(jī)構(gòu)、舉升擺正機(jī)構(gòu)和移動(dòng)控制系統(tǒng)。

1）機(jī)架整體采用6061鋁材，由規(guī)格為30 mm×30 mm×1.5 mm的鋁方管焊接而成，左端橫梁均比右端長(zhǎng)，以使左側(cè)機(jī)架與右側(cè)錯(cuò)開(kāi)，如圖1所示。鋁材強(qiáng)度中等，焊接性能好，且有良好的抗腐蝕性，能支撐煙夾及其余機(jī)構(gòu)的重量，并能適應(yīng)烤房中粉塵污質(zhì)多等不良條件。

圖1 鏈條舉升式裝煙機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2）鏈條輸送機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速器和左右兩組輸送部件組成，每組輸送部件均由鏈輪、鏈條、鏈條防護(hù)導(dǎo)軌、軸承和豎直煙夾托手構(gòu)成。左右兩組鏈輪傳動(dòng)比相同，由同一電機(jī)帶動(dòng)。

3）舉升擺正機(jī)構(gòu)由電機(jī)和左右兩組擺正部件組成，每組擺正部件均由曲柄、連桿、擺桿、軸承和舉升托手構(gòu)成。左右兩組擺正部件的結(jié)構(gòu)相同，均為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，但尺寸不同。

4）移動(dòng)控制系統(tǒng)主要由液壓升降小車(chē)和PLC控制系統(tǒng)組成。

2 舉升式裝煙機(jī)鏈條輸送機(jī)構(gòu)

2.1 鏈條輸送機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

裝煙機(jī)的輸送機(jī)構(gòu)主要由左右兩組輸送部件組成，每組均由鏈輪、鏈條、軸承、鏈條防護(hù)導(dǎo)軌、軸承和豎直煙夾托手構(gòu)成。鏈條安裝在鏈條防護(hù)導(dǎo)軌內(nèi)并帶動(dòng)上下兩個(gè)鏈輪配合轉(zhuǎn)動(dòng)；左右兩組鏈輪傳動(dòng)比相同，每組鏈輪分別安裝在固定于機(jī)架前部的兩個(gè)軸承上，且左側(cè)鏈輪在右側(cè)鏈輪前方；鏈條防護(hù)導(dǎo)軌以一定的傾角裝在機(jī)架前部，在鏈條運(yùn)輸過(guò)程中具有良好的抗沖擊作用和減震作用，能減少鏈條的擾動(dòng)，延長(zhǎng)其使用壽命。

豎直煙夾托手安裝在鏈條一側(cè)鏈節(jié)上并隨鏈節(jié)移動(dòng)。左右兩側(cè)豎直煙夾托手在上下移動(dòng)的過(guò)程中保持平齊，其連線與豎直面成一定角度，可有效防止因煙夾過(guò)長(zhǎng)而在上升過(guò)程中與煙架發(fā)生碰撞事故。

電機(jī)安裝于下側(cè)機(jī)架，輸出軸與減速箱相連。減速箱右側(cè)通過(guò)聯(lián)軸器與右側(cè)下方的鏈輪直接相連，左側(cè)則通過(guò)鏈輪、鏈條與左側(cè)下方的鏈輪相連，從而帶動(dòng)左右兩組輸送部件同時(shí)同向運(yùn)動(dòng)。

2.2 鏈條輸送機(jī)構(gòu)的工作原理

電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)聯(lián)軸器、鏈條等形式傳遞至左右兩組輸送部件，驅(qū)動(dòng)兩組輸送部件的鏈條動(dòng)作，鏈條帶動(dòng)固定于鏈節(jié)上的豎直煙夾托手沿防護(hù)導(dǎo)軌方向運(yùn)動(dòng)。煙夾放置在左右兩側(cè)豎直托手上，通過(guò)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的方式來(lái)控制豎直托手的上升與下降，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將煙夾輸送至烤房高處與機(jī)器復(fù)位的功能。

3 鏈條舉升式裝煙機(jī)舉升擺正機(jī)構(gòu)

3.1 舉升擺正機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

裝煙機(jī)舉升擺正機(jī)構(gòu)主要由左右兩組擺正部件組成，每組均由曲柄、連桿、擺桿、軸承和舉升托手構(gòu)成。曲柄一端和連桿鉸接，另一端安裝在固定于機(jī)架的軸承上受電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)；擺桿一端與連桿尾端鉸接，另一端安裝在固定于機(jī)架的軸承上；舉升托手與連桿首端鉸接并通過(guò)煙夾托手支撐桿與擺桿相連，如圖2所示。左右兩側(cè)舉升托手在運(yùn)動(dòng)中始終與水平面呈一定角度且大小相等，防止煙夾在舉升擺正過(guò)程中產(chǎn)生偏移和掉落。但由于左右兩組擺正部件的尺寸不同，與之對(duì)應(yīng)的舉升托手在空中所走過(guò)的路程和擺正曲線也不同。

圖2 舉升擺正機(jī)構(gòu)

3.2 舉升托手的擺正曲線

為配合煙夾在空間的運(yùn)動(dòng)，必須控制左右兩組擺正部件的尺寸。通過(guò)更改兩組擺正部件的尺寸，可以得到對(duì)應(yīng)舉升托手的擺正曲線。本研究通過(guò)參考李學(xué)榮等[4]編制的《連桿曲線圖譜》一書(shū)并利用計(jì)算機(jī)三維軟件建模、運(yùn)動(dòng)分析，進(jìn)行了不同尺寸下舉升托手?jǐn)[正曲線的對(duì)比。通過(guò)多次建模與仿真，選取如圖3所示曲線作為本裝煙機(jī)舉升托手的擺正曲線。

圖3 擺正曲線

在擺正曲線中，左側(cè)擺正曲線的起點(diǎn)比右側(cè)擺正曲線靠前，兩者的終點(diǎn)位置相同，故能實(shí)現(xiàn)煙夾由傾斜到水平的擺正功能。左右兩組擺正曲線曲率相近，過(guò)渡平穩(wěn)，能防止煙夾在擺正過(guò)程中發(fā)生大距離偏移和掉落。

3.3 舉升擺正機(jī)構(gòu)的工作原理

電機(jī)的動(dòng)力傳遞至左右兩組舉升擺正機(jī)構(gòu)的曲柄，兩組機(jī)構(gòu)中的曲柄以相同的角速度沿同一方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)連桿首端的舉升托手沿預(yù)定好的擺正曲線進(jìn)行工作。兩側(cè)舉升托手同時(shí)運(yùn)送至煙夾處并將煙夾托起，進(jìn)而帶動(dòng)煙夾做圖3所示的擺線運(yùn)動(dòng)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)作滿足以下條件：兩側(cè)舉升托手同時(shí)起步托起煙夾，右側(cè)舉升托手運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)與裝煙機(jī)上平面的距離高于左側(cè)的相應(yīng)距離，兩側(cè)舉升托手平齊下落至烤房煙架。

4 鏈條舉升式裝煙機(jī)移動(dòng)控制系統(tǒng)

裝煙機(jī)移動(dòng)控制系統(tǒng)主要由液壓升降小車(chē)和PLC控制器組成。裝煙機(jī)機(jī)架固定在液壓升降小車(chē)上，液壓升降小車(chē)底部有車(chē)輪，主要完成裝煙機(jī)的前后上下移動(dòng)。腳踩增壓搖臂驅(qū)動(dòng)液壓油缸實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上升，旋轉(zhuǎn)卸壓閥卸壓從而降低平臺(tái)高度。升降平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)上層和中層煙架的裝煙。裝煙機(jī)的控制系統(tǒng)主要采用日本三菱公司的FX1S-20MR-001型PLC控制器。此款PLC有8個(gè)輸入口和12個(gè)輸出口，輸入電源為220 V交流電，同時(shí)自帶24 V直流電源輸出，可為傳感器供電。

外部控制設(shè)備主要由7個(gè)開(kāi)關(guān)組成，分別是限位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)和按鈕。其中，上限位開(kāi)關(guān)接入常開(kāi)，下限位開(kāi)關(guān)接入常閉；曲柄復(fù)位與限位均用接近開(kāi)關(guān)控制，復(fù)位開(kāi)關(guān)接入常閉，限位開(kāi)關(guān)接入常開(kāi)；復(fù)位按鈕與啟動(dòng)按鈕均為點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)；急停按鈕為動(dòng)斷按鈕，如圖4所示。

圖4 PLC接線圖

裝煙機(jī)動(dòng)作順序：?jiǎn)?dòng)裝煙機(jī)前要進(jìn)行復(fù)位操作，按下復(fù)位按鈕后，曲柄與豎直輸送托手回復(fù)原位；放上煙夾，豎直輸送托手通過(guò)鏈條帶動(dòng)向上升起，觸碰上限位開(kāi)關(guān)后停止；與此同時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，舉升托手托起煙夾；煙夾離開(kāi)豎直輸送托手后，托手下降至下限位開(kāi)關(guān)處停止；左右兩側(cè)舉升托手將煙夾放置于煙架并回復(fù)原位。根據(jù)接線圖及裝煙機(jī)的動(dòng)作順序，編寫(xiě)裝煙機(jī)動(dòng)作過(guò)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示，將程序燒錄于PLC控制器中即可實(shí)現(xiàn)對(duì)裝煙機(jī)工作的自動(dòng)控制。

圖5 裝煙機(jī)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

5 裝煙機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證鏈條舉升式裝煙機(jī)的可靠性能，利用裝有煙架的烤房為平臺(tái)對(duì)裝煙機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。將液壓小車(chē)推進(jìn)烤房并升至合適的高度，啟動(dòng)復(fù)位按鈕，等待裝煙機(jī)復(fù)位后把煙夾放置于豎直煙夾托手，開(kāi)始試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。對(duì)煙夾進(jìn)行10次試驗(yàn)，可測(cè)得煙夾的10次上升時(shí)間與擺正時(shí)間，其平均值分別用T上升、T擺正表示。10次試驗(yàn)中煙夾的上架次數(shù)與擺正次數(shù)分別用N上架、N擺正表示。

增加煙夾質(zhì)量，每次增加5 kg，得到6組質(zhì)量值分別為5 kg、10 kg、15 kg、20 kg、25 kg、30 kg，重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示[5]。

表1 裝煙機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）裝煙機(jī)對(duì)6種不同質(zhì)量的煙夾完成一次裝煙的平均時(shí)間分別為9.0 s、8.8 s、8.8 s、9.0 s、9.3 s、9.1 s。煙夾質(zhì)量對(duì)裝煙時(shí)間的影響不顯著。

2）裝煙機(jī)裝一次煙夾用時(shí)8 s～10 s，裝煙效率與人工裝煙相比顯著提高。

3）質(zhì)量在5 kg～30 kg范圍內(nèi)的煙夾均能上架，上架率為100%；質(zhì)量在20 kg以上的煙夾，有5次試驗(yàn)上架后未能擺正，擺正率為91.7%，煙夾重量一定程度上影響其上架后的擺正程度。

6 總結(jié)

鏈條舉升式裝煙機(jī)可實(shí)現(xiàn)在狹小烤房中對(duì)煙夾的輸送與擺正，極大地減輕了勞動(dòng)力并提高了勞動(dòng)效率。但由于技術(shù)水平的限制，本次設(shè)計(jì)的烤房裝煙機(jī)與設(shè)想的自動(dòng)技術(shù)含量高的先進(jìn)機(jī)型仍有一定的差距。

鏈條舉升式裝煙機(jī)的設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的適應(yīng)性和創(chuàng)新性。試驗(yàn)結(jié)果表明，裝煙機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中可替代人工操作，煙夾上架率100%，擺正率91.7%，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性與可靠性，加以改進(jìn)后可以大力推廣到烤房的烤煙生產(chǎn)中。