鏈條舉升式裝煙機的設(shè)計與試驗

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，整個過程需要一個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，不僅勞動強度大，工作效率低，對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)對雇工的需求越來越大，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)?；a(chǎn)的必由之路[1]。

近年來，國內(nèi)外對烤房裝煙機的研究逐漸增多，國內(nèi)研究成果大多可分為移動式烘烤架裝煙設(shè)備和舉升式裝煙設(shè)備。張大斌等[2]研發(fā)設(shè)計了一種煙葉運烤一體化密集烤房烘烤結(jié)構(gòu)。移動式烘烤架裝煙設(shè)備大多數(shù)需要對現(xiàn)有烤房進行升級改造，前期設(shè)施費用投入大，對煙農(nóng)造成經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，不適合大面積推廣。聶威等[3]設(shè)計發(fā)明了一種移動式煙夾舉升機。舉升式裝煙設(shè)備投入成本相對較低，裝置模仿人工裝煙過程，設(shè)計時可規(guī)劃舉升路徑來避免與煙架發(fā)生碰撞，使用起來較為方便，相比移動式烘烤架裝煙設(shè)備更容易推廣。

本研究所設(shè)計的鏈條舉升式裝煙機屬于舉升式裝煙設(shè)備。其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，操作方便，無需對現(xiàn)有的烤房進行改造，能將煙夾運輸?shù)揭欢ǜ叨炔⒎胖糜跓熂苌?，有效減輕了煙農(nóng)勞動強度，提高裝煙效率。

1 鏈條舉升式裝煙機的主要結(jié)構(gòu)

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

1）機架整體采用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，以使左側(cè)機架與右側(cè)錯開，如圖1所示。鋁材強度中等，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 鏈條舉升式裝煙機結(jié)構(gòu)圖

2）鏈條輸送機構(gòu)由電機、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、鏈條防護導(dǎo)軌、軸承和豎直煙夾托手構(gòu)成。左右兩組鏈輪傳動比相同，由同一電機帶動。

3）舉升擺正機構(gòu)由電機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，均為曲柄搖桿機構(gòu)，但尺寸不同。

4）移動控制系統(tǒng)主要由液壓升降小車和PLC控制系統(tǒng)組成。

2 舉升式裝煙機鏈條輸送機構(gòu)

2.1 鏈條輸送機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點

裝煙機的輸送機構(gòu)主要由左右兩組輸送部件組成，每組均由鏈輪、鏈條、軸承、鏈條防護導(dǎo)軌、軸承和豎直煙夾托手構(gòu)成。鏈條安裝在鏈條防護導(dǎo)軌內(nèi)并帶動上下兩個鏈輪配合轉(zhuǎn)動；左右兩組鏈輪傳動比相同，每組鏈輪分別安裝在固定于機架前部的兩個軸承上，且左側(cè)鏈輪在右側(cè)鏈輪前方；鏈條防護導(dǎo)軌以一定的傾角裝在機架前部，在鏈條運輸過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，延長其使用壽命。

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。左右兩側(cè)豎直煙夾托手在上下移動的過程中保持平齊，其連線與豎直面成一定角度，可有效防止因煙夾過長而在上升過程中與煙架發(fā)生碰撞事故。

電機安裝于下側(cè)機架，輸出軸與減速箱相連。減速箱右側(cè)通過聯(lián)軸器與右側(cè)下方的鏈輪直接相連，左側(cè)則通過鏈輪、鏈條與左側(cè)下方的鏈輪相連，從而帶動左右兩組輸送部件同時同向運動。

2.2 鏈條輸送機構(gòu)的工作原理

電機的動力通過聯(lián)軸器、鏈條等形式傳遞至左右兩組輸送部件，驅(qū)動兩組輸送部件的鏈條動作，鏈條帶動固定于鏈節(jié)上的豎直煙夾托手沿防護導(dǎo)軌方向運動。煙夾放置在左右兩側(cè)豎直托手上，通過控制電機正反轉(zhuǎn)的方式來控制豎直托手的上升與下降，進而實現(xiàn)將煙夾輸送至烤房高處與機器復(fù)位的功能。

3 鏈條舉升式裝煙機舉升擺正機構(gòu)

3.1 舉升擺正機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點

裝煙機舉升擺正機構(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架的軸承上受電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)；擺桿一端與連桿尾端鉸接，另一端安裝在固定于機架的軸承上；舉升托手與連桿首端鉸接并通過煙夾托手支撐桿與擺桿相連，如圖2所示。左右兩側(cè)舉升托手在運動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，與之對應(yīng)的舉升托手在空中所走過的路程和擺正曲線也不同。

圖2 舉升擺正機構(gòu)

3.2 舉升托手的擺正曲線

為配合煙夾在空間的運動，必須控制左右兩組擺正部件的尺寸。通過更改兩組擺正部件的尺寸，可以得到對應(yīng)舉升托手的擺正曲線。本研究通過參考李學(xué)榮等[4]編制的《連桿曲線圖譜》一書并利用計算機三維軟件建模、運動分析，進行了不同尺寸下舉升托手?jǐn)[正曲線的對比。通過多次建模與仿真，選取如圖3所示曲線作為本裝煙機舉升托手的擺正曲線。

圖3 擺正曲線

在擺正曲線中，左側(cè)擺正曲線的起點比右側(cè)擺正曲線靠前，兩者的終點位置相同，故能實現(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，過渡平穩(wěn)，能防止煙夾在擺正過程中發(fā)生大距離偏移和掉落。

3.3 舉升擺正機構(gòu)的工作原理

電機的動力傳遞至左右兩組舉升擺正機構(gòu)的曲柄，兩組機構(gòu)中的曲柄以相同的角速度沿同一方向進行旋轉(zhuǎn)，帶動連桿首端的舉升托手沿預(yù)定好的擺正曲線進行工作。兩側(cè)舉升托手同時運送至煙夾處并將煙夾托起，進而帶動煙夾做圖3所示的擺線運動。曲柄搖桿機構(gòu)的動作滿足以下條件：兩側(cè)舉升托手同時起步托起煙夾，右側(cè)舉升托手運動至最高點與裝煙機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 鏈條舉升式裝煙機移動控制系統(tǒng)

裝煙機移動控制系統(tǒng)主要由液壓升降小車和PLC控制器組成。裝煙機機架固定在液壓升降小車上，液壓升降小車底部有車輪，主要完成裝煙機的前后上下移動。腳踩增壓搖臂驅(qū)動液壓油缸實現(xiàn)平臺上升，旋轉(zhuǎn)卸壓閥卸壓從而降低平臺高度。升降平臺能實現(xiàn)上層和中層煙架的裝煙。裝煙機的控制系統(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個輸入口和12個輸出口，輸入電源為220 V交流電，同時自帶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個開關(guān)組成，分別是限位開關(guān)、接近開關(guān)和按鈕。其中，上限位開關(guān)接入常開，下限位開關(guān)接入常閉；曲柄復(fù)位與限位均用接近開關(guān)控制，復(fù)位開關(guān)接入常閉，限位開關(guān)接入常開；復(fù)位按鈕與啟動按鈕均為點動開關(guān)；急停按鈕為動斷按鈕，如圖4所示。

圖4 PLC接線圖

裝煙機動作順序：啟動裝煙機前要進行復(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，豎直輸送托手通過鏈條帶動向上升起，觸碰上限位開關(guān)后停止；與此同時，曲柄轉(zhuǎn)動，舉升托手托起煙夾；煙夾離開豎直輸送托手后，托手下降至下限位開關(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)接線圖及裝煙機的動作順序，編寫裝煙機動作過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示，將程序燒錄于PLC控制器中即可實現(xiàn)對裝煙機工作的自動控制。

圖5 裝煙機運行狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

5 裝煙機試驗設(shè)計

為驗證鏈條舉升式裝煙機的可靠性能，利用裝有煙架的烤房為平臺對裝煙機進行試驗。將液壓小車推進烤房并升至合適的高度，啟動復(fù)位按鈕，等待裝煙機復(fù)位后把煙夾放置于豎直煙夾托手，開始試驗并記錄數(shù)據(jù)。對煙夾進行10次試驗，可測得煙夾的10次上升時間與擺正時間，其平均值分別用T上升、T擺正表示。10次試驗中煙夾的上架次數(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)進行試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)如表1所示[5]。

表1 裝煙機試驗數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果表明：

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

2）裝煙機裝一次煙夾用時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)

鏈條舉升式裝煙機可實現(xiàn)在狹小烤房中對煙夾的輸送與擺正，極大地減輕了勞動力并提高了勞動效率。但由于技術(shù)水平的限制，本次設(shè)計的烤房裝煙機與設(shè)想的自動技術(shù)含量高的先進機型仍有一定的差距。

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