煙框物流打包機的設計與研究

周 鑫， 楊永發(fā)， 李嘉彬， 王軍超

(西南林業(yè)大學機械與交通學院，云南 昆明 650244)

云南地區(qū)獨特的地理氣候、良好的地理環(huán)境，使云南成為優(yōu)質煙葉的重要產(chǎn)地[1]。煙葉種植已經(jīng)發(fā)展成為云南農(nóng)業(yè)的重要部分，推動云南地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟鏈發(fā)展，成為農(nóng)村的重要經(jīng)濟來源。因此，每年煙葉的收購站點需要收購將近5萬擔煙葉，并且要完成煙葉的打包工作，極大的消耗了人力、物力和財力，對于人力成本和收購周期均會有很大的壓力。在煙葉的運輸以及裝箱儲藏過程中，煙葉打包工序因為煙葉過大，占地空間不足，導致工序自動化程度不高，煙葉在運輸過程中存在體積松散及運輸量小的問題。所以目前煙葉收購站面臨的首要問題就是提高煙葉的儲藏和運輸效率，這取決于打包工序的自動化程度。因此，需要設計研制一種煙葉打包機，可以有效地解決煙葉的存儲及運輸過程中存在的體積松散、運量小等一系列問題，從而降低煙草公司成本，提高其利潤。

針對上述問題，國內部分研究人員開展了關于煙葉打包機的研制工作。侯恩光等[2]研制出搖桿滑塊式上料機構煙葉打包機，其設計使煙葉的儲藏及運輸更為方便；鄧若飛[3]等研制出一種液壓煙葉打包機，實現(xiàn)了煙葉的打包及輸送一體化作業(yè)，提高了煙葉的打包效率及自動化程度；柴國棟等[4]研制出一種輕便式煙葉壓縮機，機器便于移動，適合小范圍作業(yè)，壓縮后體積較小，不易破碎，便于運輸。

綜上所述，國內煙葉打包的機器種類不多，幾乎所使用的煙葉打包機都是液壓壓縮打包機，其特點是有足夠的壓力，并且使煙葉壓縮得更加緊密。但是針對要求把煙葉底部統(tǒng)一朝煙框外部，煙葉的頂部朝煙框內部，其壓縮效率不高，因此設計了一種煙框式打包機。煙框打包機作為一種把體型大的煙葉進行壓縮打包，節(jié)約占地空間、降低勞動強度、節(jié)省運輸費用，在煙葉物流的存儲運輸中起著重要的作用，符合煙站運輸工藝流程，且為同樣需要打包工序的葉類植物提供借鑒。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構和技術參數(shù)

煙框物流打包機主要由3個部分構成，壓煙裝置、稱重裝置、橫向移動裝置，在控制系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)煙葉的稱重及壓縮打包，兩個工位同時工作，縮短工作時間，提高工作效率，其結構示意圖如圖1所示。煙框物流打包機的主要技術參數(shù)見表1。

表1 煙框物流打包機的主要技術參數(shù)

圖1 煙框物流打包機結構示意圖

1.2 工作原理

本設計是利用電機帶動絲杠，通過壓煙裝置將煙葉壓縮成一定體積并通過液壓稱重裝置讀取煙葉重量的設備。由人工操控叉車將煙框精準放到四個煙框定位腳，使得承重架承受煙框重量。通過控制系統(tǒng)，使稱重平臺升起，稱得煙框重量，然后清零。由人工前后兩側向煙框裝煙時，煙葉底部朝外，煙葉頂部朝內，此時另一個工位開始工作。當把煙葉底面一層裝滿時，將煙框展開，裝滿煙葉時，控制系統(tǒng)控制稱重裝置升起，稱出煙葉重量并落下，再由控制系統(tǒng)控制壓煙裝置下壓，完成一次壓煙工作。再由橫向移動裝置使得壓煙裝置移動到另一工位重復第一工位工作，反復稱重、壓煙，前后每個工位進行約3次壓煙工作，直到煙葉重量600 kg，最后由人工操控叉車將裝滿煙葉的煙框運出，完成一次煙框壓縮打包工序。

2 主要設計

2.1 傳動系統(tǒng)

為使整機的設計結構緊湊、安全可靠、運行穩(wěn)定，達到設計的作業(yè)要求，設計選擇動力為2.2 kW、轉速為 1 440 r/min 的伺服電機?？紤]到壓煙裝置需要橫向移動和縱向移動，需要兩個電機，橫向移動電機安裝在機架上部邊緣，縱向移動電機安裝在壓煙裝置上，以提高整機的工作穩(wěn)定性。電機主軸與變速器相連，降速后將動力傳遞給絲杠，電機輸出動力通過絲杠帶動壓煙裝置橫向移動到另一工位和縱向壓煙的過程；稱重裝置通過液壓桿升降，實現(xiàn)稱重和裝煙時煙框與稱重傳感器的分離[5]。整機傳動系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

圖2 煙框物流打包機傳動系統(tǒng)簡圖

2.2 壓煙裝置

壓煙裝置是煙框打包機的重要裝置，其設計的可靠性與穩(wěn)定性對煙框打包機的壓縮打包性能起著決定性的作用。壓縮壓頭由鋼板和矩形管焊接而成，固定在絲杠端部，兩邊安置有兩根導向立柱，起到導向作用。根據(jù)煙框的尺寸，設計壓頭的尺寸為1 650 mm×970 mm，厚度為60 mm，電機控制絲杠帶動壓頭縱向移動，壓力可以通過控制部分調整，絲杠行程可控，增加導向立柱利用壓力分導的原理，有效地避免煙葉被壓碎的情況，且保證了壓縮后煙葉的外觀質量。壓煙裝置結構示意圖如圖3所示。

圖3 壓煙裝置結構示意圖

2.2.1 煙葉打包截面尺寸

壓縮打包的尺寸由煙框決定，打包時連帶煙框一起碼垛裝運，煙框尺寸為1 780 mm×1 070 mm×1 400 mm。煙框結構分為上下兩層，當剛開始裝煙時，為了方便人工裝煙和煙葉的均勻性，上面一層處于閉合狀態(tài)，當煙葉超過煙框一半時便可以展開煙框。煙框結構示意圖如圖4所示。

圖4 煙框結構示意圖

2.2.2 絲杠穩(wěn)定性校核

絲杠為受壓的細長桿，需對其壓穩(wěn)定進行計算，絲杠長度l=1 600 mm，直徑d=80 mm，根據(jù)各方面材料查找最終確定下壓載荷為10 t，其最大壓力為98 kN，先計算其細長比[6]：

(1)

而

(2)

即λ>λ1，應用歐拉公式計算壓穩(wěn)定性的臨界壓力：

(3)

得Pcr=406.3 kN。

2.3 稱重裝置

稱重裝置由剪式升降平臺、稱重傳感器、稱重液壓系統(tǒng)組成。打包機不工作時稱重裝置放置在機架上，由機架受力，稱重傳感器不承受任何重量。當打包機工作時，由液壓系統(tǒng)將剪式升降平臺升起，使稱重傳感器承受煙框和煙葉的重量。在壓縮打包時，由液壓系統(tǒng)將剪式升降平臺放下，使得壓縮重力將壓力傳遞到機架上，避免了稱重傳感器反復承受重量，延長傳感器的使用壽命。液壓升降工作原理如圖5所示。

圖5 液壓系統(tǒng)基本原理圖

液壓系統(tǒng)的工作原理：升降中的液壓油由葉片泵形成一定的壓力，在上升時，電機給單向定量泵提供動力，使單向定量泵抽取油箱中的液壓油，通過單向閥輸送到油缸中，使油缸中的活塞向上運動，從而使煙框上升；在下降時，通過電磁換向閥控制溢流閥溢流，單向閥處上段油壓高于下端油壓，單向閥停止向上輸送液壓油，油缸中上端重物壓力大于下端油壓，電磁換向閥切換至直通位，使液壓油回到油箱，活塞向下運動，從而使煙框下降；當電機停止提供動力時且電磁換向閥處于單向閥位置時，液壓系統(tǒng)內部沒有液壓油的流動，此時升降平臺處于非工作狀態(tài)。此外，為使煙框下降時能夠平穩(wěn)，制動安全可靠，下降速度不受煙框重力而變化，由節(jié)流閥調節(jié)流量，控制下降速度[7]。為了使液壓系統(tǒng)在使用時安全可靠，增加了單向閥，可以起到保壓作用，保證油缸活塞穩(wěn)定，確保機器正常工作。

3 虛擬仿真分析

3.1 三維實體建模

機具由機架、橫向移動裝置、壓煙裝置和稱重裝置4部分組成，包含多個零件。首先用SolidWorks對每個零件進行草圖繪制，然后在特征中生成零件實體，最后把每個裝置的零件添加約束形成一個裝配體。其余連接件由軟件Toolbox中導出，按照國家標準，添加約束進行裝配[8]。

3.2 壓煙裝置有限元分析

機具工作過程中主要的受力裝置是壓煙裝置，其承受自身重力、下壓時的壓力和煙葉的反作用力。因此，壓煙裝置是最容易產(chǎn)生變形的部件，采用有限元軟件分析其在下壓過程中的應力應變情況，驗證其是否滿足應力要求。將壓煙裝置三維模型導入ANSYS軟件Workbench模塊下，點擊generate，設置材料為Q235，密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3，材料的彈性模量E=206 GPa；設置網(wǎng)格單元大小為10 mm，進行3D4面體網(wǎng)格劃分[9]，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，設置壓力大小為98 kN，采用Fixed support方法對壓板添加約束，并采用NXNASTRAN求解器對壓煙裝置進行有限元分析，分析結果如圖6所示，整個壓頭靠近邊緣受力越小，靠近中間受力越大，約為132.21 MPa，小于屈服應力；整個壓頭靠近中間變形最小，越靠近邊緣變形越大，最大變形量約為1.495 mm，滿足設計要求，本設計合理。

圖6 壓煙裝置應力、應變云圖

3.3 模型的運動仿真與分析

運用Solidworks中motion插件進行機構的運動仿真，首先打開Solidworks插件，選中Solidworks motion，插件啟動后在左下方點擊新建運動算例，從模型進入到仿真頁面；在仿真頁面中選擇motion分析，然后對模型添加原動力，給絲杠添加馬達、力等，點擊計算算例[10]，如圖7所示。結果表明壓煙裝置可以正常在兩個工位移動且能正常完成壓煙工作，證明了機具設計的合理性。

圖7 運動仿真圖

4 結論

(1)煙框物流打包機可一次性完成煙葉的壓縮打包、稱重作業(yè)，縮短工作時間，減少人力物力，機具設計合理，可達到了煙站煙葉物流運輸?shù)囊蟆?/p>

(2)稱重裝置的設計，壓煙時傳感器和煙框的分離，避免了傳感器反復承受重力，可以有效地提高傳感器的使用壽命。

(3)通過應力與運動仿真結果表明：機具設計具有合理性和可靠性，填補了云南地區(qū)煙葉物流中煙框打包運輸裝置的空缺，為后續(xù)機具的改進奠定了基礎，同時可推廣至其他葉類植物的打包設計。