鏈條舉升式裝煙機的設計與試驗

林晉立，高麗紅，林盈妤，林欽志，陸要珍

（華南農業大學，廣東 廣州 510642）

0 引言

目前，大多數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。隨著煙葉生產規模化的發展，烤煙生產對雇工的需求越來越大，成為煙葉生產發展的瓶頸。研發烤房煙草裝煙設備是煙草行業可持續規模化生產的必由之路[1]。

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

本研究所設計的鏈條舉升式裝煙機屬于舉升式裝煙設備。其結構設計合理，操作方便，無需對現有的烤房進行改造，能將煙夾運輸到一定高度并放置于煙架上，有效減輕了煙農勞動強度，提高裝煙效率。

1 鏈條舉升式裝煙機的主要結構

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、舉升擺正機構和移動控制系統。

1）機架整體采用6061鋁材，由規格為30 mm×30 mm×1.5 mm的鋁方管焊接而成，左端橫梁均比右端長，以使左側機架與右側錯開，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的重量，并能適應烤房中粉塵污質多等不良條件。

圖1 鏈條舉升式裝煙機結構圖

2）鏈條輸送機構由電機、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、鏈條防護導軌、軸承和豎直煙夾托手構成。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、軸承和舉升托手構成。左右兩組擺正部件的結構相同，均為曲柄搖桿機構，但尺寸不同。

4）移動控制系統主要由液壓升降小車和PLC控制系統組成。

2 舉升式裝煙機鏈條輸送機構

2.1 鏈條輸送機構的結構特點

裝煙機的輸送機構主要由左右兩組輸送部件組成，每組均由鏈輪、鏈條、軸承、鏈條防護導軌、軸承和豎直煙夾托手構成。鏈條安裝在鏈條防護導軌內并帶動上下兩個鏈輪配合轉動；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，且左側鏈輪在右側鏈輪前方；鏈條防護導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鏈節上并隨鏈節移動。左右兩側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生碰撞事故。

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

2.2 鏈條輸送機構的工作原理

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

3 鏈條舉升式裝煙機舉升擺正機構

3.1 舉升擺正機構的結構特點

裝煙機舉升擺正機構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動旋轉；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

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，可以得到對應舉升托手的擺正曲線。本研究通過參考李學榮等[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擺正曲線的對比。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，左側擺正曲線的起點比右側擺正曲線靠前，兩者的終點位置相同，故能實現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，能防止煙夾在擺正過程中發生大距離偏移和掉落。

3.3 舉升擺正機構的工作原理

電機的動力傳遞至左右兩組舉升擺正機構的曲柄，兩組機構中的曲柄以相同的角速度沿同一方向進行旋轉，帶動連桿首端的舉升托手沿預定好的擺正曲線進行工作。兩側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。曲柄搖桿機構的動作滿足以下條件：兩側舉升托手同時起步托起煙夾，右側舉升托手運動至最高點與裝煙機上平面的距離高于左側的相應距離，兩側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

裝煙機移動控制系統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。腳踩增壓搖臂驅動液壓油缸實現平臺上升，旋轉卸壓閥卸壓從而降低平臺高度。升降平臺能實現上層和中層煙架的裝煙。裝煙機的控制系統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。

外部控制設備主要由7個開關組成，分別是限位開關、接近開關和按鈕。其中，上限位開關接入常開，下限位開關接入常閉；曲柄復位與限位均用接近開關控制，復位開關接入常閉，限位開關接入常開；復位按鈕與啟動按鈕均為點動開關；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位操作，按下復位按鈕后，曲柄與豎直輸送托手回復原位；放上煙夾，豎直輸送托手通過鏈條帶動向上升起，觸碰上限位開關后停止；與此同時，曲柄轉動，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處停止；左右兩側舉升托手將煙夾放置于煙架并回復原位。根據接線圖及裝煙機的動作順序，編寫裝煙機動作過程的狀態轉移圖如圖5所示，將程序燒錄于PLC控制器中即可實現對裝煙機工作的自動控制。

圖5 裝煙機運行狀態轉移圖

5 裝煙機試驗設計

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，啟動復位按鈕，等待裝煙機復位后把煙夾放置于豎直煙夾托手，開始試驗并記錄數據。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與擺正次數分別用N上架、N擺正表示。

增加煙夾質量，每次增加5 kg，得到6組質量值分別為5 kg、10 kg、15 kg、20 kg、25 kg、30 kg，重復進行試驗，記錄試驗數據如表1所示[5]。

表1 裝煙機試驗數據

試驗結果表明：

1）裝煙機對6種不同質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）質量在5 kg～30 kg范圍內的煙夾均能上架，上架率為100%；質量在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

鏈條舉升式裝煙機可實現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。但由于技術水平的限制，本次設計的烤房裝煙機與設想的自動技術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計有很強的適應性和創新性。試驗結果表明，裝煙機在實際生產中可替代人工操作，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中。