侯恩光

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364021)

煙葉打包機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真

侯恩光

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364021)

針對(duì)煙葉打捆機(jī)的自動(dòng)化程度和安全性不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的煙葉打包機(jī)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。最后，通過(guò)SolidWorks Motion分析模塊對(duì)煙葉打包機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算的正確性。

煙葉打包機(jī)；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)分析

煙葉打包機(jī)是用于將煙葉壓縮、打包的設(shè)備。目前，煙葉打包機(jī)是煙站和煙農(nóng)收儲(chǔ)煙葉并成堆擺放的關(guān)鍵設(shè)備，以利于成批運(yùn)輸和儲(chǔ)存，減少后續(xù)工作量。[1]52-53因此，研制合理、有效的煙葉打包機(jī)，解決煙站和煙農(nóng)快速打包的難題，對(duì)實(shí)現(xiàn)煙葉儲(chǔ)存和運(yùn)輸都具有實(shí)際意義。

本研究在滿足使用性能的前提下，綜合考慮使用環(huán)境、維護(hù)成本、行走方便和結(jié)構(gòu)緊湊等因素，設(shè)計(jì)出尺寸合理、結(jié)構(gòu)緊湊、能滿足使用要求的煙葉打包機(jī)。

1 煙葉打包機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煙葉打包機(jī)的生產(chǎn)工藝過(guò)程是打開上料門，人工將麻繩、麻片、煙葉等放入儲(chǔ)料箱，再稱重計(jì)量，計(jì)量完成后，關(guān)閉上料門，啟動(dòng)主油缸開始?jí)嚎s，壓縮完成后，手動(dòng)捆包，捆包完成后，自動(dòng)翻包，開始下一包的打包。煙葉打包機(jī)三維模型，如圖1所示。

1.1 上料門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

上料門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的是油缸驅(qū)動(dòng)的搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，活塞桿伸出，推動(dòng)上料門繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，開啟上料門，運(yùn)動(dòng)到極限位置后，開始上料。[2]24-26為了便于人工上料，整機(jī)高度約900mm，適宜于一般高度的成年人使用。

該搖桿滑塊機(jī)構(gòu)充分利用了打包機(jī)的上部空間，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工、安裝和維修。結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。圖中，L3為驅(qū)動(dòng)油缸所在桿的桿長(zhǎng)，L5為料箱高度，L4為上料箱門開啟角度達(dá)到75度以上安裝偏移距離，L1為上料箱門繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力臂。

由圖2上料門的虛線所示位置為初始位置的幾何關(guān)系，在三角形L1、L2、L3，用余弦定理可得：

在三角形L2、L4、L5中，θ角可表示為:

由圖2上料門的實(shí)線所示位置為終點(diǎn)位置的幾何關(guān)系，在三角形L1、L2、L3，用余弦定理可得：

通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，可得各桿的長(zhǎng)度，如表1所示。

1.2 翻包機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

煙葉壓縮、打包完成后，需要將煙包翻出箱體并運(yùn)走，人工翻包費(fèi)力、費(fèi)時(shí)，所以設(shè)計(jì)了自動(dòng)翻包機(jī)構(gòu)。

箱體的底板分為兩部分，一部分直接與箱體焊接，另一部分與尾擋板焊接，在與箱體鉸接，在尾檔板上安裝兩個(gè)翻包油缸。在打包機(jī)工作時(shí)，翻包油缸活塞桿收回，完成煙葉壓縮，手工捆扎完成后，翻包油缸活塞桿伸出，煙包翻出箱體。結(jié)構(gòu)尺寸圖如圖3所示。

2 模型的運(yùn)動(dòng)仿真與驗(yàn)證

本文運(yùn)用Solidworks Motion運(yùn)動(dòng)分析模塊對(duì)煙葉打包機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真，從物理上驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性；并把仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)果的正確性。

2.1 Motion分析設(shè)置

(1)打開煙葉打包機(jī)裝配體。在Solidworks主界面下，選擇【工具】——【插件】，在SOLIDWORKS Motion插件前打勾，[3-4]如圖4所示。

(2)新建運(yùn)動(dòng)算例。為運(yùn)動(dòng)仿真添加引力，設(shè)定引力的方向、大小。

(3)添加實(shí)體接觸。為裝配體的組件添加實(shí)體接觸，防止運(yùn)動(dòng)構(gòu)建產(chǎn)生干涉。如圖5所示。

(4)添加作用力和線性阻尼

為運(yùn)動(dòng)油缸添加推力，在Motion工具欄中，選擇力【力】按鈕，打開圖6所示的對(duì)話框，分別設(shè)置力的作用面、作用方向及相對(duì)位置。力的大小按系統(tǒng)壓力10Mpa，計(jì)算出系統(tǒng)推力為19625N。

油缸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，要求油缸運(yùn)動(dòng)的阻尼力不大于0.3Mpa，由于打包機(jī)采用的油缸直徑較小，設(shè)定阻尼力為0.1Mpa，系統(tǒng)租力為196.25N，阻尼設(shè)置如圖7所示。

2.2 上料門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

單擊Motion運(yùn)動(dòng)分析欄上的【計(jì)算算例】，運(yùn)算完成后，單擊【結(jié)果和圖解】按鈕，生成計(jì)算結(jié)果圖表。當(dāng)上料箱液壓缸工作時(shí)，上料箱的開度曲線如圖8所示。從0度初始位置，最大開度為75.27度。

由圖2機(jī)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算出的開度曲線如圖9所示。仿真曲線與優(yōu)化計(jì)算曲線基本一致，最大開度為75.22度。

2.3 翻包機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

在翻包液壓缸活塞桿之間的移動(dòng)副上添加運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬翻包機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。當(dāng)翻包機(jī)構(gòu)打開時(shí)，活塞桿處于伸出狀態(tài)，仿真結(jié)果如圖10所示。其角度從-90°變到4°，翻轉(zhuǎn)的角度為94°，且翻轉(zhuǎn)時(shí)不與機(jī)架發(fā)生干涉。該仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致。

結(jié)束語(yǔ)

煙葉打包機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)煙葉的壓縮成塊，打包翻包的工作，方便了煙葉的儲(chǔ)存和運(yùn)輸。運(yùn)用Solidworks Motion分析模塊對(duì)煙葉打包機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果的正確性，從物理上證實(shí)了機(jī)構(gòu)能達(dá)到運(yùn)動(dòng)效果。通過(guò)實(shí)際使用驗(yàn)證，打包機(jī)操作方便，工作效率高，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，打包尺寸和效率均有很大提升，一致性好。

[1]楊尚明，騰春富，等．一種半自動(dòng)煙葉打包機(jī)的技術(shù)改造與研究[J]．農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2015(10).

[2]陳科，楊學(xué)軍，顏華．基于Matlab的取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(Z1).

[3]陳超祥．SolidWorks Motion 運(yùn)動(dòng)仿真教程[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4]張晉西，蔡維，譚芬．SolidWorks Motion機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)例教程[M]．清華大學(xué)出版社，2013.

Class No.:TS43 Document Mark：A

(責(zé)任編輯：宋瑞斌)

Design and Simulations for Tobacco Packaging Machine

Hou En’guang

(Minxi Vocational & Technical College, Longyan, Fujian 364021，China)

Aiming at the existing problems of the low-level automation and security of tobacco baler, a simple and reliable mechanism was designed. We carried out structural design, 3D modeling and kinematic analysis. Finally, by using SolidWorks motion analysis module to study the simulation of the working process of the tobacco machine, we verified the correctness of the kinematics calculations.

tobacco packaging machine；mechanical design；kinematic analysis

侯恩光，講師，碩士，閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院。研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

福建省中青年教師科研資助項(xiàng)目(項(xiàng)目號(hào): JAT160886)。

1672-6758(2017)03-0025-3

TS43

A