陳代明 陳瑜欣 秦平偉 付小秋 吳樹成¤, 謝守勇 張小亮

1.重慶煙草公司彭水分公司，重慶北碚

2.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶北碚

0 引言

烤煙是我國也是世界上栽培面積最大的煙草類型[1]，對(duì)種植、運(yùn)輸、裝卸、烘烤等環(huán)節(jié)都有嚴(yán)格的技術(shù)要求，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的加快、人力成本的提高以及烤房內(nèi)作業(yè)難度的加大，采用智能烤煙升降機(jī)器是非常有必要的。目前，我國的烤煙房多是整體的樓板結(jié)構(gòu)，烤煙房內(nèi)分為左右兩側(cè)，每側(cè)分別為三層鋼軌結(jié)構(gòu)，第一、第二、第三鋼軌高度分別為1.30 m、2.10 m、2.90 m[2]。多數(shù)烤房是靠人工將煙夾舉升放置到烤房的烤架上，裝滿煙葉的煙夾重約15～20 kg，將煙夾舉至約3.00 m高的烤房煙架上，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高，并且存在著很大的安全隱患。

國外大多使用叉車將煙草運(yùn)送至烤房，該方式需要配套相應(yīng)的烤房和大箱式裝煙設(shè)備來使用，不適合在國內(nèi)目前普遍應(yīng)用的密集烤房中進(jìn)行推廣使用[3]。隨著煙葉生產(chǎn)規(guī)?；陌l(fā)展，烤煙生產(chǎn)對(duì)雇工的需求也越來越大，缺乏能適應(yīng)高強(qiáng)度作業(yè)的壯年勞動(dòng)力，已成為煙葉生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸。聶威[4]等設(shè)計(jì)發(fā)明了一種移動(dòng)式煙夾舉升機(jī)，通過下立桿與中立桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)煙夾的提升。但存在裝置載物臺(tái)寬度過大，進(jìn)入和在烤房內(nèi)行走困難，且沒有傾斜機(jī)構(gòu)等問題，導(dǎo)致煙夾在升降過程中容易被角鋼阻擋，無法裝煙。根據(jù)對(duì)烤房結(jié)構(gòu)的研究、對(duì)烤煙過程的技術(shù)要求和裝煙功能的分析，在不改動(dòng)烤房結(jié)構(gòu)的前提下，現(xiàn)設(shè)計(jì)出一款智能烤煙升降機(jī)，以48 V直流電池作為整機(jī)動(dòng)力來源，避免了用燃油為動(dòng)力源造成對(duì)煙葉的損傷和對(duì)烤房的污染，采用直流電機(jī)和電動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)升降功能，絲桿滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)，既能保證煙夾能準(zhǔn)確到達(dá)位置，又能使機(jī)器退出烤房。智能烤煙升降機(jī)通過PLC控制系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)機(jī)器的裝煙、行走、上升、放煙、下降、退出能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，使整個(gè)機(jī)器不受烤房內(nèi)部結(jié)構(gòu)的約束，對(duì)煙葉也沒有損傷，能夠達(dá)到預(yù)期的效果。

1 總體方案

烤煙房內(nèi)結(jié)構(gòu)特殊，作業(yè)空間狹小，如圖1所示，這種空間結(jié)構(gòu)限制了叉車式升降機(jī)直接應(yīng)用到烤房內(nèi)部，由于烤房內(nèi)第一、第三層鋼軌高度分別為1.30 m、2.90 m，單個(gè)升降機(jī)構(gòu)很難達(dá)到其高度，故采用二級(jí)升降機(jī)構(gòu)，第一級(jí)使用電機(jī)帶動(dòng)鏈條升降，第二級(jí)采用油缸實(shí)現(xiàn)升降。煙夾兩端分別位于兩側(cè)導(dǎo)軌，兩導(dǎo)軌外端面相距1.35 m，內(nèi)端面為1.27 m，而煙夾長度為1.32 m，故鋼軌內(nèi)端面之間的距離小于煙夾長度，煙夾在上升過程中必然受到阻擋，無法放煙?，F(xiàn)設(shè)計(jì)升降機(jī)在水平位置上，可以實(shí)現(xiàn)一側(cè)的傾斜，使煙夾水平方向的投影長度小于1.27 m，從而實(shí)現(xiàn)煙夾的升降。此外，每桿煙下部由于煙葉疏松的原因，其寬度為250 mm，因此，在裝煙和卸煙的過程中，煙夾兩支撐桿之間的距離須保持在250 mm，故而采用正反螺紋絲桿。

圖 1 烤煙房結(jié)構(gòu)示意圖

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文研制的烤煙升降裝置如圖2所示，主要由底部平臺(tái)、升降裝置、烤煙裝卸裝置等部分組成。底部平臺(tái)起支撐和運(yùn)輸作用，烤煙裝卸裝置配合升降裝置完成烤煙的精確升降與放置，烤煙裝卸裝置由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和夾煙機(jī)構(gòu)兩部分組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由連接板、絲桿、光軸導(dǎo)軌、直流減速電機(jī)、電動(dòng)推桿等組成；夾煙機(jī)構(gòu)主要由夾煙桿，內(nèi)置雙軸導(dǎo)軌、正反螺紋絲桿、減速電機(jī)等組成。

2.1 工作原理

智能烤煙升降機(jī)裝置主要實(shí)現(xiàn)整機(jī)的升降和烤煙的裝卸，如圖3所示，對(duì)于升降機(jī)構(gòu)，直流電機(jī)經(jīng)減速器將動(dòng)力輸出，通過傳動(dòng)軸上的鏈輪，帶動(dòng)鏈條旋轉(zhuǎn)，二級(jí)油缸升降裝置通過螺栓與鏈條連接實(shí)現(xiàn)上升與下降，當(dāng)鏈條傳動(dòng)達(dá)到最高位置時(shí)，電動(dòng)油缸啟動(dòng)，油缸推動(dòng)鏈條向上移動(dòng)，整個(gè)載煙平臺(tái)向上移動(dòng)，達(dá)到指定的高度。同理，電機(jī)翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)下降功能。

烤煙裝卸機(jī)構(gòu)通過左右移動(dòng)、前后移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，其中，左右移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要解決整個(gè)升降機(jī)在運(yùn)送和升降煙葉過程中，由于作業(yè)空間的狹小和烤房兩導(dǎo)軌的阻擋，以及行走過程中電動(dòng)小車無法保證位置的居中，從而通過安裝在內(nèi)置雙軸導(dǎo)軌兩側(cè)的傳感器，來檢測兩端的距離，再通過電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿上的螺母座與前連接板相連接，將扭矩傳遞至與前板連接的兩個(gè)光軸滑塊上，使前連接板左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使整個(gè)載煙平臺(tái)左右移動(dòng)。前后移動(dòng)主要解決煙夾的傾斜和夾煙桿的開和閉，裝煙和放煙時(shí)，左右兩個(gè)直流電機(jī)同時(shí)工作，帶動(dòng)正反螺紋絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，將扭矩傳遞至與螺母座連接的連桿上，連桿帶動(dòng)滑塊在內(nèi)置雙導(dǎo)軌上移動(dòng)，從而使1、3、5和2、4、6夾煙桿相向或相反移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾煙和放煙的動(dòng)作。此外，傾斜機(jī)構(gòu)主要解決煙夾長度大于兩導(dǎo)軌內(nèi)端面距離的問題（水平放置的煙夾在上升過程中，會(huì)被導(dǎo)軌所阻擋），故通過電動(dòng)推桿將一邊的夾煙桿推動(dòng)向前，使得煙夾水平投影小于導(dǎo)軌內(nèi)端面距離，保證上升的順利。

圖 2 烤煙升降機(jī)示意圖

圖 3 烤煙升降機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

3 結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)

智能烤煙升降機(jī)各部分設(shè)計(jì)時(shí)遵循實(shí)用性原則，在不改動(dòng)烤煙房結(jié)構(gòu)的前提下和滿足工作需求的基礎(chǔ)上，兼顧使用性、耐磨性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。

3.1 升降裝置

目前，我國的烤煙房多為密集型，烤煙房內(nèi)分為左右兩側(cè)，每側(cè)分別為三層鋼軌結(jié)構(gòu)，第一、第二、第三層鋼軌高度分別為1.30 m、2.10 m、2.90 m，烤煙采用懸掛式模式，國內(nèi)叉車式液壓升降機(jī)舉升高度為1.60 m左右，無法直接滿足高度要求，故采用二級(jí)升降系統(tǒng)，如圖4所示，其第一級(jí)使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈條實(shí)現(xiàn)升降，升降高度為1.80 m，第二級(jí)使用電動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充升降，升降高度為0.60 m，目前升降總高度為2.40 m，又因煙葉本身有0.80 m的長度，故夾煙桿為0.80 m長，使得總高度達(dá)到3.20 m。

圖 4 升降裝置

第一級(jí)升降裝置采用工字型鋁，第二級(jí)升降裝置采用U型鋁。第二級(jí)升降裝置通過鋁板焊接與第一級(jí)升降裝置連接，并通過裝配在鋁板上的軸承實(shí)現(xiàn)在一級(jí)裝置的上下滑動(dòng)。此外，煙夾兩端分別位于兩側(cè)導(dǎo)軌，兩導(dǎo)軌內(nèi)端面為1.27 m，為保證升降機(jī)能夠順利通過整個(gè)烤房，故將升降機(jī)橫向尺寸定為700 mm。

3.2 烤煙裝卸機(jī)構(gòu)

目前，國內(nèi)各煙草公司基本采用煙夾夾持煙葉吊裝烘烤，已經(jīng)公開的、公告號(hào)為CN103416837 B的煙葉分離式穿針裝煙懸掛裝置，其長1 320 mm、寬115 mm、高10 mm，在編煙完成后，整桿煙的高度為900 mm，寬度為250 mm，重14 kg左右。煙夾兩端距煙葉為10 mm，故一般舉升機(jī)構(gòu)無法直接承載煙夾，并且在運(yùn)輸過程中對(duì)煙葉有較大的損傷，根據(jù)以上數(shù)據(jù)要求，現(xiàn)對(duì)整個(gè)煙夾夾取與投放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：每個(gè)煙夾有4個(gè)長800 mm的L型桿支撐，如圖5所示，上端面長87 mm、寬20 mm、厚6 mm，其與煙夾接觸，下端面通過螺栓與內(nèi)置雙軸滑塊連接，兩桿之間距離為250 mm，并將1、3、5 L型桿和2、4、6 L型桿分別通過傳動(dòng)桿連接在一起。在裝煙和放煙的過程中，為避免對(duì)煙葉的刮傷，夾取機(jī)構(gòu)兩者之間的距離需為250 mm，故選取直徑為12 mm的正反螺紋絲桿兩個(gè)，左絲桿螺母座通過連接件與1、3、5L型傳動(dòng)桿連接，右絲桿螺母座與2、4、6L型傳動(dòng)桿連接。電機(jī)選取12 V、600 W、1 000轉(zhuǎn)直流電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，兩螺母座相向運(yùn)動(dòng)，兩夾煙桿合上；電機(jī)反轉(zhuǎn)，兩螺母座背向運(yùn)動(dòng)，兩夾煙桿分離。從而精確實(shí)現(xiàn)煙夾的夾取與投放。目前，載煙平臺(tái)長1.60 m、寬0.46 m，可以同時(shí)裝3桿煙，提高了烤煙裝卸的效率。

圖 5 烤煙裝卸機(jī)構(gòu)

前文所提，由于烤房內(nèi)兩導(dǎo)軌內(nèi)端面為1.27 m，導(dǎo)軌寬40 mm，而煙夾長1.32 m，故煙夾水平放置在運(yùn)輸和上升的過程中會(huì)受阻擋，導(dǎo)致機(jī)器無法作業(yè)。因此，使整個(gè)煙夾傾斜一個(gè)角度，使得水平投影長度為1.20 m，兩端預(yù)留足夠的距離，能將整個(gè)升降機(jī)運(yùn)輸速度、效率提高很多。根據(jù)以上要求，現(xiàn)設(shè)計(jì)一款傾斜機(jī)構(gòu)，煙夾一端可以前后運(yùn)動(dòng)，另一端固定不動(dòng)，現(xiàn)在載煙平臺(tái)右邊設(shè)計(jì)導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)，將電機(jī)、絲桿支撐座通過螺栓連接在滑塊上，采用24 V、行程400 mm的電動(dòng)推桿與絲桿支撐座連接在一起。

4 控制系統(tǒng)

智能烤煙升降機(jī)要實(shí)現(xiàn)不同的行走速度，第一級(jí)和第二級(jí)升降高度，電動(dòng)推桿的行程控制，煙夾夾取與投放精準(zhǔn)控制，以及左右距離調(diào)整，需要一套完整的控制系統(tǒng)來完成。本文設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)分為3個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，小車控制系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、夾煙系統(tǒng)。小車控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)、倒退、速度變換以及照明，調(diào)速電機(jī)接48 V電源，通過轉(zhuǎn)把實(shí)現(xiàn)調(diào)速。升降系統(tǒng)由48 V直流電機(jī)和油缸電機(jī)實(shí)現(xiàn)，電源通過直流接觸器與電機(jī)連接，并分別設(shè)置上升和下降鍵，通過繼電器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，而載煙臺(tái)左右移動(dòng)通過安裝在兩導(dǎo)軌上的傳感器，接收到信號(hào)后，通過PLC自動(dòng)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。夾煙系統(tǒng)有兩個(gè)直流電機(jī)，1個(gè)電動(dòng)推桿，而且都要實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，左邊電機(jī)設(shè)置兩個(gè)按鈕開關(guān)（即開、閉按鈕），右邊電機(jī)設(shè)置兩個(gè)按鈕（即開、閉按鈕），電動(dòng)推桿設(shè)計(jì)兩個(gè)按鈕，（即前進(jìn)和倒退按鈕）。

5 裝煙試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的烤煙升降裝置實(shí)際裝煙效果，優(yōu)化該設(shè)計(jì)，在2020年烤煙季節(jié)，前往貴州省畢節(jié)市威寧烤煙基地，現(xiàn)場進(jìn)行了20次裝煙試驗(yàn)，從編煙、裝煙、進(jìn)烤房、上升、放煙、下降、推煙、退出等8個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了試驗(yàn)。在編煙環(huán)節(jié)，主要是農(nóng)民通過編煙機(jī)將煙葉編進(jìn)煙夾，編好的煙放置于專門的架子上，這樣方便升降機(jī)直接裝煙。

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)5組對(duì)照組，第一組為烤煙升降機(jī)在不裝煙的情況下，對(duì)以上8個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄了相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖6所示。第二組為烤煙升降機(jī)裝3桿空煙夾的情況，本對(duì)照組具有很好的參考價(jià)值，并進(jìn)行了3次試驗(yàn)，在進(jìn)入烤房時(shí)，傾斜的角度為22°，電動(dòng)推桿推動(dòng)的距離為312 mm一定時(shí)，由于每次小車行走的位置有所變動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致偏向某一側(cè)，每次通過左右調(diào)整實(shí)現(xiàn)居中，居中后的煙夾距離烤房兩側(cè)為50 mm。第三組為烤煙升降機(jī)在裝1桿煙的情況，試驗(yàn)3次，先裝第三層，再裝第二層，最后裝第一層，3次試驗(yàn)都順利完成。第四組為烤煙升降機(jī)在裝兩桿煙的情況，試驗(yàn)3次，分別裝第一、第二、第三層。本組試驗(yàn)在第三層裝上煙的情況下，裝第二層，觀察其對(duì)升降機(jī)的影響，與第三組進(jìn)行比較；在裝煙過程中，正反螺紋絲桿同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，第一和第二夾煙桿同時(shí)抓取煙夾，抓取比較精確和穩(wěn)定，在上升過程中，能夠穩(wěn)定和精確地到達(dá)位置。第五組為烤煙升降機(jī)在裝3桿煙的情況下，試驗(yàn)3次，本對(duì)照組相對(duì)于第二和第四組試驗(yàn)，也是整個(gè)裝煙機(jī)理論所要求的裝煙重量，3桿煙總重36 kg，每桿煙之間距離為160 mm，傾斜時(shí)，最遠(yuǎn)距離為1.57 m，整個(gè)裝置比較穩(wěn)定，行走和升降都可順利實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。以上5組試驗(yàn)，都達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，整個(gè)裝置運(yùn)行比較穩(wěn)定。

6 結(jié)論

智能烤煙升降機(jī)整體結(jié)構(gòu)采用T5鋁合金，經(jīng)過36次試驗(yàn)，并在承受3桿煙的情況下，整體結(jié)構(gòu)未見變形，整個(gè)裝置運(yùn)行穩(wěn)定、靈活，一方面相比于鋼材料，整機(jī)輕便；另一方面，整個(gè)機(jī)器更加耐磨和不易生銹。在行走過程中，整體平穩(wěn)，未有煙夾掉落的情況，在進(jìn)烤房時(shí)，兩邊傳感器傳輸信號(hào)能夠精確地使煙夾位于中央，符合理論設(shè)計(jì)要求。

圖 6 智能烤煙升降裝置樣機(jī)第一組試驗(yàn)圖

圖 7 智能烤煙升降裝置樣機(jī)第五組試驗(yàn)圖

通過電機(jī)帶動(dòng)鏈條、油缸推動(dòng)鏈條能夠精確實(shí)現(xiàn)不同層的升降，整個(gè)升降過程未見卡死現(xiàn)象，各滑動(dòng)件通過軸承滾動(dòng)，從而摩擦力很小。通過試驗(yàn)，傾斜式裝煙的方法是完全可行的。

以3桿煙為標(biāo)準(zhǔn)的裝煙裝置，成功實(shí)現(xiàn)了第三層、第二層、第一層，效率大大提高，節(jié)省人力和時(shí)間。