趙炬煒，楊永發(fā)，戴思行，樊明東

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

煙草行業(yè)是云南省重要的支柱產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)的煙葉運(yùn)輸方式是通過人工分揀整理煙葉；采用麻袋進(jìn)行包裝，導(dǎo)致容易出現(xiàn)打包凌亂、煙葉破損、儲存不便以及人力資源的較大浪費(fèi)，于是采用機(jī)械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)煙葉打包作業(yè)。近年來通過對外國先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)和吸收，在煙葉打包機(jī)械設(shè)備技術(shù)已經(jīng)取得長足進(jìn)步。但是相比于國外更加高效化、智能化和自動化的機(jī)械設(shè)備仍存在一定差距。國內(nèi)現(xiàn)存的部分打包壓煙機(jī)械存在壓力不均勻、壓煙形狀多樣、壓板工作時不穩(wěn)定等問題，使得打包效率大幅降低，影響物流過程中的運(yùn)輸效率。本文基于該問題進(jìn)行解決方案的設(shè)計，該設(shè)計采用由電力驅(qū)動達(dá)到可移動的機(jī)械結(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)在壓板進(jìn)行壓煙工作過程時雙工位的交替壓煙作業(yè)，不僅增強(qiáng)了壓煙時的穩(wěn)定性同時實現(xiàn)煙葉的高效率打包。

1 移動裝置的總體設(shè)計

1.1 壓板移動裝置的設(shè)計

針對提高煙葉打包物流而設(shè)計的雙工位煙框物流打包機(jī)，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。打包機(jī)作業(yè)時壓板裝置首先位于雙工位的一側(cè)，壓板下壓至指定高度從而使處于煙框中的煙葉得到壓縮；其煙框結(jié)構(gòu)如圖2所示。隨后由稱重裝置對煙葉進(jìn)行稱重；此時壓板裝置移動到另一側(cè)進(jìn)行相同工作實現(xiàn)交替作業(yè)。本文主要針對壓板移動裝置進(jìn)行說明，該裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要參數(shù)如表1所示。

圖1 煙框物流打包機(jī)結(jié)構(gòu)1.壓板移動裝置；2.機(jī)架；3.稱重裝置；4.壓板裝置

圖2 煙框

圖3 壓板移動裝置1.橫向移動滑塊；2.橫向移動導(dǎo)軌；3.橫向驅(qū)動絲杠；4.壓板裝置；5.豎向驅(qū)動絲杠

表1 壓板移動裝置主要技術(shù)參數(shù)

1.2 移動裝置的工作原理

煙框物流打包機(jī)在進(jìn)行稱重壓煙一體化作業(yè)時，主要由壓板將裝入煙框的煙葉壓縮后再由機(jī)架底部的稱重裝置對煙葉重量校準(zhǔn)，并在煙框中繼續(xù)加入煙葉以達(dá)到額定裝煙量。為充分提高打包過程中的效率，通過壓板移動裝置實現(xiàn)在裝煙的同時壓板橫向移動至另一個工位處進(jìn)行壓板豎向移動的壓煙作業(yè)，達(dá)到壓煙與稱重的間隙協(xié)同作業(yè)。

2 移動裝置的關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 壓板裝置設(shè)計

壓板裝置的主要目的是將裝入煙框的煙葉整體壓縮以便于加入更多的煙葉達(dá)到煙框指定的裝煙重量。其結(jié)構(gòu)比較簡單，但是由于其需要承受輸出壓煙的作用力；結(jié)合強(qiáng)度要求、加工方式和經(jīng)濟(jì)性等因素從而采用Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼作為其整體框架結(jié)構(gòu)的材料，于是設(shè)計了如圖4所示的壓板裝置。該裝置工作時由電機(jī)驅(qū)動絲杠使其與壓板上下移動完成壓煙作業(yè)。

圖4 壓板裝置1.豎向移動絲杠；2.電機(jī)；3.定位桿；4.減速器；5.承重板；6.壓板

2.2 橫向移動裝置設(shè)計

橫向移動裝置設(shè)計考慮的是有效地提高移動過程中的效率。單個工位的壓煙裝置在實際工作過程中出現(xiàn)在進(jìn)行煙葉添加同時而壓板處于未工作狀態(tài)，長此以往浪費(fèi)大量時間和能源?；谠搯栴}采用如圖5和圖6所示的橫向移動裝置，來實現(xiàn)交替壓煙作業(yè)的功能。

圖5 導(dǎo)軌

圖6 滑塊

該裝置結(jié)構(gòu)簡單，由滑塊和導(dǎo)軌兩部分組成。可根據(jù)其實際工作情況來選用不同尺寸的滑塊和導(dǎo)軌，只需要將滑塊和壓板裝置固定；導(dǎo)軌和機(jī)架固定，然后由滑塊和導(dǎo)軌通過自身凹槽實現(xiàn)配合，在滑塊內(nèi)部安裝有滾動體，通過滾動體與導(dǎo)軌純滾動實現(xiàn)二者的相對運(yùn)動，極大地減小摩擦阻力，有效地達(dá)到裝置在水平方向上移動。

導(dǎo)軌滑塊的受力情況對橫向移動裝置有顯著影響，由于外部載荷所引起的導(dǎo)軌彈性變量與導(dǎo)軌的尺寸比較相對較小[1]，對外載荷大小的研究影響很小，則導(dǎo)軌整體可假設(shè)為剛體。于是著重對滑塊進(jìn)行受力分析如圖7所示；以點O為坐標(biāo)原點，以滑塊移動的方向為Z軸方向，垂直于滑塊上表面的方向為Y軸方向，與YOZ面相垂直的方向為X軸方向[2]。

圖7 滑塊受力分析

作用在滑塊上的各項載荷都可以分解成沿坐標(biāo)軸的分力和力矩。則由力的分解公式可得外載荷沿各坐標(biāo)的分力如下[3]：

Fix=Fisinθcosα

Fiy=Ficosθ

Fiz=Fisinθsinα

式中：Fix、Fiy、Fiz分別為沿X、Y、Z軸的分力(N)；θ為作用載荷與Y軸的夾角(°)；α為載荷在XOZ平面內(nèi)的投影與X軸的夾角(°)。

滑塊上所作用的載荷在各軸上的分量大小和作用位置都不同，所以會在各軸上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，據(jù)實際情況考慮滑塊所受的作用載荷總個數(shù)為1。將所有載荷產(chǎn)生的力矩分別考慮，在各軸上形成一個合力矩，再將各個分力矩合成，在各軸上形成一個合力矩，得其計算公式如下[4-5]：

Mx=Fiyliz-Fiz(liy+b)

My=Fixliz+Fizlix

Mx=Fixliz-Fiz(liy+b)

式中：lix為外載荷F到X軸的距離，mm；liy為外載荷F到Y(jié)軸的距離，mm；liz為外載荷F到Z軸的距離，mm；b為滑塊工作臺的厚度，mm。

滑塊在3個軸向分力和3個軸向分力矩的作用下，由于Z軸為滑塊的移動方向，則可假設(shè)該方向不發(fā)生位移形變。由公式計算和經(jīng)驗所得滑塊所受載荷為670 N。

同時把Solid works中的滑塊模型簡化后導(dǎo)入UG軟件對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置材料為Iron 40、網(wǎng)格類型為CQUAD8、網(wǎng)格大小為5 mm，進(jìn)行2D網(wǎng)格劃分，對其進(jìn)行有限元受力分析得到應(yīng)力云圖如圖8所示，最大應(yīng)力為104.50 MPa，遠(yuǎn)小于最大屈服應(yīng)力，得出結(jié)論其結(jié)構(gòu)滿足實際設(shè)計要求，該設(shè)計合理。

圖8 滑塊應(yīng)力云圖

橫向移動裝置的運(yùn)動通過電力驅(qū)動來實現(xiàn)水平方向的移。裝置如圖9所示主要由絲杠和絲杠套構(gòu)成。由電機(jī)輸出動力，帶動與其相連接的絲杠轉(zhuǎn)動，通過絲杠套與絲杠的配合實現(xiàn)該設(shè)計所需的移動功能。綜合考量該絲杠所需功能后最終選用右旋梯形絲杠，其主要參數(shù)如表2所示。

圖9 絲杠傳動裝配

表2 橫向移動絲杠主要參數(shù)

2.3 豎向移動裝置設(shè)計

為改善打包機(jī)壓煙作業(yè)時的缺點對豎向移動裝置進(jìn)行設(shè)計，得出裝置如圖10所示，其工作時通過電機(jī)輸出至減速器達(dá)到指定動力并帶動豎向移動絲杠實現(xiàn)上下移動，達(dá)到壓縮煙葉的功能，在絲杠兩側(cè)對稱分布有定位桿，防止在工作過程中壓板產(chǎn)生位移或旋轉(zhuǎn)從而達(dá)到更加穩(wěn)定的壓煙作業(yè)。根據(jù)對煙葉打包現(xiàn)場的調(diào)研，最終選用的豎向移動絲杠為右旋梯形絲杠，其主要參數(shù)如表3所示。

圖10 豎向移動裝置1.豎向移動絲杠；2.驅(qū)動電機(jī)；3.定位桿；4.減速器

表3 豎向移動絲杠主要參數(shù)

豎向移動絲杠的結(jié)構(gòu)和受力對裝置有顯著影響。本文將絲杠假設(shè)展開或形成一個螺紋，線的一邊形成右三角形的一邊，其基部是分度圓的圓周，其高度為牙形高度，對其進(jìn)行受力分析，受力簡圖如圖11和圖12所示，其中圖11為絲杠上升時的受力簡圖，圖12為絲杠下降時的受力簡圖。

圖11 絲杠上升時受力簡圖

圖12 絲杠下降時受力簡圖

根據(jù)圖10對絲桿需要上升時進(jìn)行受力分析，列出平衡方程：

∑Fh=PR-Nsinα-fNcosα=0

∑Fv=F+fNsinα-Ncosα=0

式中：Fh為絲杠的法向受力，N；PR上升所需的作用力，N；α為牙形角，°；N為絲杠牙形表面所受的正壓力，N；f為絲杠摩擦系數(shù)。

由于正壓力N可以忽略不計，則可合并求解P的值得到：

隨后將該方程分子分母同時除以cosα，并引入計算值：

tanα=α/πdm

可得到P的值為：

PR=F[(L/πdm)+f]/1-(fL/πdm)

由P的值可以計算出絲杠上升時所需扭矩TR為：

TR=Fdm(L+πfdm)/2(πdm-fL)

同理可對圖11絲杠下降時進(jìn)行受力分析，并如上所述進(jìn)行計算可得出絲杠下降時所需的扭矩TL為：

TL=Fdm(πfdm-L)/2(πdm+fL)

其中f為絲杠的摩擦因數(shù)，取值為0.008，根據(jù)實際考察及作業(yè)要求取絲杠上升時所需力為：2 400 N；下降時所需的力為：78 400 N。

為驗證該設(shè)計合理性，將Solid works中的豎向移動絲杠簡化后導(dǎo)入UG軟件對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置材料為Iron 40、網(wǎng)格類型CTETRA(10)、網(wǎng)格大小為10 mm，進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，基于UG軟件對豎向移動絲杠進(jìn)行有限元受力分析得到云圖如圖13所示，最大應(yīng)力為7.406 MPa，遠(yuǎn)小于最大屈服應(yīng)力，則其結(jié)構(gòu)滿足實際設(shè)計要求，該設(shè)計合理。

圖13 豎向移動絲杠應(yīng)力云圖

3 移動裝置的動力分析

該裝置主要采用Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼作為裝置主要材料，通過基于Solid works及該裝置實際相關(guān)需求對移動裝置相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得到表4所示的移動裝置相關(guān)數(shù)據(jù)。

表4 移動裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)

壓板移動裝置中的橫向移動裝置動力輸出如圖9所示。根據(jù)表4所得數(shù)據(jù)可進(jìn)行橫向移動裝置的動力輸出計算，首先對進(jìn)行其運(yùn)動所需的力進(jìn)行計算：

Fa=F+μmg

式中：Fa為絲杠軸向負(fù)載，N；F為絲杠軸向切削力，N；可忽略不計，μ為導(dǎo)向件的綜合摩擦系數(shù)；m為絲杠所需帶動的壓板裝置的重量，kg；g為重力加速度，m·s-1[6]。

帶入上式結(jié)果可計算得到絲杠驅(qū)動所需的扭矩：

Ta=(Fa×L)/(2πn)

式中：Ta為絲杠驅(qū)動所需的扭矩；L為絲杠導(dǎo)程，mm；π為圓周率；n為絲杠的正效率。

根據(jù)表4可得綜合摩擦系數(shù)約為0.01，代入絲杠的正效率為0.98，在不考慮切削力作用下計算得出絲杠驅(qū)動所需扭矩，并由下式可計算驅(qū)動電機(jī)的功率：

式中：P為橫向驅(qū)動裝置電機(jī)所需的功率，kW；Ta是絲杠驅(qū)動所需扭矩，N·mm-1；N為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r·s-1；π為圓周率。綜合考慮可計算得到橫向移動裝置所需電機(jī)的輸出功率為：2.5 kW。

同理可對豎向移動裝置的動力輸出進(jìn)行計算，據(jù)實地考察可知壓板下壓壓力如表4所示為78 400 N，則壓板運(yùn)動所需的力計算如下：

Fa=F1-(m2+μm2)g

式中：Fa為豎向負(fù)載，N；F1為壓板下壓壓力；m2為壓板、絲杠及定位桿的總重量，kg；μ為綜合摩擦系數(shù)；g為重力加速度，m·s-1。

剩余計算步驟與橫向移動裝置的動力輸出計算一致，最終計算得出豎向移動裝置所需的電機(jī)輸出功率為：12 kW。

4 結(jié)論

本文針對煙框物流打包機(jī)中的壓板移動裝置的研究。其研究的目的在于實現(xiàn)雙工位壓煙工作過程時壓板的交替工作，提高壓煙作業(yè)的工作效率。該設(shè)計基于實際情況的考察，結(jié)合多種因素給出了較為優(yōu)化的解決方案。并且滿足于現(xiàn)代化機(jī)械作業(yè)和煙葉流通環(huán)節(jié)改革創(chuàng)新的要求，在實際應(yīng)用過程中解決了煙站內(nèi)壓煙效率低下及運(yùn)輸不便的問題，同時使得煙葉物流速度加快，更加的趨于模塊化，為未來的煙框物流的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。