烟叶打包机的设计与仿真

侯恩光

(闽西职业技术学院，福建 龙岩 364021)

烟叶打包机的设计与仿真

侯恩光

(闽西职业技术学院，福建 龙岩 364021)

针对烟叶打捆机的自动化程度和安全性不高的问题，设计了一种结构简单可靠的烟叶打包机，并进行了结构设计、三维建模和运动学分析。最后，通过SolidWorks Motion分析模块对烟叶打包机的运动过程进行仿真，验证了运动学分析计算的正确性。

烟叶打包机；机构设计；运动分析

烟叶打包机是用于将烟叶压缩、打包的设备。目前，烟叶打包机是烟站和烟农收储烟叶并成堆摆放的关键设备，以利于成批运输和储存，减少后续工作量。[1]52-53因此，研制合理、有效的烟叶打包机，解决烟站和烟农快速打包的难题，对实现烟叶储存和运输都具有实际意义。

本研究在满足使用性能的前提下，综合考虑使用环境、维护成本、行走方便和结构紧凑等因素，设计出尺寸合理、结构紧凑、能满足使用要求的烟叶打包机。

1 烟叶打包机的结构设计

烟叶打包机的生产工艺过程是打开上料门，人工将麻绳、麻片、烟叶等放入储料箱，再称重计量，计量完成后，关闭上料门，启动主油缸开始压缩，压缩完成后，手动捆包，捆包完成后，自动翻包，开始下一包的打包。烟叶打包机三维模型，如图1所示。

1.1 上料门机构设计

上料门机构设计采用的是油缸驱动的摇杆滑块机构。工作时，活塞杆伸出，推动上料门绕转轴转动，开启上料门，运动到极限位置后，开始上料。[2]24-26为了便于人工上料，整机高度约900mm，适宜于一般高度的成年人使用。

该摇杆滑块机构充分利用了打包机的上部空间，且结构简单，易于加工、安装和维修。结构运动简图如图2所示。图中，L3为驱动油缸所在杆的杆长，L5为料箱高度，L4为上料箱门开启角度达到75度以上安装偏移距离，L1为上料箱门绕轴转动的力臂。

由图2上料门的虚线所示位置为初始位置的几何关系，在三角形L1、L2、L3，用余弦定理可得：

在三角形L2、L4、L5中，θ角可表示为:

由图2上料门的实线所示位置为终点位置的几何关系，在三角形L1、L2、L3，用余弦定理可得：

通过优化计算，可得各杆的长度，如表1所示。

1.2 翻包机构设计

烟叶压缩、打包完成后，需要将烟包翻出箱体并运走，人工翻包费力、费时，所以设计了自动翻包机构。

箱体的底板分为两部分，一部分直接与箱体焊接，另一部分与尾挡板焊接，在与箱体铰接，在尾档板上安装两个翻包油缸。在打包机工作时，翻包油缸活塞杆收回，完成烟叶压缩，手工捆扎完成后，翻包油缸活塞杆伸出，烟包翻出箱体。结构尺寸图如图3所示。

2 模型的运动仿真与验证

本文运用Solidworks Motion运动分析模块对烟叶打包机的运动过程进行了模拟仿真，从物理上验证机构设计的可行性；并把仿真结果与计算结果进行比较，验证运动仿真分析结果的正确性。

2.1 Motion分析设置

(1)打开烟叶打包机装配体。在Solidworks主界面下，选择【工具】——【插件】，在SOLIDWORKS Motion插件前打勾，[3-4]如图4所示。

(2)新建运动算例。为运动仿真添加引力，设定引力的方向、大小。

(3)添加实体接触。为装配体的组件添加实体接触，防止运动构建产生干涉。如图5所示。

(4)添加作用力和线性阻尼

为运动油缸添加推力，在Motion工具栏中，选择力【力】按钮，打开图6所示的对话框，分别设置力的作用面、作用方向及相对位置。力的大小按系统压力10Mpa，计算出系统推力为19625N。

油缸在运动过程中，要求油缸运动的阻尼力不大于0.3Mpa，由于打包机采用的油缸直径较小，设定阻尼力为0.1Mpa，系统租力为196.25N，阻尼设置如图7所示。

2.2 上料门机构的运动仿真

单击Motion运动分析栏上的【计算算例】，运算完成后，单击【结果和图解】按钮，生成计算结果图表。当上料箱液压缸工作时，上料箱的开度曲线如图8所示。从0度初始位置，最大开度为75.27度。

由图2机构优化计算，计算出的开度曲线如图9所示。仿真曲线与优化计算曲线基本一致，最大开度为75.22度。

2.3 翻包机构的运动仿真

在翻包液压缸活塞杆之间的移动副上添加运动来模拟翻包机构的运动过程。当翻包机构打开时，活塞杆处于伸出状态，仿真结果如图10所示。其角度从-90°变到4°，翻转的角度为94°，且翻转时不与机架发生干涉。该仿真结果与计算结果一致。

结束语

烟叶打包机能够实现烟叶的压缩成块，打包翻包的工作，方便了烟叶的储存和运输。运用Solidworks Motion分析模块对烟叶打包机的工作过程进行了运动学仿真，验证了运动学计算结果的正确性，从物理上证实了机构能达到运动效果。通过实际使用验证，打包机操作方便，工作效率高，运行平稳可靠，打包尺寸和效率均有很大提升，一致性好。

[1]杨尚明，腾春富，等．一种半自动烟叶打包机的技术改造与研究[J]．农业开发与装备，2015(10).

[2]陈科，杨学军，颜华．基于Matlab的取苗机构设计与参数优化[J]．农业机械学报，2013，44(Z1).

[3]陈超祥．SolidWorks Motion 运动仿真教程[M]．机械工业出版社，2012.

[4]张晋西，蔡维，谭芬．SolidWorks Motion机械运动仿真实例教程[M]．清华大学出版社，2013.

Class No.:TS43 Document Mark：A

(责任编辑：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，讲师，硕士，闽西职业技术学院。研究方向：数字化设计与制造。

福建省中青年教师科研资助项目(项目号: JAT160886)。

1672-6758(2017)03-0025-3

TS43

A