烟框物流打包机的设计与研究

2022-03-08杨永发李嘉彬王军超

林业机械与木工设备 2022年2期

周鑫，杨永发，李嘉彬，王军超

(西南林业大学机械与交通学院，云南昆明 650244)

云南地区独特的地理气候、良好的地理环境，使云南成为优质烟叶的重要产地[1]。烟叶种植已经发展成为云南农业的重要部分，推动云南地区农业经济链发展，成为农村的重要经济来源。因此，每年烟叶的收购站点需要收购将近5万担烟叶，并且要完成烟叶的打包工作，极大的消耗了人力、物力和财力，对于人力成本和收购周期均会有很大的压力。在烟叶的运输以及装箱储藏过程中，烟叶打包工序因为烟叶过大，占地空间不足，导致工序自动化程度不高，烟叶在运输过程中存在体积松散及运输量小的问题。所以目前烟叶收购站面临的首要问题就是提高烟叶的储藏和运输效率，这取决于打包工序的自动化程度。因此，需要设计研制一种烟叶打包机，可以有效地解决烟叶的存储及运输过程中存在的体积松散、运量小等一系列问题，从而降低烟草公司成本，提高其利润。

针对上述问题，国内部分研究人员开展了关于烟叶打包机的研制工作。侯恩光等[2]研制出摇杆滑块式上料机构烟叶打包机，其设计使烟叶的储藏及运输更为方便；邓若飞[3]等研制出一种液压烟叶打包机，实现了烟叶的打包及输送一体化作业，提高了烟叶的打包效率及自动化程度；柴国栋等[4]研制出一种轻便式烟叶压缩机，机器便于移动，适合小范围作业，压缩后体积较小，不易破碎，便于运输。

综上所述，国内烟叶打包的机器种类不多，几乎所使用的烟叶打包机都是液压压缩打包机，其特点是有足够的压力，并且使烟叶压缩得更加紧密。但是针对要求把烟叶底部统一朝烟框外部，烟叶的顶部朝烟框内部，其压缩效率不高，因此设计了一种烟框式打包机。烟框打包机作为一种把体型大的烟叶进行压缩打包，节约占地空间、降低劳动强度、节省运输费用，在烟叶物流的存储运输中起着重要的作用，符合烟站运输工艺流程，且为同样需要打包工序的叶类植物提供借鉴。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构和技术参数

烟框物流打包机主要由3个部分构成，压烟装置、称重装置、横向移动装置，在控制系统的控制下实现烟叶的称重及压缩打包，两个工位同时工作，缩短工作时间，提高工作效率，其结构示意图如图1所示。烟框物流打包机的主要技术参数见表1。

表1 烟框物流打包机的主要技术参数

图1 烟框物流打包机结构示意图

1.2 工作原理

本设计是利用电机带动丝杠，通过压烟装置将烟叶压缩成一定体积并通过液压称重装置读取烟叶重量的设备。由人工操控叉车将烟框精准放到四个烟框定位脚，使得承重架承受烟框重量。通过控制系统，使称重平台升起，称得烟框重量，然后清零。由人工前后两侧向烟框装烟时，烟叶底部朝外，烟叶顶部朝内，此时另一个工位开始工作。当把烟叶底面一层装满时，将烟框展开，装满烟叶时，控制系统控制称重装置升起，称出烟叶重量并落下，再由控制系统控制压烟装置下压，完成一次压烟工作。再由横向移动装置使得压烟装置移动到另一工位重复第一工位工作，反复称重、压烟，前后每个工位进行约3次压烟工作，直到烟叶重量600 kg，最后由人工操控叉车将装满烟叶的烟框运出，完成一次烟框压缩打包工序。

2 主要设计

2.1 传动系统

为使整机的设计结构紧凑、安全可靠、运行稳定，达到设计的作业要求，设计选择动力为2.2 kW、转速为 1 440 r/min 的伺服电机。考虑到压烟装置需要横向移动和纵向移动，需要两个电机，横向移动电机安装在机架上部边缘，纵向移动电机安装在压烟装置上，以提高整机的工作稳定性。电机主轴与变速器相连，降速后将动力传递给丝杠，电机输出动力通过丝杠带动压烟装置横向移动到另一工位和纵向压烟的过程；称重装置通过液压杆升降，实现称重和装烟时烟框与称重传感器的分离[5]。整机传动系统简图如图2所示。

图2 烟框物流打包机传动系统简图

2.2 压烟装置

压烟装置是烟框打包机的重要装置，其设计的可靠性与稳定性对烟框打包机的压缩打包性能起着决定性的作用。压缩压头由钢板和矩形管焊接而成，固定在丝杠端部，两边安置有两根导向立柱，起到导向作用。根据烟框的尺寸，设计压头的尺寸为1 650 mm×970 mm，厚度为60 mm，电机控制丝杠带动压头纵向移动，压力可以通过控制部分调整，丝杠行程可控，增加导向立柱利用压力分导的原理，有效地避免烟叶被压碎的情况，且保证了压缩后烟叶的外观质量。压烟装置结构示意图如图3所示。

图3 压烟装置结构示意图

2.2.1 烟叶打包截面尺寸

压缩打包的尺寸由烟框决定，打包时连带烟框一起码垛装运，烟框尺寸为1 780 mm×1 070 mm×1 400 mm。烟框结构分为上下两层，当刚开始装烟时，为了方便人工装烟和烟叶的均匀性，上面一层处于闭合状态，当烟叶超过烟框一半时便可以展开烟框。烟框结构示意图如图4所示。

图4 烟框结构示意图

2.2.2 丝杠稳定性校核

丝杠为受压的细长杆，需对其压稳定进行计算，丝杠长度l=1 600 mm，直径d=80 mm，根据各方面材料查找最终确定下压载荷为10 t，其最大压力为98 kN，先计算其细长比[6]：

(1)

而

(2)

即λ>λ1，应用欧拉公式计算压稳定性的临界压力：

(3)

得Pcr=406.3 kN。

2.3 称重装置

称重装置由剪式升降平台、称重传感器、称重液压系统组成。打包机不工作时称重装置放置在机架上，由机架受力，称重传感器不承受任何重量。当打包机工作时，由液压系统将剪式升降平台升起，使称重传感器承受烟框和烟叶的重量。在压缩打包时，由液压系统将剪式升降平台放下，使得压缩重力将压力传递到机架上，避免了称重传感器反复承受重量，延长传感器的使用寿命。液压升降工作原理如图5所示。

图5 液压系统基本原理图

液压系统的工作原理：升降中的液压油由叶片泵形成一定的压力，在上升时，电机给单向定量泵提供动力，使单向定量泵抽取油箱中的液压油，通过单向阀输送到油缸中，使油缸中的活塞向上运动，从而使烟框上升；在下降时，通过电磁换向阀控制溢流阀溢流，单向阀处上段油压高于下端油压，单向阀停止向上输送液压油，油缸中上端重物压力大于下端油压，电磁换向阀切换至直通位，使液压油回到油箱，活塞向下运动，从而使烟框下降；当电机停止提供动力时且电磁换向阀处于单向阀位置时，液压系统内部没有液压油的流动，此时升降平台处于非工作状态。此外，为使烟框下降时能够平稳，制动安全可靠，下降速度不受烟框重力而变化，由节流阀调节流量，控制下降速度[7]。为了使液压系统在使用时安全可靠，增加了单向阀，可以起到保压作用，保证油缸活塞稳定，确保机器正常工作。

3 虚拟仿真分析

3.1 三维实体建模

机具由机架、横向移动装置、压烟装置和称重装置4部分组成，包含多个零件。首先用SolidWorks对每个零件进行草图绘制，然后在特征中生成零件实体，最后把每个装置的零件添加约束形成一个装配体。其余连接件由软件Toolbox中导出，按照国家标准，添加约束进行装配[8]。

3.2 压烟装置有限元分析

机具工作过程中主要的受力装置是压烟装置，其承受自身重力、下压时的压力和烟叶的反作用力。因此，压烟装置是最容易产生变形的部件，采用有限元软件分析其在下压过程中的应力应变情况，验证其是否满足应力要求。将压烟装置三维模型导入ANSYS软件Workbench模块下，点击generate，设置材料为Q235，密度为7.85×103kg/m3，泊松比为0.3，材料的弹性模量E=206 GPa；设置网格单元大小为10 mm，进行3D4面体网格划分[9]，根据经验数据，设置压力大小为98 kN，采用Fixed support方法对压板添加约束，并采用NXNASTRAN求解器对压烟装置进行有限元分析，分析结果如图6所示，整个压头靠近边缘受力越小，靠近中间受力越大，约为132.21 MPa，小于屈服应力；整个压头靠近中间变形最小，越靠近边缘变形越大，最大变形量约为1.495 mm，满足设计要求，本设计合理。

图6 压烟装置应力、应变云图

3.3 模型的运动仿真与分析

运用Solidworks中motion插件进行机构的运动仿真，首先打开Solidworks插件，选中Solidworks motion，插件启动后在左下方点击新建运动算例，从模型进入到仿真页面；在仿真页面中选择motion分析，然后对模型添加原动力，给丝杠添加马达、力等，点击计算算例[10]，如图7所示。结果表明压烟装置可以正常在两个工位移动且能正常完成压烟工作，证明了机具设计的合理性。