新型烤煙編煙機設計*

張 麗，王庭有

(昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500)

新型烤煙編煙機設計*

張 麗，王庭有

(昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500)

為解決煙農編煙勞動強度大的問題，采用單線縫紉技術，設計了一款新型編煙機機頭。通過對目前編煙機存在的問題及煙葉損傷情況進行分析，確定了縫線部件、鉤線部件及其他配合件的設計方法，利用SolidWorks軟件完成了三維建模及虛擬裝配，并用AutoCAD軟件完成了所有零部件的二維拆圖，保證了機構設計的合理性。研究表明，此編煙機結構簡單，編煙速度可控，鋪葉厚度和編葉數量可調，煙葉損傷率低，綜合效率可達到人工編煙的4倍以上，應用前景十分廣闊。

編煙機；農業機械；烤煙；結構設計

煙葉烤前處理主要有4個環節，即采收、分類、編煙和裝烤。當手工編煙費時比較費力，從而增加了煙農負擔，降低了煙農的生產效率和經營管理能力；同時，由于編煙的效率低，烘烤進度被嚴重影響，常常造成進度慢，降低了烤房周轉能力，增加了煙葉質量風險。

目前，主要編煙方式有傳統煙桿編煙。煙夾編煙和編煙機編煙。其中，煙夾編煙方式的效果最佳，可以明顯提高編煙環節的綜合效益；編煙機編煙能顯著降低編煙環節的勞動強度、用工數量和編煙時間，加快編煙速度[1-2]，但煙夾和散葉烘烤工藝尚未突破。為提高烘烤環節工作效率和降低勞動強度，對編煙機本身進行了改進和普及[3]?，F有編煙機中，多線縫紉式編煙機編煙美觀緊實[4]，但拆線難，煙葉損傷大；編繞式編煙機拆線方便[5]，煙葉造碎少，但是編的不夠緊密，容易脫線。靖軍領等[6]對不同種類的編煙機進行測試分析發現，采用鏈式縫紉連接原理的編煙機編煙效果最好，但編煙機的故障率和成本還有待進一步降低，需進一步提高設備穩定性。

1 設計原理及機構

1.1 設計原理

編煙機在編煙過程中，主要存在斷葉、掉葉、斷柄、漏針和編煙質量不穩定等問題。為盡量減少這些現象的出現，需要采取以下方法：1)用縫紉技術增加煙葉之間的緊實；2)用單線縫紉解決烤煙后不易拆線的問題；3)用較大、穩定的針距減少煙葉損傷及掉葉率；4)采用縫煙機頭動煙葉不動的方法減少走空針，從而減小斷葉、斷柄率；5)用手推式完成編煙機針桿上下移動、彎針左右擺動和縫煙機頭同步移動，最大限度地降低編煙機的成本，簡化其結構，降低其維修難度系數；6)其用于煙草編織的同時，還能用于其他需縫合(要求不高的縫合)的物品，如菜葉和其他種類的煙葉。

1.2 總體設計

編煙機各工作部分設計為一個整體，需用1個傳動源帶動所有機構運作。煙農在推動手柄的時候，滾輪轉動，同軸齒輪隨動，再通過各級齒輪傳動到凸輪，帶動鉤針左右擺動和前后平動，傳動到曲柄，帶動縫針上下移動；同時，滾輪的滾動帶動整個機頭在機體導軌平穩走動。通過3個動作的同步進行就可以完成烤煙編煙機的單線縫紉。編煙機的總體結構如圖1所示。

圖1 編煙機總體結構

2 關鍵部件設計

2.1 縫線部件設計

實現編煙機功能的關鍵是針桿傳動機構和鉤線傳動機構之間的協調動作。由曲柄的回轉運動帶動針桿傳動機構實現針桿的上下往復運動，曲柄搖桿機構和擺動導桿機構組成了針桿傳動機構，如圖2所示。為避免下針距離不足，取針桿的行程L>70 mm，其他構件通過作圖法來確定，分別為：曲柄L1=35 mm、連桿L2=155 mm、導塊長為149 mm，以及曲柄固定點與針桿的垂直距離L3=32 mm。當曲柄轉到1時，連桿與針桿所成∠a=10°，針桿運動到上止點；當曲柄轉到2時，連桿與針桿所成∠b=15°，針桿運動到下止點。此時曲柄的轉角為174°，針桿上下移動距離L=72 mm(>70 mm)，達到要求。考慮針桿行程、縫針長度以及針桿部分露出長度和煙葉厚度，取針桿長為255 mm，縫針長為70 mm。

圖2 擺動導桿機構及曲柄搖桿機構

從圖2可以看出，以曲柄到針桿的垂直點為原點建立坐標系，當曲柄與連桿2次共線時，設滑塊分別移動到上止點S1，下止點S2，則有：

(1)

(2)

S=S1-S2

(3)

(4)

(5)

將各參數代入式1～式5，得：S1=187.29 mm，S2=115.65 mm，S=71.64 mm，針桿行程>70 mm，∠a=9.69°，∠b=15.47°，繪圖設計中的角a為10°，角b為15°。計算結果表明，誤差不大，可達到要求。

2.2 鉤線部件設計

圖3 凸輪機構

編煙機鉤針的運動軌跡為前后擺動和左右擺動，鉤針前后運動可由圓柱凸輪來實現，鉤針的左右擺動可由平面凸輪來實現，凸輪機構如圖3所示。

令圓柱凸輪軸心到鉤針桿軸心的距離為11.5 mm；平面凸輪軸心到鉤針桿的垂直距離為5 mm，到鉤針桿水平面的垂直距離為40 mm；鉤針擺動行程以80°為最低擺角。確定其他構件的安裝角度，分別為：鉤針與彈簧連接扣的角度為20°，鉤針與圓柱凸輪連接器的角度為80°，支架上彈簧連接扣到針桿的垂直距離L0=46 mm；當平面凸輪長距面與圓柱凸輪接觸時，復位彈簧與水平線成∠f=61°，鉤針與針桿成45°；當平面凸輪短距面到與圓柱凸輪接觸時，彈簧與水平線成∠g=65°，鉤針與針桿成-38°，此時，鉤針總的擺角為∠c=83°(>80°)，可滿足設計要求。鉤線部件各零件的連接情況如圖4所示。

圖4 鉤針部件

當縫針下降時，鉤針尖擺動至縫針中點，縫針缺口中心與鉤針尖相平。當縫針下降至最低點時，鉤針擺至最左端；縫針上升到原點的過程類似下降的過程。針桿完成由上止點到下止點，再到上止點的1個行程時，凸輪軸轉1圈，同時鉤針軸做前→后→左止點→半前→右止點→前運動。圓柱凸輪和機針的運動關系曲線如圖5所示。

圖5 圓柱凸輪和機針的運動關系曲線

2.3 機頭殼體造型設計

在編煙機機頭殼體的造型設計中，要求結構合理緊湊，傳動平穩，沒有干涉，主要部件應符合強度要求，不易變形，在實際環境中工作實現高效、可靠。機頭殼體主要起支配的作用，能讓主傳動部件為其他部件實現功能提供動力，并使以傳動部件為鉤針和縫針的運動有效合作，從而達到預期效果。設計殼體首先應注意各部件的有效連接，其次應考慮對主要零部件的有效保護，最后確定殼體可以加工出來，并且方便安裝和盡可能地節省材料。機頭殼體主要由骨架、軸承座、支承板、線托和壓線器組成，編煙機機頭總裝配圖如圖6所示。

圖6 編煙機機頭總裝配圖

2.4 機架設計

機架導軌主要用來配合機頭滾輪，形狀為細長梯形桿，多段式安裝，材料為耐磨材質，根據機頭殼體與導軌的尺寸選擇合理的方鋼，以便于導軌與機架的鏈接，保證機頭平穩運行。為減少煙葉破損率，增加鋪葉效率，鋪葉面設有3 cm間距的定位卡槽。為使編煙機編煙牢固，線跡平整美觀。為配合鋪煙形式和縫煙位置，在所鋪煙葉的煙柄上端設有擋板。機架對機頭下針預留間隙為2 cm，固定煙葉的煙夾可根據煙葉厚度進行調整。

3 結語

本文用類比、反推、解析及繪圖的方法對傳動、縫線、鉤線部件的運行范圍進行設計，完成了三維建模、虛擬裝配、結構分析和二維出圖。

對該編煙機進行綜合分析，可達到如下效果：編煙效率>1桿/min(桿長約1.4 m，煙葉鋪放厚度達40～60 mm，編煙密度為70～130片/m，鋪煙機架上設有間距為3 cm的定位卡槽，采用側鋪形式)。針距約3 cm，與連長偉等[7]在編煙機機構設計對編煙效果影響的研究得出的最佳針距相近。試驗結果顯示：斷葉斷柄率<3%，掉葉率<2%，綜合效率是人工編煙的4倍以上；同時，針距穩定，編織牢固，烤后便于拆解。整體機構結構簡單，操作單間，節省能源，具有較高的性價比。

[1] 孫建鋒，吳中華，張振研，等. 不同編煙方式對烤煙烘烤成本及經濟性狀的影響[J]. 江西農業學報，2011，23(1)：24-27.

[2] 孫建鋒，程建勇，何亞浩，等. 不同編煙方式對烤煙烘烤質量的影響[J]. 湖南農業科學，2011，23：32-35.

[3] 馬嘯，王戰義，郭瑞，等. 烤煙編煙機的研究現狀及展望[J]. 河北農業科學，2009，13(5)：148-149.

[4] 孫運建，曲寶建. 高效自動編煙機：中國，200910020781.X[P]. 2009-09-30.

[5] 羅凱. 自動編繞器及帶自動編繞器的編煙機：中國，200810233766.9[P]. 2009-06-03.

[6] 靖軍領，蘭俊榮，黃一蘭，等. 不同種類編煙機應用效果研究[J]. 中國煙草科學，2010，31(5)：72-75.

[7] 連長偉，彭小冬，陳明建，等. 編煙機機構設計對編煙效果的影響[J]. 煙草農學，2011(7)：80-82.

*教育部第三批高等學校特色專業建設點資助項目(TS11137)作者簡介：張麗(1988-)，女，碩士研究生，主要從事數字化設計與制造技術等方面的研究。

責任編輯李思文

DesignforNewTypeTobacco-bindMachine

ZHANG Li, WANG Tingyou

(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500，China)

In order to reduce the workers' labor intensity in tobacco sewing, a new machine adoption with single sewing technology was developed. Through analyzing the existing problems in weaving machine and the tobacco damage situation, using drawing method, analytic method and other methods, the shape of the sewing component, hook line components and other mating parts were designed. The three dimensional modeling and virtual assembly were constructed with SolidWorks, and 2D figures of all parts were designed in AutoCAD. The rationality of mechanism design was guaranteed. The results showed that the machine had the advantages of simple structure, controllable sewing speed, adjustable leaf thickness and quantity. And the tobacco leaf damage rate was low. The comprehensive efficiency in tobacco leaf knitting with this machine was four times higher than that with hand knitting. Its application prospect was considerable.

tobacco-bind machine, agricultural machine, tobacco, structure design

S 220.5

：A

2015-01-21