智能烤煙升降機裝置設計及試驗*

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.西南大學工程技術學院，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]，對種植、運輸、裝卸、烘烤等環節都有嚴格的技術要求，隨著農業機械化進程的加快、人力成本的提高以及烤房內作業難度的加大，采用智能烤煙升降機器是非常有必要的。目前，我國的烤煙房多是整體的樓板結構，烤煙房內分為左右兩側，每側分別為三層鋼軌結構，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，勞動強度大、工作效率低，對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送至烤房，該方式需要配套相應的烤房和大箱式裝煙設備來使用，不適合在國內目前普遍應用的密集烤房中進行推廣使用[3]。隨著煙葉生產規模化的發展，烤煙生產對雇工的需求也越來越大，缺乏能適應高強度作業的壯年勞動力，已成為煙葉生產發展的瓶頸。聶威[4]等設計發明了一種移動式煙夾舉升機，通過下立桿與中立桿的相對運動，實現煙夾的提升。但存在裝置載物臺寬度過大，進入和在烤房內行走困難，且沒有傾斜機構等問題，導致煙夾在升降過程中容易被角鋼阻擋，無法裝煙。根據對烤房結構的研究、對烤煙過程的技術要求和裝煙功能的分析，在不改動烤房結構的前提下，現設計出一款智能烤煙升降機，以48 V直流電池作為整機動力來源，避免了用燃油為動力源造成對煙葉的損傷和對烤房的污染，采用直流電機和電動油缸實現升降功能，絲桿滑塊機構實現水平移動，既能保證煙夾能準確到達位置，又能使機器退出烤房。智能烤煙升降機通過PLC控制系統，對整個機器的裝煙、行走、上升、放煙、下降、退出能夠實現精確控制，使整個機器不受烤房內部結構的約束，對煙葉也沒有損傷，能夠達到預期的效果。

1 總體方案

烤煙房內結構特殊，作業空間狹小，如圖1所示，這種空間結構限制了叉車式升降機直接應用到烤房內部，由于烤房內第一、第三層鋼軌高度分別為1.30 m、2.90 m，單個升降機構很難達到其高度，故采用二級升降機構，第一級使用電機帶動鏈條升降，第二級采用油缸實現升降。煙夾兩端分別位于兩側導軌，兩導軌外端面相距1.35 m，內端面為1.27 m，而煙夾長度為1.32 m，故鋼軌內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。現設計升降機在水平位置上，可以實現一側的傾斜，使煙夾水平方向的投影長度小于1.27 m，從而實現煙夾的升降。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 烤煙房結構示意圖

2 整機結構和工作原理

2.1 整機結構

本文研制的烤煙升降裝置如圖2所示，主要由底部平臺、升降裝置、烤煙裝卸裝置等部分組成。底部平臺起支撐和運輸作用，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機構和夾煙機構兩部分組成。傳動機構主要由連接板、絲桿、光軸導軌、直流減速電機、電動推桿等組成；夾煙機構主要由夾煙桿，內置雙軸導軌、正反螺紋絲桿、減速電機等組成。

2.1 工作原理

智能烤煙升降機裝置主要實現整機的升降和烤煙的裝卸，如圖3所示，對于升降機構，直流電機經減速器將動力輸出，通過傳動軸上的鏈輪，帶動鏈條旋轉，二級油缸升降裝置通過螺栓與鏈條連接實現上升與下降，當鏈條傳動達到最高位置時，電動油缸啟動，油缸推動鏈條向上移動，整個載煙平臺向上移動，達到指定的高度。同理，電機翻轉，實現下降功能。

烤煙裝卸機構通過左右移動、前后移動來實現，其中，左右移動機構主要解決整個升降機在運送和升降煙葉過程中，由于作業空間的狹小和烤房兩導軌的阻擋，以及行走過程中電動小車無法保證位置的居中，從而通過安裝在內置雙軸導軌兩側的傳感器，來檢測兩端的距離，再通過電機帶動絲桿轉動，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光軸滑塊上，使前連接板左右往復運動，從而使整個載煙平臺左右移動。前后移動主要解決煙夾的傾斜和夾煙桿的開和閉，裝煙和放煙時，左右兩個直流電機同時工作，帶動正反螺紋絲桿轉動，將扭矩傳遞至與螺母座連接的連桿上，連桿帶動滑塊在內置雙導軌上移動，從而使1、3、5和2、4、6夾煙桿相向或相反移動，實現夾煙和放煙的動作。此外，傾斜機構主要解決煙夾長度大于兩導軌內端面距離的問題（水平放置的煙夾在上升過程中，會被導軌所阻擋），故通過電動推桿將一邊的夾煙桿推動向前，使得煙夾水平投影小于導軌內端面距離，保證上升的順利。

圖 2 烤煙升降機示意圖

圖 3 烤煙升降機結構簡圖

3 結構研究設計

智能烤煙升降機各部分設計時遵循實用性原則，在不改動烤煙房結構的前提下和滿足工作需求的基礎上，兼顧使用性、耐磨性、經濟性等特點。

3.1 升降裝置

目前，我國的烤煙房多為密集型，烤煙房內分為左右兩側，每側分別為三層鋼軌結構，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，國內叉車式液壓升降機舉升高度為1.60 m左右，無法直接滿足高度要求，故采用二級升降系統，如圖4所示，其第一級使用電機驅動鏈條實現升降，升降高度為1.80 m，第二級使用電動油缸實現補充升降，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，使得總高度達到3.20 m。

圖 4 升降裝置

第一級升降裝置采用工字型鋁，第二級升降裝置采用U型鋁。第二級升降裝置通過鋁板焊接與第一級升降裝置連接，并通過裝配在鋁板上的軸承實現在一級裝置的上下滑動。此外，煙夾兩端分別位于兩側導軌，兩導軌內端面為1.27 m，為保證升降機能夠順利通過整個烤房，故將升降機橫向尺寸定為700 mm。

3.2 烤煙裝卸機構

目前，國內各煙草公司基本采用煙夾夾持煙葉吊裝烘烤，已經公開的、公告號為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，故一般舉升機構無法直接承載煙夾，并且在運輸過程中對煙葉有較大的損傷，根據以上數據要求，現對整個煙夾夾取與投放機構設計如下：每個煙夾有4個長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型桿分別通過傳動桿連接在一起。在裝煙和放煙的過程中，為避免對煙葉的刮傷，夾取機構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，左絲桿螺母座通過連接件與1、3、5L型傳動桿連接，右絲桿螺母座與2、4、6L型傳動桿連接。電機選取12 V、600 W、1 000轉直流電機，電機正轉，兩螺母座相向運動，兩夾煙桿合上；電機反轉，兩螺母座背向運動，兩夾煙桿分離。從而精確實現煙夾的夾取與投放。目前，載煙平臺長1.60 m、寬0.46 m，可以同時裝3桿煙，提高了烤煙裝卸的效率。

圖 5 烤煙裝卸機構

前文所提，由于烤房內兩導軌內端面為1.27 m，導軌寬40 mm，而煙夾長1.32 m，故煙夾水平放置在運輸和上升的過程中會受阻擋，導致機器無法作業。因此，使整個煙夾傾斜一個角度，使得水平投影長度為1.20 m，兩端預留足夠的距離，能將整個升降機運輸速度、效率提高很多。根據以上要求，現設計一款傾斜機構，煙夾一端可以前后運動，另一端固定不動，現在載煙平臺右邊設計導軌滑塊機構，將電機、絲桿支撐座通過螺栓連接在滑塊上，采用24 V、行程400 mm的電動推桿與絲桿支撐座連接在一起。

4 控制系統

智能烤煙升降機要實現不同的行走速度，第一級和第二級升降高度，電動推桿的行程控制，煙夾夾取與投放精準控制，以及左右距離調整，需要一套完整的控制系統來完成。本文設計控制系統分為3個獨立的子系統，小車控制系統、升降系統、夾煙系統。小車控制系統實現小車前進、倒退、速度變換以及照明，調速電機接48 V電源，通過轉把實現調速。升降系統由48 V直流電機和油缸電機實現，電源通過直流接觸器與電機連接，并分別設置上升和下降鍵，通過繼電器實現電機的正反轉，而載煙臺左右移動通過安裝在兩導軌上的傳感器，接收到信號后，通過PLC自動控制電機正反轉。夾煙系統有兩個直流電機，1個電動推桿，而且都要實現正反轉，左邊電機設置兩個按鈕開關（即開、閉按鈕），右邊電機設置兩個按鈕（即開、閉按鈕），電動推桿設計兩個按鈕，（即前進和倒退按鈕）。

5 裝煙試驗

為了驗證所設計的烤煙升降裝置實際裝煙效果，優化該設計，在2020年烤煙季節，前往貴州省畢節市威寧烤煙基地，現場進行了20次裝煙試驗，從編煙、裝煙、進烤房、上升、放煙、下降、推煙、退出等8個環節進行了試驗。在編煙環節，主要是農民通過編煙機將煙葉編進煙夾，編好的煙放置于專門的架子上，這樣方便升降機直接裝煙。

本次試驗設計5組對照組，第一組為烤煙升降機在不裝煙的情況下，對以上8個環節進行試驗，并記錄了相關數據，如圖6所示。第二組為烤煙升降機裝3桿空煙夾的情況，本對照組具有很好的參考價值，并進行了3次試驗，在進入烤房時，傾斜的角度為22°，電動推桿推動的距離為312 mm一定時，由于每次小車行走的位置有所變動，會導致偏向某一側，每次通過左右調整實現居中，居中后的煙夾距離烤房兩側為50 mm。第三組為烤煙升降機在裝1桿煙的情況，試驗3次，先裝第三層，再裝第二層，最后裝第一層，3次試驗都順利完成。第四組為烤煙升降機在裝兩桿煙的情況，試驗3次，分別裝第一、第二、第三層。本組試驗在第三層裝上煙的情況下，裝第二層，觀察其對升降機的影響，與第三組進行比較；在裝煙過程中，正反螺紋絲桿同時轉動，第一和第二夾煙桿同時抓取煙夾，抓取比較精確和穩定，在上升過程中，能夠穩定和精確地到達位置。第五組為烤煙升降機在裝3桿煙的情況下，試驗3次，本對照組相對于第二和第四組試驗，也是整個裝煙機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，最遠距離為1.57 m，整個裝置比較穩定，行走和升降都可順利實現，如圖7所示。以上5組試驗，都達到預期目標，整個裝置運行比較穩定。

6 結論

智能烤煙升降機整體結構采用T5鋁合金，經過36次試驗，并在承受3桿煙的情況下，整體結構未見變形，整個裝置運行穩定、靈活，一方面相比于鋼材料，整機輕便；另一方面，整個機器更加耐磨和不易生銹。在行走過程中，整體平穩，未有煙夾掉落的情況，在進烤房時，兩邊傳感器傳輸信號能夠精確地使煙夾位于中央，符合理論設計要求。

圖 6 智能烤煙升降裝置樣機第一組試驗圖

圖 7 智能烤煙升降裝置樣機第五組試驗圖

通過電機帶動鏈條、油缸推動鏈條能夠精確實現不同層的升降，整個升降過程未見卡死現象，各滑動件通過軸承滾動，從而摩擦力很小。通過試驗，傾斜式裝煙的方法是完全可行的。

以3桿煙為標準的裝煙裝置，成功實現了第三層、第二層、第一層，效率大大提高，節省人力和時間。