智能烤烟升降机装置设计及试验*

陈代明 陈瑜欣 秦平伟 付小秋 吴树成¤, 谢守勇 张小亮

1.重庆烟草公司彭水分公司，重庆北碚

2.西南大学工程技术学院，重庆北碚

0 引言

烤烟是我国也是世界上栽培面积最大的烟草类型[1]，对种植、运输、装卸、烘烤等环节都有严格的技术要求，随着农业机械化进程的加快、人力成本的提高以及烤房内作业难度的加大，采用智能烤烟升降机器是非常有必要的。目前，我国的烤烟房多是整体的楼板结构，烤烟房内分为左右两侧，每侧分别为三层钢轨结构，第一、第二、第三钢轨高度分别为1.30 m、2.10 m、2.90 m[2]。多数烤房是靠人工将烟夹举升放置到烤房的烤架上，装满烟叶的烟夹重约15～20 kg，将烟夹举至约3.00 m高的烤房烟架上，劳动强度大、工作效率低，对工作人员的身体条件要求高，并且存在着很大的安全隐患。

国外大多使用叉车将烟草运送至烤房，该方式需要配套相应的烤房和大箱式装烟设备来使用，不适合在国内目前普遍应用的密集烤房中进行推广使用[3]。随着烟叶生产规模化的发展，烤烟生产对雇工的需求也越来越大，缺乏能适应高强度作业的壮年劳动力，已成为烟叶生产发展的瓶颈。聂威[4]等设计发明了一种移动式烟夹举升机，通过下立杆与中立杆的相对运动，实现烟夹的提升。但存在装置载物台宽度过大，进入和在烤房内行走困难，且没有倾斜机构等问题，导致烟夹在升降过程中容易被角钢阻挡，无法装烟。根据对烤房结构的研究、对烤烟过程的技术要求和装烟功能的分析，在不改动烤房结构的前提下，现设计出一款智能烤烟升降机，以48 V直流电池作为整机动力来源，避免了用燃油为动力源造成对烟叶的损伤和对烤房的污染，采用直流电机和电动油缸实现升降功能，丝杆滑块机构实现水平移动，既能保证烟夹能准确到达位置，又能使机器退出烤房。智能烤烟升降机通过PLC控制系统，对整个机器的装烟、行走、上升、放烟、下降、退出能够实现精确控制，使整个机器不受烤房内部结构的约束，对烟叶也没有损伤，能够达到预期的效果。

1 总体方案

烤烟房内结构特殊，作业空间狭小，如图1所示，这种空间结构限制了叉车式升降机直接应用到烤房内部，由于烤房内第一、第三层钢轨高度分别为1.30 m、2.90 m，单个升降机构很难达到其高度，故采用二级升降机构，第一级使用电机带动链条升降，第二级采用油缸实现升降。烟夹两端分别位于两侧导轨，两导轨外端面相距1.35 m，内端面为1.27 m，而烟夹长度为1.32 m，故钢轨内端面之间的距离小于烟夹长度，烟夹在上升过程中必然受到阻挡，无法放烟。现设计升降机在水平位置上，可以实现一侧的倾斜，使烟夹水平方向的投影长度小于1.27 m，从而实现烟夹的升降。此外，每杆烟下部由于烟叶疏松的原因，其宽度为250 mm，因此，在装烟和卸烟的过程中，烟夹两支撑杆之间的距离须保持在250 mm，故而采用正反螺纹丝杆。

图 1 烤烟房结构示意图

2 整机结构和工作原理

2.1 整机结构

本文研制的烤烟升降装置如图2所示，主要由底部平台、升降装置、烤烟装卸装置等部分组成。底部平台起支撑和运输作用，烤烟装卸装置配合升降装置完成烤烟的精确升降与放置，烤烟装卸装置由传动机构和夹烟机构两部分组成。传动机构主要由连接板、丝杆、光轴导轨、直流减速电机、电动推杆等组成；夹烟机构主要由夹烟杆，内置双轴导轨、正反螺纹丝杆、减速电机等组成。

2.1 工作原理

智能烤烟升降机装置主要实现整机的升降和烤烟的装卸，如图3所示，对于升降机构，直流电机经减速器将动力输出，通过传动轴上的链轮，带动链条旋转，二级油缸升降装置通过螺栓与链条连接实现上升与下降，当链条传动达到最高位置时，电动油缸启动，油缸推动链条向上移动，整个载烟平台向上移动，达到指定的高度。同理，电机翻转，实现下降功能。

烤烟装卸机构通过左右移动、前后移动来实现，其中，左右移动机构主要解决整个升降机在运送和升降烟叶过程中，由于作业空间的狭小和烤房两导轨的阻挡，以及行走过程中电动小车无法保证位置的居中，从而通过安装在内置双轴导轨两侧的传感器，来检测两端的距离，再通过电机带动丝杆转动，丝杆上的螺母座与前连接板相连接，将扭矩传递至与前板连接的两个光轴滑块上，使前连接板左右往复运动，从而使整个载烟平台左右移动。前后移动主要解决烟夹的倾斜和夹烟杆的开和闭，装烟和放烟时，左右两个直流电机同时工作，带动正反螺纹丝杆转动，将扭矩传递至与螺母座连接的连杆上，连杆带动滑块在内置双导轨上移动，从而使1、3、5和2、4、6夹烟杆相向或相反移动，实现夹烟和放烟的动作。此外，倾斜机构主要解决烟夹长度大于两导轨内端面距离的问题（水平放置的烟夹在上升过程中，会被导轨所阻挡），故通过电动推杆将一边的夹烟杆推动向前，使得烟夹水平投影小于导轨内端面距离，保证上升的顺利。

图 2 烤烟升降机示意图

图 3 烤烟升降机结构简图

3 结构研究设计

智能烤烟升降机各部分设计时遵循实用性原则，在不改动烤烟房结构的前提下和满足工作需求的基础上，兼顾使用性、耐磨性、经济性等特点。

3.1 升降装置

目前，我国的烤烟房多为密集型，烤烟房内分为左右两侧，每侧分别为三层钢轨结构，第一、第二、第三层钢轨高度分别为1.30 m、2.10 m、2.90 m，烤烟采用悬挂式模式，国内叉车式液压升降机举升高度为1.60 m左右，无法直接满足高度要求，故采用二级升降系统，如图4所示，其第一级使用电机驱动链条实现升降，升降高度为1.80 m，第二级使用电动油缸实现补充升降，升降高度为0.60 m，目前升降总高度为2.40 m，又因烟叶本身有0.80 m的长度，故夹烟杆为0.80 m长，使得总高度达到3.20 m。

图 4 升降装置

第一级升降装置采用工字型铝，第二级升降装置采用U型铝。第二级升降装置通过铝板焊接与第一级升降装置连接，并通过装配在铝板上的轴承实现在一级装置的上下滑动。此外，烟夹两端分别位于两侧导轨，两导轨内端面为1.27 m，为保证升降机能够顺利通过整个烤房，故将升降机横向尺寸定为700 mm。

3.2 烤烟装卸机构

目前，国内各烟草公司基本采用烟夹夹持烟叶吊装烘烤，已经公开的、公告号为CN103416837 B的烟叶分离式穿针装烟悬挂装置，其长1 320 mm、宽115 mm、高10 mm，在编烟完成后，整杆烟的高度为900 mm，宽度为250 mm，重14 kg左右。烟夹两端距烟叶为10 mm，故一般举升机构无法直接承载烟夹，并且在运输过程中对烟叶有较大的损伤，根据以上数据要求，现对整个烟夹夹取与投放机构设计如下：每个烟夹有4个长800 mm的L型杆支撑，如图5所示，上端面长87 mm、宽20 mm、厚6 mm，其与烟夹接触，下端面通过螺栓与内置双轴滑块连接，两杆之间距离为250 mm，并将1、3、5 L型杆和2、4、6 L型杆分别通过传动杆连接在一起。在装烟和放烟的过程中，为避免对烟叶的刮伤，夹取机构两者之间的距离需为250 mm，故选取直径为12 mm的正反螺纹丝杆两个，左丝杆螺母座通过连接件与1、3、5L型传动杆连接，右丝杆螺母座与2、4、6L型传动杆连接。电机选取12 V、600 W、1 000转直流电机，电机正转，两螺母座相向运动，两夹烟杆合上；电机反转，两螺母座背向运动，两夹烟杆分离。从而精确实现烟夹的夹取与投放。目前，载烟平台长1.60 m、宽0.46 m，可以同时装3杆烟，提高了烤烟装卸的效率。

图 5 烤烟装卸机构

前文所提，由于烤房内两导轨内端面为1.27 m，导轨宽40 mm，而烟夹长1.32 m，故烟夹水平放置在运输和上升的过程中会受阻挡，导致机器无法作业。因此，使整个烟夹倾斜一个角度，使得水平投影长度为1.20 m，两端预留足够的距离，能将整个升降机运输速度、效率提高很多。根据以上要求，现设计一款倾斜机构，烟夹一端可以前后运动，另一端固定不动，现在载烟平台右边设计导轨滑块机构，将电机、丝杆支撑座通过螺栓连接在滑块上，采用24 V、行程400 mm的电动推杆与丝杆支撑座连接在一起。

4 控制系统

智能烤烟升降机要实现不同的行走速度，第一级和第二级升降高度，电动推杆的行程控制，烟夹夹取与投放精准控制，以及左右距离调整，需要一套完整的控制系统来完成。本文设计控制系统分为3个独立的子系统，小车控制系统、升降系统、夹烟系统。小车控制系统实现小车前进、倒退、速度变换以及照明，调速电机接48 V电源，通过转把实现调速。升降系统由48 V直流电机和油缸电机实现，电源通过直流接触器与电机连接，并分别设置上升和下降键，通过继电器实现电机的正反转，而载烟台左右移动通过安装在两导轨上的传感器，接收到信号后，通过PLC自动控制电机正反转。夹烟系统有两个直流电机，1个电动推杆，而且都要实现正反转，左边电机设置两个按钮开关（即开、闭按钮），右边电机设置两个按钮（即开、闭按钮），电动推杆设计两个按钮，（即前进和倒退按钮）。

5 装烟试验

为了验证所设计的烤烟升降装置实际装烟效果，优化该设计，在2020年烤烟季节，前往贵州省毕节市威宁烤烟基地，现场进行了20次装烟试验，从编烟、装烟、进烤房、上升、放烟、下降、推烟、退出等8个环节进行了试验。在编烟环节，主要是农民通过编烟机将烟叶编进烟夹，编好的烟放置于专门的架子上，这样方便升降机直接装烟。

本次试验设计5组对照组，第一组为烤烟升降机在不装烟的情况下，对以上8个环节进行试验，并记录了相关数据，如图6所示。第二组为烤烟升降机装3杆空烟夹的情况，本对照组具有很好的参考价值，并进行了3次试验，在进入烤房时，倾斜的角度为22°，电动推杆推动的距离为312 mm一定时，由于每次小车行走的位置有所变动，会导致偏向某一侧，每次通过左右调整实现居中，居中后的烟夹距离烤房两侧为50 mm。第三组为烤烟升降机在装1杆烟的情况，试验3次，先装第三层，再装第二层，最后装第一层，3次试验都顺利完成。第四组为烤烟升降机在装两杆烟的情况，试验3次，分别装第一、第二、第三层。本组试验在第三层装上烟的情况下，装第二层，观察其对升降机的影响，与第三组进行比较；在装烟过程中，正反螺纹丝杆同时转动，第一和第二夹烟杆同时抓取烟夹，抓取比较精确和稳定，在上升过程中，能够稳定和精确地到达位置。第五组为烤烟升降机在装3杆烟的情况下，试验3次，本对照组相对于第二和第四组试验，也是整个装烟机理论所要求的装烟重量，3杆烟总重36 kg，每杆烟之间距离为160 mm，倾斜时，最远距离为1.57 m，整个装置比较稳定，行走和升降都可顺利实现，如图7所示。以上5组试验，都达到预期目标，整个装置运行比较稳定。

6 结论

智能烤烟升降机整体结构采用T5铝合金，经过36次试验，并在承受3杆烟的情况下，整体结构未见变形，整个装置运行稳定、灵活，一方面相比于钢材料，整机轻便；另一方面，整个机器更加耐磨和不易生锈。在行走过程中，整体平稳，未有烟夹掉落的情况，在进烤房时，两边传感器传输信号能够精确地使烟夹位于中央，符合理论设计要求。

图 6 智能烤烟升降装置样机第一组试验图

图 7 智能烤烟升降装置样机第五组试验图

通过电机带动链条、油缸推动链条能够精确实现不同层的升降，整个升降过程未见卡死现象，各滑动件通过轴承滚动，从而摩擦力很小。通过试验，倾斜式装烟的方法是完全可行的。

以3杆烟为标准的装烟装置，成功实现了第三层、第二层、第一层，效率大大提高，节省人力和时间。