新型烤烟编烟机设计*

张 丽，王庭有

(昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500)

新型烤烟编烟机设计*

张 丽，王庭有

(昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500)

为解决烟农编烟劳动强度大的问题，采用单线缝纫技术，设计了一款新型编烟机机头。通过对目前编烟机存在的问题及烟叶损伤情况进行分析，确定了缝线部件、钩线部件及其他配合件的设计方法，利用SolidWorks软件完成了三维建模及虚拟装配，并用AutoCAD软件完成了所有零部件的二维拆图，保证了机构设计的合理性。研究表明，此编烟机结构简单，编烟速度可控，铺叶厚度和编叶数量可调，烟叶损伤率低，综合效率可达到人工编烟的4倍以上，应用前景十分广阔。

编烟机；农业机械；烤烟；结构设计

烟叶烤前处理主要有4个环节，即采收、分类、编烟和装烤。当手工编烟费时比较费力，从而增加了烟农负担，降低了烟农的生产效率和经营管理能力；同时，由于编烟的效率低，烘烤进度被严重影响，常常造成进度慢，降低了烤房周转能力，增加了烟叶质量风险。

目前，主要编烟方式有传统烟杆编烟。烟夹编烟和编烟机编烟。其中，烟夹编烟方式的效果最佳，可以明显提高编烟环节的综合效益；编烟机编烟能显著降低编烟环节的劳动强度、用工数量和编烟时间，加快编烟速度[1-2]，但烟夹和散叶烘烤工艺尚未突破。为提高烘烤环节工作效率和降低劳动强度，对编烟机本身进行了改进和普及[3]。现有编烟机中，多线缝纫式编烟机编烟美观紧实[4]，但拆线难，烟叶损伤大；编绕式编烟机拆线方便[5]，烟叶造碎少，但是编的不够紧密，容易脱线。靖军领等[6]对不同种类的编烟机进行测试分析发现，采用链式缝纫连接原理的编烟机编烟效果最好，但编烟机的故障率和成本还有待进一步降低，需进一步提高设备稳定性。

1 设计原理及机构

1.1 设计原理

编烟机在编烟过程中，主要存在断叶、掉叶、断柄、漏针和编烟质量不稳定等问题。为尽量减少这些现象的出现，需要采取以下方法：1)用缝纫技术增加烟叶之间的紧实；2)用单线缝纫解决烤烟后不易拆线的问题；3)用较大、稳定的针距减少烟叶损伤及掉叶率；4)采用缝烟机头动烟叶不动的方法减少走空针，从而减小断叶、断柄率；5)用手推式完成编烟机针杆上下移动、弯针左右摆动和缝烟机头同步移动，最大限度地降低编烟机的成本，简化其结构，降低其维修难度系数；6)其用于烟草编织的同时，还能用于其他需缝合(要求不高的缝合)的物品，如菜叶和其他种类的烟叶。

1.2 总体设计

编烟机各工作部分设计为一个整体，需用1个传动源带动所有机构运作。烟农在推动手柄的时候，滚轮转动，同轴齿轮随动，再通过各级齿轮传动到凸轮，带动钩针左右摆动和前后平动，传动到曲柄，带动缝针上下移动；同时，滚轮的滚动带动整个机头在机体导轨平稳走动。通过3个动作的同步进行就可以完成烤烟编烟机的单线缝纫。编烟机的总体结构如图1所示。

图1 编烟机总体结构

2 关键部件设计

2.1 缝线部件设计

实现编烟机功能的关键是针杆传动机构和钩线传动机构之间的协调动作。由曲柄的回转运动带动针杆传动机构实现针杆的上下往复运动，曲柄摇杆机构和摆动导杆机构组成了针杆传动机构，如图2所示。为避免下针距离不足，取针杆的行程L>70 mm，其他构件通过作图法来确定，分别为：曲柄L1=35 mm、连杆L2=155 mm、导块长为149 mm，以及曲柄固定点与针杆的垂直距离L3=32 mm。当曲柄转到1时，连杆与针杆所成∠a=10°，针杆运动到上止点；当曲柄转到2时，连杆与针杆所成∠b=15°，针杆运动到下止点。此时曲柄的转角为174°，针杆上下移动距离L=72 mm(>70 mm)，达到要求。考虑针杆行程、缝针长度以及针杆部分露出长度和烟叶厚度，取针杆长为255 mm，缝针长为70 mm。

图2 摆动导杆机构及曲柄摇杆机构

从图2可以看出，以曲柄到针杆的垂直点为原点建立坐标系，当曲柄与连杆2次共线时，设滑块分别移动到上止点S1，下止点S2，则有：

(1)

(2)

S=S1-S2

(3)

(4)

(5)

将各参数代入式1～式5，得：S1=187.29 mm，S2=115.65 mm，S=71.64 mm，针杆行程>70 mm，∠a=9.69°，∠b=15.47°，绘图设计中的角a为10°，角b为15°。计算结果表明，误差不大，可达到要求。

2.2 钩线部件设计

图3 凸轮机构

编烟机钩针的运动轨迹为前后摆动和左右摆动，钩针前后运动可由圆柱凸轮来实现，钩针的左右摆动可由平面凸轮来实现，凸轮机构如图3所示。

令圆柱凸轮轴心到钩针杆轴心的距离为11.5 mm；平面凸轮轴心到钩针杆的垂直距离为5 mm，到钩针杆水平面的垂直距离为40 mm；钩针摆动行程以80°为最低摆角。确定其他构件的安装角度，分别为：钩针与弹簧连接扣的角度为20°，钩针与圆柱凸轮连接器的角度为80°，支架上弹簧连接扣到针杆的垂直距离L0=46 mm；当平面凸轮长距面与圆柱凸轮接触时，复位弹簧与水平线成∠f=61°，钩针与针杆成45°；当平面凸轮短距面到与圆柱凸轮接触时，弹簧与水平线成∠g=65°，钩针与针杆成-38°，此时，钩针总的摆角为∠c=83°(>80°)，可满足设计要求。钩线部件各零件的连接情况如图4所示。

图4 钩针部件

当缝针下降时，钩针尖摆动至缝针中点，缝针缺口中心与钩针尖相平。当缝针下降至最低点时，钩针摆至最左端；缝针上升到原点的过程类似下降的过程。针杆完成由上止点到下止点，再到上止点的1个行程时，凸轮轴转1圈，同时钩针轴做前→后→左止点→半前→右止点→前运动。圆柱凸轮和机针的运动关系曲线如图5所示。

图5 圆柱凸轮和机针的运动关系曲线

2.3 机头壳体造型设计

在编烟机机头壳体的造型设计中，要求结构合理紧凑，传动平稳，没有干涉，主要部件应符合强度要求，不易变形，在实际环境中工作实现高效、可靠。机头壳体主要起支配的作用，能让主传动部件为其他部件实现功能提供动力，并使以传动部件为钩针和缝针的运动有效合作，从而达到预期效果。设计壳体首先应注意各部件的有效连接，其次应考虑对主要零部件的有效保护，最后确定壳体可以加工出来，并且方便安装和尽可能地节省材料。机头壳体主要由骨架、轴承座、支承板、线托和压线器组成，编烟机机头总装配图如图6所示。

图6 编烟机机头总装配图

2.4 机架设计

机架导轨主要用来配合机头滚轮，形状为细长梯形杆，多段式安装，材料为耐磨材质，根据机头壳体与导轨的尺寸选择合理的方钢，以便于导轨与机架的链接，保证机头平稳运行。为减少烟叶破损率，增加铺叶效率，铺叶面设有3 cm间距的定位卡槽。为使编烟机编烟牢固，线迹平整美观。为配合铺烟形式和缝烟位置，在所铺烟叶的烟柄上端设有挡板。机架对机头下针预留间隙为2 cm，固定烟叶的烟夹可根据烟叶厚度进行调整。

3 结语

本文用类比、反推、解析及绘图的方法对传动、缝线、钩线部件的运行范围进行设计，完成了三维建模、虚拟装配、结构分析和二维出图。

对该编烟机进行综合分析，可达到如下效果：编烟效率>1杆/min(杆长约1.4 m，烟叶铺放厚度达40～60 mm，编烟密度为70～130片/m，铺烟机架上设有间距为3 cm的定位卡槽，采用侧铺形式)。针距约3 cm，与连长伟等[7]在编烟机机构设计对编烟效果影响的研究得出的最佳针距相近。试验结果显示：断叶断柄率<3%，掉叶率<2%，综合效率是人工编烟的4倍以上；同时，针距稳定，编织牢固，烤后便于拆解。整体机构结构简单，操作单间，节省能源，具有较高的性价比。

[1] 孙建锋，吴中华，张振研，等. 不同编烟方式对烤烟烘烤成本及经济性状的影响[J]. 江西农业学报，2011，23(1)：24-27.

[2] 孙建锋，程建勇，何亚浩，等. 不同编烟方式对烤烟烘烤质量的影响[J]. 湖南农业科学，2011，23：32-35.

[3] 马啸，王战义，郭瑞，等. 烤烟编烟机的研究现状及展望[J]. 河北农业科学，2009，13(5)：148-149.

[4] 孙运建，曲宝建. 高效自动编烟机：中国，200910020781.X[P]. 2009-09-30.

[5] 罗凯. 自动编绕器及带自动编绕器的编烟机：中国，200810233766.9[P]. 2009-06-03.

[6] 靖军领，兰俊荣，黄一兰，等. 不同种类编烟机应用效果研究[J]. 中国烟草科学，2010，31(5)：72-75.

[7] 连长伟，彭小冬，陈明建，等. 编烟机机构设计对编烟效果的影响[J]. 烟草农学，2011(7)：80-82.

*教育部第三批高等学校特色专业建设点资助项目(TS11137)作者简介：张丽(1988-)，女，硕士研究生，主要从事数字化设计与制造技术等方面的研究。

责任编辑李思文

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