夹紧机构的理论分析及烘烤烟叶夹的应用设计

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引言

人们设计机械产品的目的是为了获取其使用功能，减轻或代替人的劳动。机械产品在使用过程中传递机械运动的部分称为机构，它是由若干个构件按机械原理组合而成的，具有确定相对运动的、能改变运动规律或变换运动形成的及具有独立作用功能的部件。机构的类型及其构成系统，从根本上体现了机械装置的功用和性能，成为该机械产品能否有效地应用于生产实际的关键。因此，合理地进行机构设计是机械装置整体设计过程中的一项重要内容。

夹紧机构是机械产品设计中的常用机构，广泛应用于机床夹具、辅助工具、夹压、锁止等各种领域。本文针对烘烤烟叶编烟技术，拟研究一种可行的夹紧机构原理，应用并设计出一种烘烤烟叶夹持工具，用于代替目前烟农手工编烟的繁琐操作，以降低劳动强度，减少人工成本，提高市场经济效益。

1　机构设计

机构设计是把机械装置功能的运动要求具体转化为运动的约束系统。对于一般机械产品而言，它是用于传递能量、运动，代替人类劳动的装置。因此，对于实用机械产品来讲，首要的是如何实现某种运动功能，并通过具体的机构、装置和系统来实现，以满足机械产品特定的要求，是机构设计的主要任务。图1为机构设计的一般过程。

1.1　机构的基本类型

机构是由两个或两个以上具有确定相对运动的构件组成，两构件间通过运动副来衔接。以机构特有的运动副类型和实体形状来分类，机构的基本类型有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、螺旋机构和楔块机构、棘轮机构、槽轮机构、摩擦轮机构、挠性件机构、弹性件机构、液气动机构。依据基本类型机构的功能特性，通过机构构思、归纳、演绎，可设计出符合功能要求的实用机构。

1.2　机构构型

任何机械机构都存在构造上、功能上和组成上的三重属性。构造属性即为机构的实体构造形态；功能属性主要指机构的运动形态；组成属性则是指机构零部件形态。

设计新的机器或装置时，先对设计对象实际用途和功能要求进行剖析和思考，再结合使用、生产和设计等方面的具体情况，明确提出机构所要实现的功能目标及其限制条件，然后考虑用何种技术原理和手段来实现这些功能，即构造机构的功能属性。然后再具体确定实现各种预定功能所用零部件的形状、材料、加工工艺等，即构造机构的构造属性。在考虑机构功能属性和构造属性的同时，常结合现有经验和设计资料，针对设计机械预定功能，通过机构变异、演绎和组合方法来构造机构设计方案，即构造机构的组成属性。这种设计思考路线符合设计者的认识规律，但它不是单方向、直线式地进行，设计中时常要经过多次循环，针对各种解决方案既要从主观预测方面，又要从客观实际进行检验和判断，甚至需返回到原设计出发点，找到符合或甚至超过高技术水平的解决途径。

从功能的角度来思索机构设计，能够理清各功能部件间的内在本质联系，便于突破传统思路，充分运用现积累的设计经验和前人的研究成果，灵活地进行机构创新设计，保证整体功能预定目标的顺利实现。因此，在设计新的机器或装置时，优先构思机构的功能属性。

1.3　机构创新

对初步构思或现存使用的，能实现功能要求和运动方式的机构，还可以利用机构学的知识，通过机构变异，演绎、组合的途径，派生出更多的机构方案，结合机构设计原则和实际应用工作条件，运用评价方法对可行的机构方案进行性能评价，选择出最优方案。

2　夹紧机构

夹紧机构是机械设计中常用的应用机构。夹紧机构是使人力或动力装置所产生的力能正确地作用到物件上，执行某些动作，在夹紧过程中起到力传递作用的传递机构。夹紧机构在传递力的过程中，能因工作需要改变力的大小，方向和作用点，手动夹具的夹紧机构还应具有良好的自锁性能，以保证人力作用停止后，仍能可靠地夹紧工作。

2.1　夹紧机构设计的基本要求

为保证夹紧装置的工作质量和提高其工作效率，夹紧机构工作时应具有“正”、“牢”、“简”、“快”的基本要求。

1)“正”就是在夹紧过程中应保持工件原有的正确定位；

2)“牢”就是夹紧力要可靠，适当，即要把物件压紧夹牢，保证物件不位移、不抖动、不因夹紧力过大而使物件损伤或变形；

3)“简”就是结构简单、工艺好、容易制造；

4)“快”就是夹紧机构的操作应安全、迅速、方便、省力。

设计夹紧装置时，首先要合理选择夹紧力的方向，再确定其着力点和大小，并确定夹紧力的传递方式和相应的机构，最后选用或设计夹紧装置的具体结构，以保证实现夹紧机构的基本要求。

2.2　夹紧力的确定

夹紧装置在使用过程中，要保证物件不离开确定的工作位置，就必须有足够的夹紧力来平衡外来驱动力对物件的影响。夹紧力由力的作用点、作用方向和大小三要素来体现。因此，确定夹紧力必须结合工件的加工要求和特点，定位元件的结构形式和布置方式，物件的自身重力和所受外力作用的情况联系起来考虑。

2.3　常用的夹紧机构

夹紧机构中，起基本夹紧作用的多为斜楔、螺旋、偏心、杠杆、薄壁弹性件等夹紧机构，前几种及它们的组合应用最为普遍。

3　烘烤烟夹的应用设计

目前，烘烤烟叶工艺技术是烟农用细绳手工将烟叶捆绑在竹竿上，随竹竿一起按顺序地放人烘烤房内烘烤。此外，市场上有采用缝纫机穿线原理而研制的各类编烟机，将一片片烟叶缝串起来，放入烤房内烘烤，但各类编烟机体大笨重，对编烟场地有一定的要求，编烟效率低，烟农不愿使用。本文针对烘烤烟叶这一生产工艺，拟研究设计一种烘烤烟叶夹，用于替代烟农手工编烟技术或编烟机，以降低工艺生产中的劳动强度、提高生产效率。

3.1　烘烤烟叶夹的功能原理分析

本设计烘烤烟叶夹要求取代人工使用竹竿编烟技术，具有编烟竹竿的使用功能。对编烟烘烤工艺的系统分析可得到烘烤烟叶夹的功能分解。

总功能：具有一定承载烟叶的能力，不高于70℃的工作温度，能方便、快捷、可靠地央紧和松开烟叶。

子功能1：每片烟叶夹紧锁牢靠，烟叶不脱落；

子功能2：开关松开运动机构操作简捷、方便灵活；

子功能3：烟夹夹紧力源稳定；

子功能4：材料工作在不高于70℃的温度。

按照结构设计基本原则，各种子功能应由对应的功能载体来承担，即由一定的结构来承担，对应每一个结构都应明确地完成一定的功能。烘烤烟叶夹设计中的关键点应该放在以下几个方面：

1)夹紧力源的原理选择及结构设计；

2)烘烤烟叶夹操作、夹紧、开关等机构设计。

根据以上分析，利用形态学方法建立形态学矩阵，并将各个功能作为目标标记，而分功能的各种解法列为目标特征，根据可用性和实用性建立形态学矩阵，进而得到不同的组合方案。

3.2　烘烤烟叶夹方案设计

根据功能元的合理组合，可得到n＝24种方案，为了设计出符合烟农使用需求的烟夹，通过详细分析形态学矩阵得到的各种可行结构的工作原理和结构形式：

1)重力自锁式烟夹；

2)铰接杆机构扭矩弹簧式烟夹；

3)空气弹簧锁紧式烟夹；

4)压缩弹簧锁紧式烟夹。

3，3烘烤烟叶夹的试验研究

对以上几种设计方案的功能性、经济性、操作简便性、可靠性等技术指标，采用“多因素模糊数学综合评判方法’’进行评价，最后烟夹结构设计方案确定为方案4，并初步设计制造出图2所示的结构，通过现场实测，将夹好烟叶的烘烤烟叶夹(图3)整体放入烤房内进行烘烤工艺。检测表明，该烟夹实用性好，装卸烟叶快捷、使用效率高、操作简便、制作成本低、耐用性好、可靠性高、不损伤烟叶，符合设计的技术要求。

该烟叶夹结构设计有如下特征：

1)每个烟夹有一排并列的圆柱压缩弹簧组，烟夹在夹紧工作状态时，其夹紧力稳定。由于设计的弹簧力自适应性好，烟叶在烘烤过程中其厚度会因失水减小，但烟叶始终处于被夹紧状态而不会有脱叶现象。

2)烟夹结构紧凑，轻巧，操作简便，使用方便，工作效率高；

3)烟夹采用刚柔配合夹紧，弹簧均匀分布，各弹簧力对烟叶厚度分布不均适应性好；

4)夹紧、打开操作方便。由于烟夹跨度较长，若使锁紧开关仅分布在两端，两板因弹簧组夹紧力过大而发生弹性变形，两板中间部分出现间隙，烟叶易掉落。为此，烟夹中间处设有辅助开关，该开关设计新颖、简单，可以克服两板弹性变形而出现间隙导致烟叶易于脱落的问题。

5)烟夹上下两夹紧板上辅有啮合齿，各束烟叶在啮合齿辅助作用下，烟叶夹紧更为牢固。

4　结论

1)本文通过对烟叶烘烤生产工艺的实际调研，针对烟农手工繁杂的编烟作业，提出了研究设计一种烘烤烟叶夹夹持工具；

2)针对烘烤烟叶夹的预定功能要求，参考现有的实用夹紧机构，通过对机械产品机构设计的理论分析，提出了烘烤烟叶夹的结构设计方案，并初步设计制造出烘烤烟叶夹；

3)通过对烘烤烟叶夹的试验效果研究分析，该烟叶夹持工具实用性好，使用效率高，操作简便，制作成本低，耐用性好，可靠性高，不损伤烟叶，符合设计的技术指标，预计有较高的市场经济效益。

参考文献

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