弹簧预紧挤压式烟竿研制及结构优化

202311
弹簧预紧挤压式烟竿研制及结构优化
符德龙1温宇鑫2*郑乐2张富贵2黄兰1
（1贵州省烟草公司毕节市公司，贵州毕节551700；
2贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025）
摘要为解决烤烟烘烤环节中装烟成本偏高、耗时费工等问题，根据弹簧夹紧原理，设计开发了一种弹簧预紧挤压式烟竿（以下简称“弹簧烟竿”）。

采用异形扭转弹簧调整压条实现鲜烟叶的夹紧，结合变形理论分析和有限元仿真分析优选出弹簧的结构参数和布置形式；进行弹簧烟竿装烟烘烤的田间试验，通过鲜烟叶滑脱力、装烟量、烘烤用工量、烤后烟叶外观质量分析应用效果。

变形分析和仿真结果表明，弹簧数量为6个、间距240mm、弹簧圈数为3圈时，鲜烟叶装夹牢固、不会损伤叶梗，且符合人体工程学的相关要求。

田间试验结果表明：弹簧烟竿的单炕装烟量比传统竹制烟竿增加了19.6%，节省用工4.6个/炕，改造费用比梳式烟夹减少了22.3%；与传统竹制烟竿和梳式烟夹相比，弹簧烟竿有效降低了劳动强度和成本，改善了烤后烟叶外观质量，实现了烟叶烘烤过程中生产投入与产出效益的平衡。

关键词弹簧预紧挤压式烟竿；鲜烟叶；结构优化；用工量
中图分类号S226.9文献标识码A
文章编号1007-5739（2023）11-0129-06
DOI：10.3969/j.issn.1007-5739.2023.11.035开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Development and Structural Optimization of Squeezing Clamp of Tobacco Leaves with
Preloading Springs
FU Delong1WEN Yuxin2*ZHENG Le2ZHANG Fugui2HUANG Lan1
(1Bijie Branch of Guizhou Provincial Tobacco Corporation,Bijie Guizhou551700;
2College of Mechanical Engineering,Guizhou University,Guiyang Guizhou550025) Abstract In order to solve the problems of high cost,excessive time consumption and high labor demand about tobacco leaf clamping in the flue-curing process of flue-cured tobacco,a squeezing clamp of tobacco leaves with preloading springs(hereinafter to be referred as′springs pole′)was developed in this study based on the principle of spring clamping.The clamping of fresh tobacco leaves was implemented by adjusting the batten of special-shaped torsion springs.By combining deformation analysis and finite element simulation,the structure parameters and distribution of springs on the springs pole were optimized.Then,the field trial of tobacco flue-curing using springs pole was proceeded,and the application effect was evaluated by analyzing the slip force of tobacco,loading capacity,flue-curing labors and appearance quality of flue-cured tobacco.The deformation analysis and simulation results showed that when the quantity of springs equaled to6with a spacing of240mm,and the number of coils equaled to3,the fresh tobacco leaves were properly clamped without damage on the leaf stalks,which were also conformed to the ergonomic requirements.The field trial results showed that the loading capacity of springs pole in each barn increased by19.6% compared with traditional bamboo pole,and the labors reduced4.6.Besides,innovation cost of springs pole was22.3% lower than that of comb pared with the traditional bamboo pole and comb hangers,the springs pole can effectively reduce labor intensity and cost,improve the appearance quality of flue-cured tobacco,and facilitate the
基金项目贵州省烟草公司毕节市公司科技项目“弹簧预紧挤压式烟竿研制与推广应用”（2021520500240222）。

作者简介符德龙（1979—），男，河南内乡人，农艺师。

研究方向：烟草栽培与农机配套。

*通信作者
收稿日期2022-09-21
129
202311 balance between production input and output benefits during the tobacco flue-curing process.
Keywords squeezing clamp of tobacco leaves with preloading springs;fresh tobacco leaf;structural optimization; amount of labor
近年来，随着我国城镇化建设和社会经济的发展，农村青壮年逐渐向城市转移，农村空心化、老龄化现象越来越严重，导致劳动力价格持续上涨，烟草产业用工短缺现状日益凸显[1]。

密集烤房作为一种较为先进的烟叶烘烤设备，可以有效保证烟叶烘烤的质量稳定性，提高烟叶的烘烤操作性和安全性，已经得到了广泛应用[2-5]。

然而，毕节烟区作为贵州省重要的烟叶生产区，主要采用传统竹竿编烟挂竿方式在密集烤房中烘烤，操作复杂、繁琐，且每炕烟叶（300竿）手工编烟用工量较高，迫切需要推广快速、牢固、损伤率低的装烟方式，以实现烟草生产的减工降本。

目前，实现密集烤房快速装烟的烟夹和烟竿已经得到了较为广泛的应用。

王卫峰等[6]设计的快速笼式烟夹装烟量达到了5t，可以保证密集烤房内的温度均衡，改善了烟叶的外观质量。

欧义[7]试验研究了针式、发夹式和弹簧式烟夹装烟对烟叶烘烤质量的影响，指出烟夹可以减少烘烤烟叶操作工作量，提高烘烤效益。

王能如等[8]通过中部烟叶烘烤试验验证了笼式烟夹的密集烘烤效果，并得到了最佳装烟密度。

何亚浩等[9]开发了木制单夹和双夹烤烟夹，操作方便，可靠性高，有效降低了装烟的劳动强度和用工成本。

赵龙杰等[10-11]对比了不同材质、针数和针长、装烟量、插针位置、针尖形状等参数下无缝悬挂烟夹的烘烤质量，优选出无缝悬挂烟夹的最佳工艺参数。

此外，一些国内外研究者还通过烤后烟叶品质和评吸质量对不同装烟形式的烘烤效果进行了评价[12-15]。

虽然以上多种装烟方式在不同烟区得到了一定的应用，但仍存在制作成本偏高、生产投入与产出效益不明显的问题，烟农自购使用意愿较低，进一步示范推广遇到困难。

因此，开发出一款装烟速度和编烟用工与梳式烟夹相当、结构简单、成本低、烟农自购意愿程度高、能够取代传统竹竿的烟竿成为当务之急。

本项目从弹簧夹紧原理和装烟过程中叶梗变形分析出发，研制了一种弹簧预紧挤压式烟竿（以下简称“弹簧烟竿”），利用Comsol软件有限元仿真装烟过程中烟梗的变形特征，优选弹簧烟竿的参数，并以装烟量、烘烤用工和烤后外观质量对比弹簧烟竿装烟的烘烤效果，以降低烟叶烘烤过程中装烟环节的劳动强度和成本，为现代烟草产业发展提供支持。

1总体结构和工作原理
1.1总体结构
弹簧烟竿由竿体、装烟支架、装烟工作台三部分组成，使用时将弹簧烟竿竿体置于装烟工作台上，使用工具开启竿体上的弹簧后铺装鲜烟叶，通过弹簧和压条压紧鲜烟叶的叶梗，方便鲜烟叶的夹持与烤后烟叶的卸竿。

1.1.1竿体
弹簧烟竿的竿体由支撑方管、弹簧和压条组成，其结构如图1所示。

弹簧为异形扭转弹簧，其卡口固定于支撑方管上，压条在弹簧卡口内滑动。

装烟时采用拉钩开启弹簧，压条依次穿入弹簧卡口内，与支撑方管共同夹紧鲜烟叶的叶梗。

123
4
注：1为支撑方管；2为弹簧；3为压条；4为弹簧卡口。

图1竿体结构示意图
1.1.2装烟支架
装烟支架由支架主体和支撑杆组成（图2）。

支撑杆数量与竿体的弹簧数量相同，焊接于支架主体上，用于装烟时固定竿体，并支撑开启后的弹簧卡口。

1.1.3装烟工作台
装烟工作台用于装烟时固定支持竿体和装烟支架，并铺放鲜烟叶，其结构如图3所示。

1.2工作原理
装烟时，将弹簧烟竿的竿体和装烟支架置于装烟工作台的正前方，并使竿体卡在支撑杆的固定点之下，弹簧的簧圈和卡口分别位于支撑杆两侧。

左手按压支撑方管与装烟支架，右手持拉钩依次开启弹簧，
130
并将弹簧脚置于支撑杆顶端卡扣上。

将烟叶均匀平铺在支撑方管上，烟叶的叶梗与弹簧圆圈同向。

之后将固定压条依次穿入弹簧的卡口内，在弹簧的弹力作用下，压条与支撑方管夹紧鲜烟叶的叶梗。

烟叶烘烤并回潮后，从弹簧的卡口内拉出压条，取下支撑方管即可解烟。

该弹簧烟竿适用于烤烟生产过程中的标准密集烤房烟叶烘烤作业，每间标准密集烤房（2.7m×8.0m，3层）配置簧式烟竿竿体360个，配套装烟支架3个（含拉钩3个）、装烟工作台1个。

每竿装烟量达14kg，可实现鲜烟叶的快速装烟，并可以取代现传统竹竿绑烟烘烤的竹竿，降本增效。

其主要技术参数见表1。

2关键部件设计
2.1鲜烟叶叶梗力学分析
鲜烟叶的力学特性是影响烟竿夹持效果的重要因素，已有研究者通过试验测定了烟叶不同部位的力学性能。

本研究以贵州省黔西市林泉镇种植的云烟87为研究对象，利用万能力学试验机，测试得到叶梗的力学性能参数。

结果表明，其弹性模量为140MPa，抗拉强度为7.81MPa，抗压强度为4.2MPa，泊松比为0.30。

装烟后在自然悬挂状态下，鲜烟叶仅受压条压紧力和重力的作用，叶梗的受力分析如图4所示。

重力引起叶梗产生的拉应力按公式（1）进行计算：
σy=m g/[π(d s/2)2]（1）式中，σy为拉应力，m为鲜烟叶重量，g为重力加速度，d s为叶梗直径。

经测量，云烟87每片鲜烟叶平均质量为68g，叶梗平均直径为8.4mm，计算得到叶梗平均拉应力为0.012MPa。

重力引起叶梗的应变：εym=σy/E y=8.57×10-5，εxm=εym/μ=2.86×10-4。

式中，εym为重力方向的拉应变，εxm为水平方向的应变，E y为叶梗的弹性模量，μ为叶梗的泊松比。

为了保证装烟牢固，压条引起叶梗的应变（εxe）应满足：
εxe≥εxm（2）εxe可按照公式（3）进行计算：
εxe≥(1/E y)×(F/dl)（3）式中，εxe为压条引起叶梗的应变，F为压条产生的压紧力，d、l分别为压条的直径和有效装烟长度。

根据叶梗的力学性能参数和弹簧烟竿的技术参数，当装烟量为14kg、有效载烟长度≥1200mm时，计算得到所需要的压紧力F≥240.24N 。

12
注：1为支撑杆；2为支架主体。

图2装烟支架结构示意图123
4
注：1为挡板；2为装烟支架；3为台面；4为底座。

图3装烟工作台结构示意图
表1弹簧烟竿主要技术参数
参数
竿体外形尺寸
装烟支架外形尺寸装烟工作台外形尺寸压条直径
装烟量
鲜烟装烟厚度
有效载烟长度
承重
作业效率
单位
mm
mm
mm
mm
kg
mm
mm
kg
min/竿
数值
1380×20×40
1330×150×114
1200×600×780
5
14
≥40
≥1200
≥30
2
3
2
1
F
mg
εxe
εym
εxm
注：1为支撑方管；2为烟叶梗；3为压条。

图4鲜烟叶叶梗装烟受力分析
131
2023112.2
竿体弹簧的选择和布置方式
竿体的弹簧选用异形扭转弹簧，如图5所示。

依
据《冷卷圆柱螺旋弹簧技术条件第3部分：扭转弹簧》（GB/T 1239.3—2009），材料选用70A 弹簧钢丝，材料直径（d ）为3mm ，弹簧中径（D ）为23mm ，其材料性能参数为弹性模量206GPa 、抗拉强度1370MPa 、许用应力1096MPa 、泊松比0.29、抗弯强度215MPa 。

弹簧刚度计算公式为：
T =Ed 4/(3667Dn )
（4）
式中，T 为弹簧刚度，d 为材料直径，D 为弹簧中径，n 为有效圈数，E 为弹簧材料的弹性模量。

根据弹簧烟竿的技术参数要求，鲜烟叶的装烟厚度（h ）≥40mm ，则弹簧的最小工作扭转角（φ）为：
sin φ=h /L
（5）
式中，L 为弹簧的臂杆长度。

为了防止装烟时压条损伤烟叶，要求压条距离叶柄端部90mm ，选取L =60mm 。

装烟时弹簧的工作扭矩（M ）为：
M =T φ
（6）所需弹簧最小工作扭矩应满足：
N ×M /L ≥F
（7）
式中，N 为弹簧数量。

联合公式（3）~（7），优选出弹簧数量（N ）、弹簧圈数（n ）的组合具体见表2。

3
弹簧烟竿有限元仿真
3.1
有限元模型和参数设置
为了分析弹簧烟竿在装烟过程中的力学特性，利
用Comsol 软件对弹簧烟竿进行有限元仿真分析，有限元模型如图6所示。

竿体的支撑方管和压条的材料选用Q235，通过查阅国内外相关文献，设置参数见2.1烟梗力学性能参数以及2.2弹簧材料性能参数。

有限元仿真的物理场选用固体力学物理场，根据
15mm
Φ18mm
60mm
Φ23mm
15mm
Φ7mm
3m m
图5竿体弹簧结构图
表2
竿体弹簧优选参数弹簧烟竿
组别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
数量
34569间距/
mm 600400300240150
圈数2
2234
刚度/[N ·mm/（°）]98.9298.9298.9265.9549.46
最小工作压紧力/N 68.9368.9368.9345.9634.47
1
2
3
4
注：1为弹簧；2为压条；3为烟叶叶梗；4为支撑方管。

图6弹簧烟竿二维有限元模型
表2中优选的弹簧数量和弹簧圈数，按照公式（8）在压条上施加弹性力模拟弹簧：
F =T /L arcsin (h /L )
（8）
式中，h 为弹簧臂杆末端张开高度。

约束设置为在支撑方管底部添加辊支承约束，压条、支撑方管的横向位移为0。

3.2
仿真结果
通过有限元分析，得到不同弹簧布置方式下压条的变形分布情况和烟梗的最大应力，见图7和表3。

可以看出，当弹簧数量N =3时，压条的最大变形量为4.19×10-4mm ，压条与烟梗之间存在间隙，装烟时鲜烟叶将发生滑脱现象。

当弹簧数量N >3时，随着弹簧数
量的增加，压条的变形量始终小于0，装烟时鲜烟叶不会滑脱。

同时，烟梗的最大应力逐渐降低，且始终低
图7不同弹簧布置形式烟竿压条变形分布
0.0050
-0.005-0.010-0.015-0.020-0.025
200
400
60080010001200
横向位置/mm
变形量/m m
N =3
N =4N =5N =6N =8
132
于烟梗的抗压强度，烟梗不会发生夹伤现象。

考虑到在弹簧烟竿实施装烟时，需使用拉钩开启弹簧，并将弹簧卡口置于装烟支架的顶部，手臂与施力方向角度约180°。

根据人体工程学相关要求，此时
人体右手最大拉力为60N 。

当弹簧数量N =3~5时，开启弹簧所需的最小工作压紧力为68.93N ，超过人体工程学相关要求，将对操作工实施装烟作业造成困难。

综合关键部件设计和有限元仿真的结果，并结合节约成本的要求，优选弹簧数量N =6、间距240mm ，弹簧圈数n =3，弹簧刚度T max =65.95N ·mm/（°）。

竿体
的尺寸示意图如图8所示。

4
田间试验及效果对比
4.1
材料与方法
田间试验在贵州省黔西市林泉镇烤烟工厂进行，
表3
不同弹簧布置形式烟梗的最大应力和压条的变形
弹簧数量
3
4568
最小工作
压紧力/N 68.9368.9368.9345.9634.47
最大应力/MPa 0.2270.4250.3820.3100.170
最大变形量/mm
4.19×10
-4
-1.86×10-2-1.89×10-2-1.33×10-2-1.12×10-2最小变形量/
mm -9.90×10-3-2.38×10-3-5.03×10-3-4.76×10-3-6.00×10-3
100mm
240mm
240mm
240mm
240mm
240mm
123
456
1400mm
注：1~6分别表示弹簧B 1~B 6。

图8竿体尺寸示意图
供试品种为云烟87，选取田地土壤肥力和田间管理方式相同、成熟度一致的烟叶，分别采用弹簧烟竿、传统竹制烟竿和梳式烟夹装烟，进行鲜烟叶烘烤试验。

烘烤设备为4座规格为2.7m ×9.0m 的标准密集烤房，分为上、中、下三层。

4.2弹簧烟竿实施方式4.2.1
弹簧开启
将弹簧烟竿的竿体和装烟支架置于装烟工作台的正前方，并将竿体卡在支撑杆的固定点之下，烟竿弹簧的簧圈和卡口分别位于支撑杆两侧。

左手按压支撑方管与装烟支架，右手持拉钩依次开启弹簧，并将弹簧脚置于支撑杆顶端卡扣上，如图9所示。

4.2.2鲜烟叶铺放
将烟叶均匀平铺在支撑方管上，厚度40~60mm ，
使烟叶高度略高于弹簧卡口，且不高过工作台挡板。

铺放时烟叶的叶柄应与弹簧圆圈同向，叶柄头与工作台挡板平齐，且压条挤压叶柄位置距离叶柄头90mm 。

4.2.3
压条固定
烟叶铺放结束后，固定压条依次穿入弹簧卡口内。

压条固定完成后，两侧穿出长度应与支撑方管端部基本平齐，如图10所示。

4.2.4卸竿
压条固定完成后，将弹簧烟竿竿体与装烟支架分
离，在抬起弹簧烟竿竿体时摇晃数次，并用手
轻轻扒
图9开启烟竿弹簧
图10铺放烟叶和固定压条
133
202311动烟叶，
使竿内烟叶疏密均匀。

4.2.5
竿体转运及上炕
装烟完成后，左手握住封闭弹簧端支撑方管，右手握住支撑方管中部，将弹簧烟竿转运至密集烤房上炕，如图11所示。

转运过程中切勿触碰压条，以免烟叶脱竿。

4.2.6解烟
初烤烟叶回潮后，将下炕的弹簧烟竿竿体平铺于
装烟工作台的台面上，使支撑方管面朝上。

从弹簧卡口内拉出压条，用压条轻压叶柄，取下支撑方管。

4.3试验结果4.3.1
鲜烟叶滑脱力
装烟完成后，使用推拉力计（NK-300N ，乐清艾德堡）测试鲜烟叶的滑脱力，每个弹簧区间测试5次，每次测试选取4片鲜烟叶。

结果表明，弹簧区间B 1~B 2、B 2~B 3、B 3~B 4、B 4~B 5、B 5~B 6鲜烟叶的平均滑脱力分别
为63.4、60.2、58.1、60.1、61.4N ，总平均值为60.6N 。

对比每个弹簧区间的烟叶平均重量约为27.4N ，弹簧烟竿的平均滑脱力明显大于鲜烟叶重量，烘烤过程中鲜烟叶不会滑脱。

4.3.2
装烟量
从表4可以看出，弹簧烟竿的单炕装烟量较传统竹制烟竿增加了19.6%，而与梳式烟夹的单炕装烟量没有显著差异。

在设备技改成本方面，弹簧烟竿每炕费用为4080元，较梳式烟夹降低了22.3%。

结果表明，采用弹簧烟竿可以控制设备资金投入和有效提高单炕装烟量。

4.3.3
烘烤用工
鲜烟叶烘烤过程包括装烟、上炕、出炕、解烟4个环节，根据鲜烟叶烘烤过程中的用工人数和用工时间折算烘烤用工量。

从表5可以看出：弹簧烟竿的用工
量与梳式烟夹基本相同；与传统竹制烟竿相比，在装烟、解烟、上炕、出炕4个环节使用弹簧烟竿每炕可节省用工4.6个，减少了47.4%。

4.3.4
外观质量
烟叶烘烤结束出炕后，观察密集烤房内未见烟叶
从弹簧烟竿上滑脱现象。

初烤烟叶经回潮后，以叶片结构、身份、油分、色度、成熟度为指标，对比不同装烟方式的烤后烟叶外观质量。

从表6可以看出，弹簧烟竿与梳式烟夹2种装烟方式的烤后烟叶外观质量差异较小，二者的身份、油分、色度和成熟度基本一致，弹簧烟竿的叶片结构优于梳式烟夹。

与传统竹制烟竿相比，弹簧烟竿装烟烤后的叶片结构、身份和色度得到了改善。

5结论
为了提高贵州省毕节烟区烟叶烘烤的效率、降低
生产成本，笔者研制了一种弹簧烟竿，结合理论分析和有限元仿真对弹簧烟竿的关键参数进行了选型优化，并通过田间试验验证其作业效果，得到以下结论。

1）通过鲜烟叶叶梗的力学分析，计算得到烟竿弹
簧的弹簧数量（N ）、弹簧圈数（n ）的优选组合。

利用有限元仿真分析不同弹簧布置形式下压条的变形分布和鲜烟叶梗的最大应力，优选出弹簧数量N =6、间距240mm 、弹簧圈数n =3，此时鲜烟叶装夹牢固、不会损伤叶梗，且符合人体工程学的相关要求。

2）通过田间试验对比了弹簧烟竿、传统竹制烟竿
和梳式烟夹的实施效果，结果表明，与传统竹制烟竿
（下转第145页
）
图11
弹簧烟竿装烟上炕
表4
不同装烟方式的单炕装烟量
装烟方式
弹簧烟竿
传统竹制烟竿
梳式烟夹
烟竿成本/（元·炕-1）40805005250单竿装烟量/kg
14.110.414.2单炕装烟量/kg 423035364260装烟密度/
（kg ·m -2）58.048.558.4表5
不同装烟方式的单炕用工量
单位：（个·炕-1）
装烟方式弹簧烟竿
传统竹制烟竿
梳式烟夹
装烟用工3.27.13.0解烟用工0.50.80.4上炕用工0.91.20.9出炕用工0.50.60.5合计
5.19.74.8表6
不同装烟方式的烤后烟叶外观质量
装烟方式
弹簧烟竿
传统竹制烟竿梳式烟夹叶片结构疏松尚疏松尚疏松
身份
中等稍薄中等
油分有有有
色度强浓强
成熟度成熟成熟成熟
134
（上接第134页）
编烟相比，弹簧烟竿的单炕装烟量增加了19.6%，每炕可节省用工4.6个，且设备技术改造费用比梳式烟夹减少了22.3%，制作成本低，可靠性高，有效降低了装烟和解烟作业时的劳动强度和用工成本。

同时，烤后烟叶外观质量得到了改善，实现了烟叶烘烤环节的减工降本增效，满足了推广应用需要。

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