藥品自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線傳送機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件—軸的設(shè)計(jì)

黃文婷，李旭東，鄒 宇，鄒彩平，龍滿春

（江西農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院，江西 樟樹(shù) 331200）

藥品作為日常生活中必不可少的特殊商品，其質(zhì)量安全直接關(guān)系人們的身體健康，而藥品在生產(chǎn)及流通過(guò)程中又極易受溫濕度、微生物等外部因素影響，導(dǎo)致藥效降低甚至被污染。因此，國(guó)家針對(duì)藥品生產(chǎn)包裝出臺(tái)了一系列政策法規(guī)，就相關(guān)要求進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)范。隨著我國(guó)醫(yī)藥行業(yè)迅猛發(fā)展，藥品種類及產(chǎn)量不斷增加，藥品生產(chǎn)企業(yè)對(duì)藥品自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的要求也逐步提高。因此，研發(fā)一款藥品自動(dòng)化灌裝裝置，對(duì)提高藥品生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效益、滿足市場(chǎng)需求具有十分重要的意義[1]。

1 藥品自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線的研究意義

1.1 國(guó)內(nèi)藥品包裝行業(yè)現(xiàn)狀

隨著中國(guó)制藥行業(yè)的蓬勃發(fā)展，藥品包裝行業(yè)也在飛速發(fā)展，遠(yuǎn)超世界各國(guó)的平均發(fā)展水平。市場(chǎng)調(diào)查的數(shù)據(jù)顯示，目前中國(guó)藥品市場(chǎng)采用的包裝主要有3類：玻璃瓶包裝、輸液用的塑料袋及塑料瓶包裝、鋁塑泡罩包裝及西藥片劑的塑料瓶包裝。

玻璃材料是一種性能穩(wěn)定、便于消毒、阻隔性好的材料，用于藥品包裝能起到較好的保護(hù)作用，可有效保障藥品的化學(xué)性能，因此，其被作為藥品包裝材料大量使用，如常見(jiàn)的口服液瓶、輸液針劑瓶等。

金屬材料在藥品包裝中應(yīng)用較多，最常見(jiàn)的有鋁材，具有金屬光澤、外形美觀、質(zhì)量輕、易開(kāi)封、遮光性、防潮性能好等特點(diǎn)，通常以鋁塑泡罩、鋁塑復(fù)合袋等方式使用[2]。

塑料材料具有可塑性強(qiáng)、易加工、質(zhì)量小、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，特別是可塑性強(qiáng)這一優(yōu)點(diǎn)，使其可被加工為不同規(guī)格、形狀的產(chǎn)品，能夠較好地滿足企業(yè)需求，是目前藥品包裝材料中使用最為廣泛的一種。以“藥都”樟樹(shù)市為例，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2020年6月，樟樹(shù)市共有各類醫(yī)藥生產(chǎn)企業(yè)260多家；2019年，藥品包裝相關(guān)業(yè)務(wù)總支出 30.7億元，同比增長(zhǎng)18.1%。其中，大多數(shù)藥品生產(chǎn)企業(yè)采用了塑料瓶灌裝。

1.2 藥品自動(dòng)包裝機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

藥品包裝機(jī)械是對(duì)藥品進(jìn)行所有或部分包裝過(guò)程的機(jī)械。藥品包裝自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)藥品自動(dòng)化生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，發(fā)展藥品包裝機(jī)械自動(dòng)化，對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度具有顯著的作用，有助于實(shí)現(xiàn)藥品生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)效益的提升，進(jìn)一步增強(qiáng)其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，藥品包裝自動(dòng)化能有效降低生產(chǎn)過(guò)程中外部因素對(duì)藥品的影響，使藥品生產(chǎn)安全得到進(jìn)一步保障[3]。

但調(diào)查顯示，目前，大多數(shù)中小型藥品生產(chǎn)企業(yè)的包裝機(jī)械普遍存在自動(dòng)化程度不高、計(jì)量不精確等問(wèn)題。通過(guò)走訪調(diào)查樟樹(shù)市部分藥品生產(chǎn)企業(yè)，數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)企業(yè)目前仍采用人工包裝，效率較低，同時(shí)存在較大的衛(wèi)生安全隱患，而耗費(fèi)資金購(gòu)買的灌裝生產(chǎn)線設(shè)備普遍處于閑置狀態(tài)，主要是用來(lái)應(yīng)付上級(jí)相關(guān)部門的檢查，導(dǎo)致該類設(shè)備形同虛設(shè)。經(jīng)了解，導(dǎo)致該現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是，購(gòu)買的罐裝生產(chǎn)線設(shè)備存在可操作性不強(qiáng)、性能不穩(wěn)定、計(jì)量準(zhǔn)確性低等問(wèn)題。

1.3 自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線的研究意義

針對(duì)目前樟樹(shù)市藥品生產(chǎn)企業(yè)對(duì)自動(dòng)包裝生產(chǎn)線上手好操作、工作可靠性強(qiáng)、灌裝精確度高等現(xiàn)實(shí)需求，對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線傳送裝置進(jìn)行改進(jìn)，主要包括傳送機(jī)構(gòu)、計(jì)量裝置及控制系統(tǒng)等。設(shè)計(jì)研發(fā)出一種新型機(jī)械自動(dòng)化傳送機(jī)構(gòu)，以加快藥品自動(dòng)灌裝速度，提高自動(dòng)計(jì)量準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)化操作過(guò)程，并且保障無(wú)論是顆粒、膏體、液體或固液混合物等，均能高效灌裝和準(zhǔn)確計(jì)量，實(shí)現(xiàn)藥品灌裝機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的全自動(dòng)化，改變現(xiàn)在手工灌裝模式或半自動(dòng)模式，提升企業(yè)生產(chǎn)水平。

2 藥品自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線的改進(jìn)開(kāi)發(fā)

2.1 藥品自動(dòng)灌裝生產(chǎn)的基本流程

在藥品灌裝生產(chǎn)過(guò)程中，攪拌機(jī)構(gòu)將物料攪拌均勻，通過(guò)灌裝機(jī)構(gòu)將相應(yīng)質(zhì)量的物料裝入料瓶，并傳送到灌藥工位，利用傳感器限制料瓶的位置，使其在指定工位停止。若檢測(cè)結(jié)果顯示物料質(zhì)量低于設(shè)定值，則繼續(xù)加裝藥料，直到達(dá)標(biāo)，料瓶才繼續(xù)向前傳送，再通過(guò)密封機(jī)構(gòu)進(jìn)行封蓋，完成整個(gè)灌裝工序。

藥品自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線主要包括傳送機(jī)構(gòu)、自動(dòng)灌裝機(jī)構(gòu)、理蓋裝置及密封裝置，其中，傳送機(jī)構(gòu)主要由3個(gè)部分組成：灌料計(jì)量裝置、料瓶輸送機(jī)構(gòu)及機(jī)架。灌料計(jì)量裝置負(fù)責(zé)完成物料的計(jì)量以及對(duì)藥品灌裝數(shù)量的控制，并及時(shí)對(duì)灌料不足的料瓶添加物料；料瓶輸送機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)料瓶的供給和分放；機(jī)架是支撐部分。

2.2 現(xiàn)有自動(dòng)灌裝設(shè)備存在的主要問(wèn)題

目前，藥品生產(chǎn)企業(yè)使用的灌裝設(shè)備主要分為直線型和旋轉(zhuǎn)型。

在直線型灌裝設(shè)備中，包裝容器主要做間歇性直線運(yùn)動(dòng)，即以額定數(shù)量的藥瓶為一組，跟隨傳送帶依次向前直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)利用光電傳感器監(jiān)測(cè)料瓶位置，當(dāng)料瓶運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置時(shí)，多頭灌裝器進(jìn)行藥料灌裝。灌裝結(jié)束后，該組藥瓶繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。直線型自動(dòng)灌裝機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但空間利用率低，并且在做灌裝動(dòng)作時(shí)，藥瓶需要靜止等待灌裝完成，生產(chǎn)效率大大降低，無(wú)法滿足大規(guī)模生產(chǎn)作業(yè)的需求。

旋轉(zhuǎn)型灌裝設(shè)備具有占地空間小、可連續(xù)灌裝的特點(diǎn)，即料瓶可在跟隨傳送裝置沿圓周方向做等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)完成灌裝作業(yè)，適用于各類液體物料的連續(xù)生產(chǎn)。該設(shè)備空間利用率高、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)效能大，能滿足大規(guī)模灌裝作業(yè)的需求。但是，連續(xù)式旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要較高的設(shè)計(jì)制造成本，僅適合單一種類物料的灌裝，即液態(tài)藥料的灌裝。

2.3 對(duì)自動(dòng)灌裝設(shè)備的改進(jìn)方案

針對(duì)目前藥品生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有各類型灌裝設(shè)備的特點(diǎn)及存在的突出問(wèn)題，為滿足國(guó)內(nèi)中小型企業(yè)對(duì)灌裝設(shè)備自動(dòng)化、高效率、低成本、適用性強(qiáng)等需求，改進(jìn)設(shè)計(jì)一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的自動(dòng)灌裝設(shè)備。首先，為達(dá)到較高的灌裝效率，減小設(shè)備在廠房的占地空間，可將灌裝機(jī)設(shè)計(jì)為旋轉(zhuǎn)型。其次，為了降低成本、擴(kuò)大物料適用范圍，將灌裝機(jī)運(yùn)動(dòng)方式選定為間歇式。綜合考慮，最終確定將自動(dòng)灌裝設(shè)備改為間歇式旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)。

3 傳送機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件—軸的設(shè)計(jì)計(jì)算

為使藥品自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線達(dá)到預(yù)定的工作要求，主軸是旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)傳送機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和能力計(jì)算兩個(gè)方面。本研究主要完成主軸各個(gè)部分的能力計(jì)算。軸的工作能力計(jì)算指的是軸的強(qiáng)度、剛度以及變形的核算，主要根據(jù)軸的強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以保證其在壽命期限內(nèi)，不會(huì)發(fā)生斷裂或者嚴(yán)重的塑性變形，只有對(duì)剛度有較高要求的軸，才需要進(jìn)一步驗(yàn)證其剛度是否足夠。

3.1 確定主軸轉(zhuǎn)速

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，企業(yè)一般要求灌裝機(jī)每小時(shí)完成600～800瓶物料的灌裝，現(xiàn)假定灌裝機(jī)每小時(shí)的工作量為720瓶。若灌裝機(jī)上有6套相應(yīng)的量杯，則主軸每轉(zhuǎn)一圈完成6瓶藥料的灌裝，那么主軸連續(xù)工作時(shí)的平均轉(zhuǎn)速：

主軸每轉(zhuǎn)一圈需要30 s，每套量杯完成物料灌裝所需的時(shí)間是30 s/6=5 s。由于灌裝機(jī)構(gòu)采用的是一種間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，間歇運(yùn)動(dòng)及中間停止的時(shí)間需要重新分配。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，保證計(jì)量杯中的物料完全落料所需的平均時(shí)間約為4 s，若間歇時(shí)間確定為4 s，運(yùn)動(dòng)時(shí)間應(yīng)為1 s。因此，主軸間歇工作的平均轉(zhuǎn)速：

自動(dòng)灌裝機(jī)的間歇旋轉(zhuǎn)裝置由6個(gè)量杯、轉(zhuǎn)盤及電機(jī) 3個(gè)部分組成，為了保證精準(zhǔn)灌裝，選擇伺服電機(jī)。這樣在保證灌裝精度的同時(shí)，還能利用電機(jī)實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)動(dòng)，不需要采用機(jī)械式的間歇機(jī)構(gòu)（如槽輪、不完全齒輪等），簡(jiǎn)化灌裝機(jī)傳動(dòng)部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

3.2 主軸的設(shè)計(jì)校核

首先，根據(jù)軸所需提供的扭矩估算軸的最小直徑，記為dmin；其次，通過(guò)分析主軸的軸向及周向定位要求及裝配方案，依次確定其他部分的直徑，主軸的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軸的結(jié)構(gòu)

依據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算主軸最小直徑，計(jì)算公式：

式中，P為軸所需傳遞的功率，kW；n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；A為根據(jù)材料的許用切應(yīng)力所確定的系數(shù)。

此處軸材料選用1Crl7Ni2鋼，查表取A=130，則

所設(shè)計(jì)灌裝機(jī)主軸的最小直徑為30.00 mm，大于16.71 mm，滿足強(qiáng)度要求，軸在轉(zhuǎn)板處位置直徑為45.00 mm，也符合強(qiáng)度要求。后續(xù)還可依據(jù)轉(zhuǎn)盤、密封板及密封板上裝配的套筒軸向尺寸及裝配方案，確定主軸上其他軸段尺寸，在此不作詳細(xì)介紹。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著藥品生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展，藥品產(chǎn)量對(duì)藥品包裝生產(chǎn)線提出了更高的要求，針對(duì)目前藥品灌裝生產(chǎn)線自動(dòng)化程度低、效率低、準(zhǔn)確性低等問(wèn)題，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)藥品包裝生產(chǎn)線操作便利、可靠性強(qiáng)、精確度高，有助于對(duì)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)幫扶，服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)。