旋轉(zhuǎn)式中藥自動破碎機的設(shè)計與分析

張樹坤 吳春道 劉俊

摘 要：針對家庭和中藥店等需要破碎中藥的需求，基于“多破少磨”的工藝，提出了一種旋轉(zhuǎn)式中藥自動破碎機，介紹了其工作原理。設(shè)計實驗裝置對不同中藥材進行了力學(xué)實驗，以此為計算依據(jù)，設(shè)計并改進了關(guān)鍵零件。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)式；中藥；破碎機；分析

引言

目前，中藥材越來越廣泛地被使用，在多數(shù)的藥店都可看到有專門的中藥銷售柜臺。在使用過程中，有些中藥材需要經(jīng)過破碎以提高生物利用度。藥材破碎后，增加了表面積，可以促進藥物的溶解與吸收，提高藥材的效率，適當減少用量，有的用量僅為原來的1/3甚至1/5；藥材如果磨碎成粉狀，就有以下不足：（1）與空氣接觸面積增大，易吸潮發(fā)霉變質(zhì)；（2）對含淀粉、粘液質(zhì)較多的藥材煎煮時更宜糊化，增加藥液的粘度，不利于浸出。所以，對中藥的加工工藝提出“多破少磨”的要求。目前，中藥店使用人力破碎的還很普遍，工作量大，破碎效果依賴于操作人員的判斷，針對這一情形，設(shè)想能否利用小型簡單的機械設(shè)備來自動破碎。

破碎設(shè)備多用在礦石開采等場所，家用及一些小型化的粉碎設(shè)備也在增多，主要有錘式粉碎機、刀式粉碎機、齒式粉碎機等種類。結(jié)合“多破少磨”的工藝以及小型化、簡單化的特點，提出了旋轉(zhuǎn)式破碎中藥裝置，依據(jù)實驗進行受力分析并對破碎用刀具進行校核改進。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

基于UG軟件， 采用自頂向下的設(shè)計模式， 完成了中藥破碎裝置的產(chǎn)品總裝、部裝和零件信息模型，建立了數(shù)字化裝配模型。旋轉(zhuǎn)式中藥破碎裝置組成及傳動系統(tǒng)如圖1、圖2及圖3所示。

2 破碎實驗

為了設(shè)計旋轉(zhuǎn)式中藥破碎裝置，需要確定執(zhí)行破碎零件所受的載荷，以此為依據(jù)設(shè)計承載零件以及傳動系統(tǒng)。為了獲取初始數(shù)據(jù)，設(shè)計了實驗裝置并進行實物實驗。

2.1 實驗原理

本實驗原理如圖4所示。其中上方的物塊質(zhì)量為m，距離地面的高度為h，在物塊的正下方是待測的中藥材，在實驗中測量物塊碰到待測中藥材到停止下來的時間為t（s）。

本原理是基于理想狀態(tài)下進行測試，假設(shè)一：物塊做自由落體運動；假設(shè)二：物塊碰到中藥材后是對心碰撞，且只經(jīng)歷一次碰撞，末狀態(tài)為兩者速度均為0。依據(jù)牛頓第二定律、加速直線運動規(guī)律和動量守恒定律，可得：

其中，v0=0m/s，vt近似認為物塊剛碰到待測中藥材時的初速度，F(xiàn)近似認為物塊與待測中藥材作用的平均作用力。

在圖4中，3.盛物板與4.支架之間高度h可調(diào)，1.質(zhì)量為m的物塊，2.支撐板，5.待測中藥材。

2.2 實驗方法

本實驗主要采用控制變量法，根據(jù)F=■■，控制影響力的因素物塊質(zhì)量m和物塊的下落高度h以及中藥材的種類。

2.3 實驗過程及結(jié)果記錄與分析

實驗選取了冰片、薏米、姜黃、當歸、三七、甘草、黃芪、蓮子、大青鹽和白礬十種中藥材進行實驗；實驗用的物塊質(zhì)量有0.2kg、0.4kg、0.6kg、0.8kg、1.0kg和1.2kg，物塊自由下落的初始高度設(shè)置在離中藥材上方高度h=0.5m的地方。實驗中假設(shè)只有一次碰撞，且末狀態(tài)為兩者速度都為0。表1中記錄了物塊剛碰到中藥材到碰撞結(jié)束所用時間為t（s），其中+表示待測的中藥材已完全破碎或分為不相連的幾部分。

表1 破碎實驗

表2是根據(jù)實驗一由公式F=■■得破碎以上十種中藥材至少需要的力為F（N）。

表2 破碎實驗結(jié)果

3 刀片受力分析

通過了解本裝置的結(jié)構(gòu)，可知主要是依靠瞬時的沖擊力使中藥材破碎。首先，分析轉(zhuǎn)速，根據(jù)圖3傳動系統(tǒng)圖可知，該裝置的刀片與內(nèi)腔的轉(zhuǎn)向相反。設(shè)定刀片的轉(zhuǎn)速為n0，其中齒輪20、21、23、24、19的齒數(shù)分別為Z1=58、Z2=32、Z3=36、Z4=20、Z5=35，則內(nèi)腔10的轉(zhuǎn)速n1：

（1）

根據(jù)電機轉(zhuǎn)速為n=4500r/min，功率p=0.75kw，則刀片17轉(zhuǎn)速n0=4500r/min，根據(jù)公式（1）可得內(nèi)腔轉(zhuǎn)速為n1=1596r/min。

選用刀片材料為45，可查到其力學(xué)性能參數(shù)：泊松比μ=0.269，楊氏模量E=2.09×l05MPa，應(yīng)力屈服極限σs=355MPa，安全系數(shù)n=5.92，即材料修正應(yīng)力極限為60MPa。刀片調(diào)質(zhì)處理，彎曲許用應(yīng)力[？滓]=60Mpa，其破碎用刃口主要分布于半徑2cm～5cm處，現(xiàn)用于破碎單顆質(zhì)量大約為0.01kg的白礬顆粒。由于顆粒較小，故假設(shè)刀片刃口處受到的沖擊力與半徑大致呈線性關(guān)系，根據(jù)破碎此種規(guī)格的白礬需要的最小力約為31N，可得刃口處受力為：F=1550x，x∈（0.007，0.05）。則刀片在單個齒相當于懸臂梁結(jié)構(gòu)，有懸臂梁結(jié)構(gòu)的危險截面可知，在齒根處最危險，現(xiàn)進行理論計算。

由剪力與彎矩微分關(guān)系可知：

（2）

則彎矩

刀片在齒根部的截面為矩形（如圖5所示），寬a=2mm，高b=10mm。由矩形截面的抗彎截面系數(shù)以及彎曲正應(yīng)力的強度條件得：

（3）

（4）

其中b為矩形截面寬度，h為截面高度。

聯(lián)立（3）、（4）可得？滓max=57Mpa<[？滓]。

根據(jù)條件，在UG7.5軟件中進行參數(shù)化建模，并在高級仿真模塊下對其進行結(jié)構(gòu)分析。刀片模型如圖6所示。進行有限元分析時定義刀片材質(zhì)為45鋼，劃分網(wǎng)格大小為1mm的3D四面體網(wǎng)格；載荷設(shè)為線性載荷，分別作用于刀片的三條刃口處；約束固定了刀片與軸相連的底部凸臺；經(jīng)過迭代求解得到刀片的應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖6 改進后刀片結(jié)構(gòu)模型圖 圖7 改進后刀片有限元分析應(yīng)力云圖

由圖7可得改進后刀片的最大應(yīng)力為？滓=29.15Mpa<[？滓]，比初始的設(shè)計減少了許多，同時刀片齒數(shù)的減少，也相對降低了加工成本，改進后的刀片結(jié)構(gòu)在滿足工作要求的前提下，相對提高了刀片的可靠性以及使用壽命。

4 結(jié)束語

4.1 本文設(shè)計的旋轉(zhuǎn)式中藥破碎裝置結(jié)構(gòu)輕巧，操作方便。

4.2 本裝置采用的刀片與內(nèi)腔同時轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向相反，相對增大了破碎的沖擊力，節(jié)能并提高破碎效率，符合“多破少磨”的中藥加工工藝要求。

4.3 對不同種類中藥材進行力學(xué)實驗，基于實驗結(jié)果進行刀片的受力分析并根據(jù)理論計算和應(yīng)力云圖進行改進，可靠地保證了刀片的強度及使用壽命。

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