快拆清潔刷及應(yīng)用該清潔刷的小型粉碎機(jī)的設(shè)計

王旖旎

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421005）

0 引言

在高校實(shí)驗(yàn)室或科學(xué)研究所，對食品或藥品固體樣品進(jìn)行理化分析時，小型粉碎機(jī)（打粉機(jī)）通常是對樣品進(jìn)行預(yù)處理的必備設(shè)備。在醫(yī)院或中藥店，對三七、靈芝、珍珠等硬度較高、手工不易粉碎的固體藥物，為方便顧客，經(jīng)常用粉碎機(jī)代客加工。在家庭廚房或食品加工小作坊，須碾碎五谷雜糧及炒菜、煲湯、調(diào)餡用調(diào)料，小型粉碎機(jī)是不可缺少的工具，它能減輕人的操作負(fù)擔(dān)，節(jié)省時間、提高效率、保證產(chǎn)品品質(zhì)，在醫(yī)藥、食品行業(yè)具有實(shí)用價值。

1 設(shè)備故障分析及技術(shù)改進(jìn)的必要性

小型粉碎機(jī)使用范圍廣泛，有較強(qiáng)的實(shí)用性，給人們的工作、生活帶來了很多便利。粉碎機(jī)粉碎的固態(tài)物料，硬度較高，一旦粉碎機(jī)使用頻率過高，會容易發(fā)生故障。實(shí)際使用中也的確如此，在高校實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生人數(shù)多，設(shè)備數(shù)量有限，要完成一次試驗(yàn)，會過度使用粉碎機(jī)，這樣一臺粉碎機(jī)最長能用兩、三年，最短只能用幾個月。根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，粉碎機(jī)故障的大多數(shù)原因是刀片與待粉碎固體間發(fā)生卡滯，刀片無法轉(zhuǎn)動，或者被卡住的粉碎機(jī)刀頭與電機(jī)轉(zhuǎn)軸間發(fā)生滑脫，甚至直接斷裂。

為節(jié)省開支，減少浪費(fèi)，延長粉碎機(jī)的使用壽命，部分研究人員對其進(jìn)行了研究，防卡滯粉碎機(jī)（ZL201721118357.5）是其中一例。防卡滯粉碎機(jī)包括底座和位于底座上部的粉碎腔，粉碎腔上部有一頂蓋，底座內(nèi)有一驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)的電機(jī)軸穿出底座上部并伸至粉碎腔內(nèi)，電機(jī)軸的頂端可拆卸地安裝防卡滯刀頭。防卡滯刀頭包括安裝在電機(jī)軸頂端的刀頭本體和對稱安裝在刀頭本體上的兩組刀片組，刀片組由多個層疊布置的月牙形刀片組成，刀片組最底部的刀片刃部向粉碎腔底面傾斜并貼緊粉碎腔底面。分析發(fā)現(xiàn)，采用該方案設(shè)計的粉碎機(jī)降低了粉碎機(jī)因卡滯而發(fā)生破損性故障的可能性，但是仍舊忽視了粉碎腔內(nèi)的清潔度，這是一個導(dǎo)致粉碎機(jī)卡滯的重要因素。

基于這些情況，該文對該技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計了一種專用快拆清潔刷，并用該清潔刷清潔粉碎腔的粉碎機(jī)。該粉碎機(jī)能夠根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不同的離心力，來實(shí)現(xiàn)刷頭對粉碎腔內(nèi)不同位置的清潔。充分利用離心力的作用，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的不足，有效保證了粉碎腔內(nèi)的清潔度，減少了刀片與固體物料間可能發(fā)生的卡滯，延長了機(jī)器的使用壽命，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價值。

2 裝置總體方案設(shè)計

該設(shè)計的目的是提供一種快拆清潔刷和應(yīng)用該清潔刷的粉碎機(jī)。按照該目的設(shè)計的裝置如圖1～圖4所示。

2.1 快拆清潔刷

快拆清潔刷由主軸、彈簧鋼片（包括限位凸緣）、清潔刷頭（包括滑套、刷毛組件、圓形滑輥、刷頭安裝位）3個部分組成，如圖1、圖2所示。

2.2 應(yīng)用快拆清潔刷的粉碎機(jī)

應(yīng)用快拆清潔刷的粉碎機(jī)主要由底座、電機(jī)、控制系統(tǒng)、粉碎腔頂蓋、刀頭、快拆清潔刷等組成，如圖3、圖4所示。在粉碎物料時，將刀頭安裝在驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，對物料進(jìn)行粉碎；在粉碎腔需要清潔時，拆下刀頭，將快拆清潔刷安裝到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，對粉碎腔進(jìn)行清潔。

3 裝置各部件設(shè)計

3.1 快拆清潔刷的設(shè)計

圖1 快拆清潔刷示意圖

圖2 清潔刷頭示意圖

快拆清潔刷的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，兩端部設(shè)有向內(nèi)凹陷的插孔的圓柱形主軸，主軸兩側(cè)水平對稱插裝有兩組“八”字形的彈簧鋼片，彈簧鋼片從靠近主軸的一側(cè)向遠(yuǎn)離主軸的一側(cè)逐漸散開，彈簧鋼片外套接有可以沿著彈簧鋼片表面自由滑移的清潔刷頭。

3.1.1 主軸

主軸位于清潔刷的中心位置。由于主軸的下端部有接合組件（凹陷插孔），在對粉碎腔進(jìn)行清潔時，只需通過主軸上的凹陷插孔就可快速地將清潔刷安裝在粉碎機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。電機(jī)啟動，電機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動清潔刷一起轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)清潔刷刷頭對粉碎腔的清潔作用；當(dāng)粉碎腔被清潔完后又可快速地將清潔刷從電機(jī)轉(zhuǎn)軸上拆卸下來。上述操作簡單易行，使用起來方便靈活。

3.1.2 彈簧鋼片

彈簧鋼片是一種彈性件，它具有良好的彈性，在規(guī)定的范圍內(nèi)，彈性變形的能力使它能夠承受一定范圍內(nèi)的載荷，在載荷去除后不會出現(xiàn)永久變形。由于它在動載荷環(huán)境下工作，具有較高屈服強(qiáng)度。正因?yàn)閺椈射撈羞@些特性，使套裝在外的清潔刷在進(jìn)行清潔工作時，刷頭能夠隨著機(jī)器轉(zhuǎn)速的不同而沿著彈簧鋼片自由滑動，轉(zhuǎn)速越小越靠近主軸，轉(zhuǎn)速越大越遠(yuǎn)離主軸，刷毛所到處，就對該處進(jìn)行刷凈，直至將粉碎腔內(nèi)各個位置都清潔到，自由滑動過程中彈簧鋼片不會因此而發(fā)生變形。

3.1.3 清潔刷頭

清潔刷頭包括可在彈簧鋼片上自由滑動的滑套，以及可拆卸的安裝在滑套外的刷毛組件，這種結(jié)構(gòu)設(shè)置使刷毛組件運(yùn)動靈活。當(dāng)電機(jī)開啟，主軸逐漸轉(zhuǎn)動時，滑套會在逐漸變大的離心力作用下漸漸從靠近主軸的一側(cè)滑向遠(yuǎn)離主軸的一側(cè)，相應(yīng)地刷毛組件也跟著滑套由近及遠(yuǎn)滑動，從而完成對粉碎腔各個位置的清潔。每個彈簧鋼片外緣遠(yuǎn)離主軸一側(cè)設(shè)有一限位凸緣，限位凸緣起阻擋作用，這樣就避免了機(jī)器高速轉(zhuǎn)動時清潔刷頭從彈簧鋼片上滑脫的可能性，保障了機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時刷頭的安全性。

為了減少滑套滑動過程中與彈簧鋼片間的摩擦，在上述技術(shù)基礎(chǔ)上作改進(jìn)，在兩滑套內(nèi)側(cè)各增設(shè)1個與彈簧鋼片相配合的圓形滑輥，這樣有利于滑套在彈簧鋼片上自由運(yùn)動，減少卡滯的可能性；在滑套外側(cè)設(shè)有若干個刷頭安裝位，這樣可以根據(jù)需要將刷毛組件插裝在不同刷頭安裝位上，而且在更換清潔刷時，只需將該側(cè)的刷毛組件從刷頭安裝位上拆下即可，避免了對清潔刷的整體更換，拆裝方便，省時省力省成本。

3.2 應(yīng)用快拆清潔刷的粉碎機(jī)的設(shè)計

如圖3、圖4所示，該粉碎機(jī)包括底座和設(shè)于底座上方的粉碎腔，粉碎腔上部設(shè)有一頂蓋，底座內(nèi)設(shè)有驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上可拆卸安裝刀頭，粉碎機(jī)還包括圖1所示的快拆清潔刷。

3.2.1 底座

底座是整個粉碎機(jī)的承重部件，它將支撐整個機(jī)器的質(zhì)量。一般來說底座的結(jié)構(gòu)決定了整個機(jī)器的穩(wěn)定性，在設(shè)計底座時需要保證整個裝置穩(wěn)定，即正常工作時不會晃動和倒塌，因此底座材料的選擇非常重要。該設(shè)計的底座采用耐震動不易變形的鑄鐵作為材料。為防止鑄鐵表面生銹，外加1層0.3mm～0.5mm厚的不銹鋼板，衛(wèi)生又美觀。電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可能會產(chǎn)生較大噪聲，在底座內(nèi)側(cè)可以設(shè)置1層吸音棉。吸音棉是一種人造無機(jī)纖維，有消音的作用，減少震動和噪聲污染。

3.2.2 粉碎腔

粉碎腔是粉碎機(jī)的主要部件，物料的粉碎就在其中完成。因粉碎腔直接與物料相接觸，粉碎腔嚴(yán)格按照藥品GMP標(biāo)準(zhǔn)制作，均采用全優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料，這樣完全符合中藥忌鐵要求及GMP要求，清潔衛(wèi)生，符合食品和中藥材生產(chǎn)加工衛(wèi)生要求。

圖3 粉碎機(jī)示意圖

圖4 頂蓋局部放大示意圖

3.2.3 電機(jī)、軸承及控制系統(tǒng)

考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊性和裝置的穩(wěn)定性，電機(jī)縱向安裝于底座中心，電機(jī)轉(zhuǎn)軸穿出底座上部并伸至粉碎腔內(nèi)，轉(zhuǎn)軸上端呈正四方形。粉碎機(jī)最關(guān)鍵的部件是電機(jī)和軸承，電機(jī)和軸承的好壞決定粉碎機(jī)使用壽命的長短。為了讓產(chǎn)品經(jīng)久耐用，尤其在使用頻率高的實(shí)驗(yàn)室，筆者根據(jù)粉碎機(jī)粉碎量的多少來選擇與它相適應(yīng)的電機(jī)，該粉碎機(jī)選用超耐用精品純銅電機(jī)，軸承采用優(yōu)質(zhì)軸承。因?yàn)榱淤|(zhì)電機(jī)與精品電機(jī)成本相差100～300元，劣質(zhì)軸承與優(yōu)質(zhì)軸承價格相差近3倍，其使用壽命相差也在3倍以上。

除電機(jī)以外，粉碎機(jī)還包括一個設(shè)于底座內(nèi)的電機(jī)控制器以及設(shè)于底座上的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕。電機(jī)控制器控制整個裝置的啟動和關(guān)閉；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕能夠使電機(jī)控制器控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)清潔過程所需不同轉(zhuǎn)速。

3.2.4 粉碎腔頂蓋

粉碎腔頂蓋位于裝置最上部，其頂面中心設(shè)有一定位銷柱，定位銷柱可插入快拆清潔刷主軸的插孔內(nèi)。定位銷柱包括相互套裝的銷柱本體和若干微型軸承，銷柱本體的下方呈細(xì)長的軸體，軸體底部設(shè)有外螺紋段，外螺紋段上安裝限位螺母。

定位銷柱的作用是對正主軸插孔，限制主軸的自由運(yùn)動度。物體在空間內(nèi)有6個自由度，X、Y、Z軸向的直線運(yùn)動以及繞著X、Y、Z的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。該處定位銷柱限制了主軸X、Y軸向的直線運(yùn)動，保證清潔刷工作時其主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)軸始終處于同軸的位置，不產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。限位螺母用來調(diào)節(jié)定位銷柱長度的極限位置，限制其Z向的直線運(yùn)動，并保證清潔刷工作時定位銷柱與主軸凹陷插孔間不產(chǎn)生滑動。微型軸承的作用是支撐定位銷柱，降低其旋轉(zhuǎn)過程中的摩擦系數(shù)，保證其回轉(zhuǎn)精度。

4 工作原理

粉碎物料前，先將粉碎機(jī)放平，接通電源，空轉(zhuǎn)1 min左右，觀察刀片轉(zhuǎn)動情況及噪聲大小。若噪聲大，則立即關(guān)閉電源，通過粉碎機(jī)地腳調(diào)平。然后往粉碎腔內(nèi)喂料，腔內(nèi)物料要盡量放置均勻，以免粉碎過程因質(zhì)量不均而致轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動不平衡，影響粉碎機(jī)的壽命。

蓋上頂蓋，開啟電源，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，粉碎腔內(nèi)的刀片隨著電機(jī)也開始轉(zhuǎn)動，短時間內(nèi)速度增加很快直至平穩(wěn)。物料在高速旋轉(zhuǎn)的刀片的打擊、撕裂、搓擦作用下逐漸被粉碎。若粉碎量多，機(jī)器使用頻率過高，粉碎過程中待粉碎物與刀片間難免發(fā)生卡滯，出現(xiàn)刀片難以轉(zhuǎn)動或刀片滑脫等情況，這時需要立即關(guān)閉電源，清潔粉碎腔。拆下刀頭，通過主軸將清潔刷安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，蓋上頂蓋，用定位銷柱固定主軸，注意螺母必須旋緊，不能有松動。在清潔粉碎腔時，清潔刷隨著驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同而對粉碎腔內(nèi)的不同位置進(jìn)行清潔，轉(zhuǎn)速慢時離心力小，刷頭只對距離轉(zhuǎn)軸較近的位置進(jìn)行清潔，轉(zhuǎn)速快時離心力大，刷頭滑向遠(yuǎn)處，對距離轉(zhuǎn)軸遠(yuǎn)的位置進(jìn)行清潔。電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，清潔刷的刷毛組件受到離心力作用越大，刷頭更加緊密貼合粉碎腔壁面，從而獲得更好的清潔效果。要全面清潔粉碎腔，只須通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可實(shí)現(xiàn)對粉碎腔各個位置的清潔，不留死角。

清潔完后，關(guān)閉電源，卸下清潔刷，重新裝上刀頭，喂料繼續(xù)粉碎。待粉碎腔內(nèi)物料粉碎徹底后關(guān)機(jī)，取出物料，清理粉碎腔內(nèi)殘留物。

5 技術(shù)創(chuàng)造性與先進(jìn)性

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該設(shè)計非常巧妙，具體表現(xiàn)如下：1）快拆清潔刷的設(shè)計，粉碎機(jī)不同的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生的離心力不同，刷頭沿著彈簧鋼片自由滑動，充分利用離心力的作用來實(shí)現(xiàn)對粉碎腔內(nèi)不同位置的清潔。2）清潔刷具有可快速安裝在粉碎機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的主軸，易于安裝和拆卸清潔刷，操作方便靈活。3）清潔刷具有可拆卸的刷頭，相對現(xiàn)有技術(shù)的清潔刷刷頭位置固定的設(shè)計，隨著轉(zhuǎn)速的提高，該清潔刷的清潔效果得到了提高。即電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，刷頭會受到更大的離心力作用，從而使刷毛組件更加緊密貼合粉碎腔壁面，有效提高了刷毛對粉碎腔壁面的清潔效果。4）滑套外側(cè)設(shè)有若干個刷頭安裝位，使刷毛組件安裝與更換更方便，避免了對清潔刷的整體更換，拆裝方便，省時省力省成本。5）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕能夠使電機(jī)控制器控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)清潔過程所需不同轉(zhuǎn)速。

6 結(jié)論

該粉碎機(jī)彌補(bǔ)了現(xiàn)有小型粉碎機(jī)的不足。設(shè)計的快拆清潔刷，能夠?qū)Ψ鬯榍粌?nèi)進(jìn)行全方位清潔，有效保證了粉碎腔的清潔度，減少了刀片與固體物料間可能發(fā)生的卡滯，延長了機(jī)器的使用壽命。

清潔容易，清潔刷安裝、拆卸、更換簡單。粉碎操作簡便，容易使用。該裝置適用于醫(yī)院中藥房、中藥店、保健品銷售柜臺、中藥研究所、實(shí)驗(yàn)室、中藥加工廠、私人診所以及家庭廚房粉碎米類、豆類、調(diào)料和自制營養(yǎng)餐、營養(yǎng)湯等場景。一旦進(jìn)入市場，其實(shí)用性定會迎合消費(fèi)者需求，推廣前景非常廣闊。