環(huán)保型中藥材撞藥機的設(shè)計與試驗

張鵬霞，盧軍黨，楊志冬，楊 震，劉東琴，張博然

（陜西省農(nóng)業(yè)機械研究所有限公司，陜西咸陽 712000）

0 引言

中藥材在炮制、調(diào)配或制劑之前，選取規(guī)定的藥用部位去除雜質(zhì)和非藥用部位以符合用藥要求，這一過程為藥材的凈制，是藥材的初步加工過程[1]。按照中藥材的具體情況，常用的方式有挑選、篩選、風(fēng)選、漂洗、剪切、刮削、剔除、刷、擦、碾、撞、壓榨等[2]。撞是將藥材放在一定容器內(nèi)，用力沖撞，以達到去毛、根須以及老皮的目的，常用于根類藥材凈制，如知母、骨碎補、黃芩、蒼術(shù)、大黃等。

生產(chǎn)中常用的撞藥機有篩式和滾筒式兩種。篩式撞藥機是由人工撞藥所用的吊篩發(fā)展而來的，采用四連桿機構(gòu)，篩體作簡諧運動，藥材在篩內(nèi)作往復(fù)直線運動，在加工中使藥材與藥材之間及藥材與篩壁產(chǎn)生撞擊與摩擦使老皮與根須脫掉[3]，然后雜質(zhì)從篩底分離出去。優(yōu)點是便于操作，加工出來的藥材顏色好，缺點是機具平穩(wěn)性差、噪聲較大、效率低。

滾筒式撞藥機主要利用窩眼分離原理[4]，當(dāng)藥材在筒內(nèi)隨滾筒轉(zhuǎn)至重力大于其運動離心力時，則下落與其他藥材互相碰撞，且與滾筒壁產(chǎn)生撞擊與摩擦，剝落藥材外表面的老皮根須等，形成的雜質(zhì)從窩眼分離出筒外。由于該機工作原理要求其轉(zhuǎn)速不能過高，所以要獲得一定的生產(chǎn)率，滾筒直徑都很大，這樣就使較輕的雜質(zhì)（因其重力?。┎灰追蛛x出來，使藥材與雜質(zhì)、碎土一起長時間摩擦，加工后的藥材顏色較差。滾筒式撞藥機根據(jù)滾筒截面形狀分為圓筒、方筒、六方筒等，根據(jù)窩眼形式又可分為孔板式、網(wǎng)孔式等。大多無除塵裝置，作業(yè)時揚塵污染環(huán)境現(xiàn)象嚴重。

貴州佐力機械科技有限公司楊佐永公開了一種棱角滾筒篩選除塵機[5]，包括機架、驅(qū)動電機、內(nèi)筒和外筒，機架上設(shè)有滾筒拖輪，內(nèi)筒的外側(cè)設(shè)有與滾筒拖輪相匹配的環(huán)形軌道，滾筒拖輪通過皮帶與驅(qū)動電機傳動連接，外筒的左側(cè)為進料口、其右側(cè)為出料口，內(nèi)筒為中空六棱柱形，并在內(nèi)筒上開設(shè)有若干個篩孔；內(nèi)筒的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有若干個導(dǎo)流板；上一個導(dǎo)流板與下一個導(dǎo)流板之間為螺旋形通道，抽風(fēng)口從外筒頂部抽塵。湖北坤艷藥業(yè)有限責(zé)任公司的楊年軍公開了一種便于除塵的中藥滾筒篩[6]，包括機殼、機殼的前壁通過合頁安裝有開關(guān)門，圓形篩筒固定安裝在機殼內(nèi)部，旋轉(zhuǎn)推桿上安裝有推料板，在機殼頂部設(shè)置有吸塵罩，吸塵罩上連接有吸塵管道，機殼左側(cè)通過支架安裝有風(fēng)機，風(fēng)機與風(fēng)箱相連，風(fēng)箱通過連接管與下灰筒相連。此兩種機型雖增加了除塵裝置，但因存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、藥材適應(yīng)性差、操作維護不方便等因素未在市場形成應(yīng)用。

針對現(xiàn)有撞藥機存在的效率低、揚塵污染、物料適應(yīng)性差、使用維護不方便等問題，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論分析和計算，設(shè)計了一款環(huán)保型中藥材撞藥機。同時用干制大黃塊進行了樣機試驗，對其凈制和除塵效果進行了驗證，對工作效率進行了測試，為中藥材凈制加工設(shè)備的設(shè)計提供了有力的參考。

1 整機設(shè)計及工作原理

1.1 整機設(shè)計

撞藥機設(shè)計采用滾筒式撞擊和布袋除塵原理，主要由機架、轉(zhuǎn)籠、機罩、減速電機、聯(lián)軸器、風(fēng)機、抽塵軟管、集塵袋等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。整機分為轉(zhuǎn)籠凈制、環(huán)保除塵兩個功能模塊，轉(zhuǎn)籠凈制模塊在前方，除塵模塊在后部。轉(zhuǎn)籠為八角中空結(jié)構(gòu)，減速機通過聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)籠的法蘭軸相連，轉(zhuǎn)籠兩端的法蘭軸通過軸承座安裝在機架上。機罩將轉(zhuǎn)籠完全罩住，底部留有排雜口，前部開有活動門；除塵抽風(fēng)口設(shè)在機罩頂部，通過抽塵軟管連接風(fēng)機和布袋除塵器。減速機在工作和卸料時輸出兩種轉(zhuǎn)速，正常工作時為較高速度，卸料時為較低速度。

圖1 撞藥機結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

撞藥機原理如圖2所示。工作時，轉(zhuǎn)籠帶動物料在籠內(nèi)進行轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)到一定高度時物料因重力大于離心力而墜落到相對的籠板平面上，此時運動著的籠板平面及其上物料與墜落的物料之間發(fā)生撞擊和摩擦，撞擊力使物料表面的須根、粗皮、泥土等非藥用部分脫離，達到凈制目的。撞擊同時產(chǎn)生的雜質(zhì)和揚塵從籠板的孔隙中分離出來，顆粒大的雜質(zhì)落到地面，揚塵被機罩罩住不使發(fā)生外逸。離心風(fēng)機產(chǎn)生負壓，外界空氣從機罩底部排雜口處進入，在機罩內(nèi)部形成自下向上的氣流，揚塵在氣流作用下通過機罩頂部的抽風(fēng)口和風(fēng)機進入布袋，粉塵截留到布袋中，干凈空氣重新排到空氣中。可通過變頻器調(diào)整轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速，通過時間繼電器調(diào)節(jié)工作時間。

圖2 撞藥機原理示意圖

2 轉(zhuǎn)籠結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)籠結(jié)構(gòu)如圖3所示，截面為正八角形，由轉(zhuǎn)籠架、籠門、孔板和法蘭軸組成。由于轉(zhuǎn)籠工作時為低速運轉(zhuǎn)，故轉(zhuǎn)籠軸設(shè)計成半軸形式結(jié)構(gòu)，與通軸相比可減小整機重量且不占用籠內(nèi)空間?；\門與轉(zhuǎn)籠用合頁連接，工作時用快裝鎖扣鎖緊，操作輕便。孔板為不銹鋼材質(zhì)，不會對藥材藥性造成影響；開孔為凸出起鼓孔如圖4所示，可增大撞擊面積，提高撞擊效率，減少工作時間；孔板與轉(zhuǎn)籠架為螺栓連接，方便更換，以適應(yīng)加工不同種類藥材。

圖3 轉(zhuǎn)籠結(jié)構(gòu)圖

圖4 孔板結(jié)構(gòu)圖

3 除塵系統(tǒng)設(shè)計

中藥材與糧食均屬于農(nóng)產(chǎn)品，所以除塵設(shè)計參考糧食加工行業(yè)的通風(fēng)除塵系統(tǒng)，其中最常用的是機械式和過濾式除塵器[7]。機械式除塵器中的離心式除塵器因體積小、結(jié)構(gòu)簡單、除塵效率高而應(yīng)用廣泛，而過濾式除塵器中的布袋除塵器因使用方便、除塵效率高，一般情況下含塵氣流一次過濾即可達到環(huán)境排放標準也最為常用。撞籠工作過程逸出的主要為粒徑5 μm以下粉塵，適合最小捕集粉塵5 μm以下的除塵器還有電除塵器。將三種除塵器特點[7]進行比較如表1，綜合使用方便性、成本以及除塵效率選擇常用的布袋除塵器?？紤]到設(shè)備的實用性，采用簡易壓氣式布袋除塵器[8]，布袋位于風(fēng)機后端，制造容易、操作方便、造價低。

表1 除塵器的性能特點

吸塵罩是通風(fēng)除塵系統(tǒng)的重要構(gòu)件之一，其結(jié)構(gòu)和形狀是否符合含塵氣流流動規(guī)律關(guān)系著通風(fēng)除塵系統(tǒng)能否高效率地捕捉住粉塵，能否控制住粉塵以及含塵氣流的飛揚[9]。粉塵的捕捉方式分為被動式和主動式兩種，本撞藥機中粉塵產(chǎn)生和擴散伴隨整個工作過程，故只能采用被動式粉塵捕捉方式，即通過吸塵罩的吸風(fēng)作用將飛揚的粉塵捕捉到除塵系統(tǒng)。由于轉(zhuǎn)籠體積較大所以產(chǎn)生的揚塵面積也大，相比開放式吸塵罩而言密閉式可以節(jié)省風(fēng)量從而降低風(fēng)機能耗[10]，設(shè)計采用將轉(zhuǎn)籠完全包裹的密閉式吸塵罩。機罩也是吸塵罩，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。除塵抽風(fēng)口設(shè)置在頂部，底部留排雜口，也是進風(fēng)口；在機罩兩端面與軸承座對應(yīng)處也各開有進風(fēng)口，便于轉(zhuǎn)籠端部含塵氣流向中部集中；另機罩前方設(shè)計大尺寸活動門，與機罩用合頁連接，氣彈簧支撐，方便使用和維護。

圖5 機罩結(jié)構(gòu)圖

除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由機罩、導(dǎo)風(fēng)管、風(fēng)機、過濾布袋組成。該系統(tǒng)的優(yōu)點是當(dāng)風(fēng)機風(fēng)量一定時，機罩的進風(fēng)口面積決定著機罩內(nèi)部的氣流速度，所以對風(fēng)機風(fēng)量要求可適當(dāng)放寬，以揚塵不發(fā)生外逸為目的，可減小除塵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和能耗；撞擊過程產(chǎn)生的揚塵一經(jīng)產(chǎn)生便處于穩(wěn)定的氣流中，并隨之帶到頂部的抽風(fēng)口，減少了發(fā)生外逸的可能；雜質(zhì)及揚塵即時與藥材分離，藥材表面干凈顏色鮮亮。

圖6 除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 動力選型

首先對轉(zhuǎn)籠進行三維建模，并以大黃塊為原料進行仿真模擬。經(jīng)測試大黃塊的容重為445 kg/m3，在轉(zhuǎn)籠內(nèi)大黃塊最大裝料量1/2容積情況下，計算轉(zhuǎn)籠工作啟動的瞬間所需功率。計算公式：

式中，P—所需功率（W）；

J—轉(zhuǎn)動慣量（kgm2）；

ω—角速度（rad/s）；

△t—加速時間，取0.5 s；

η—系統(tǒng)傳動效率，取0.87；

S—安全系數(shù)，取1.2。

由三維建模及仿真得出加入大黃后的轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)動慣量為J=47.47 kgm2，轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速40 r/min（前期臺架試驗得出）。

根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)備動力選用2.2 kW減速比為1∶35的擺線針輪減速機。

5 風(fēng)機選型

由于除塵系統(tǒng)主要以罩口風(fēng)速是否能有效捕捉粉塵為除塵效果的主要影響因素，而影響罩口風(fēng)速的主要因素是風(fēng)機的吸風(fēng)量，因而此處以風(fēng)量為主要參數(shù)來選擇風(fēng)機，按進風(fēng)口面積計算風(fēng)機的吸風(fēng)量。計算公式：

式中，Q—吸塵罩的吸風(fēng)量（m3/s）；

α—吸風(fēng)量附加系數(shù)，一般α=1.0～1.3；

A—密閉吸塵罩所有縫隙的面積之和（m2）；

v—氣流速度（m/s）。

對于顆粒物料而言合適的罩口風(fēng)速為3～5 m/s；對于粉狀物料，速度不超過3 m/s，以不吸走原料為基準。本大黃塊屬于顆粒物料，在密閉吸塵罩內(nèi)的揚塵不需要捕獲，僅需要大于其懸浮速度的氣流即可，故而選取的罩口風(fēng)速稍小，罩口風(fēng)速v取2 m/s；α取1.2；設(shè)計進風(fēng)口面積A為0.4 m2時，計算出的吸風(fēng)量為3 456 m3/h。根據(jù)此吸風(fēng)量選取風(fēng)機風(fēng)量3 500 m3/h。

選取了風(fēng)機風(fēng)量后，計算機罩最大水平截面處風(fēng)速，與相似顆粒懸浮速度比較，進一步驗證。計算公式：

設(shè)計機罩最大水平截面為1.8 m2，代入上式計算得v=0.54 m/s。

相似粉塵顆粒的懸浮速度[11]見表2，且顆粒群的懸浮速度要比單顆粒的懸浮速度小。由于中藥材撞擊產(chǎn)生的揚塵顆粒介于與滑石粉和水泥之間，所以此風(fēng)速在合理范圍內(nèi)。

表2 部分粉塵顆粒的懸浮速度

根據(jù)風(fēng)量計算值及表2的除塵器性能，風(fēng)機選用風(fēng)量≥3 500 m3/h，風(fēng)壓≥800 Pa的離心式風(fēng)機。

6 樣機試驗

設(shè)備樣機調(diào)試完成后用漢中市鎮(zhèn)巴縣產(chǎn)的大黃塊進行試驗，為當(dāng)季收獲的大黃切塊曬干后的干制品。試驗物料100 kg，每工作1 min后停機，將轉(zhuǎn)籠內(nèi)大黃塊全部倒出稱重，同時記錄大黃塊凈制效果以及期間撞落的雜質(zhì)，連續(xù)記錄10次。

大黃塊凈制試驗現(xiàn)場如圖7所示，試驗整個過程除塵效果明顯，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的粉塵外逸現(xiàn)象。如圖8所示為大黃塊的物料損耗曲線圖，物料在撞藥機內(nèi)的損耗呈先升后降趨勢，第4 min時產(chǎn)生的雜質(zhì)最多，之后產(chǎn)生的雜質(zhì)呈急劇下降趨勢。如圖9所示為撞落的雜質(zhì)圖片，前6 min產(chǎn)生的雜質(zhì)中粗顆粒較多，顏色較深，第7 min及以后的雜質(zhì)中粗顆粒的比例下降，顏色變淡。如圖10所示為大黃塊凈制效果圖片，第4、6 min的大黃凈制效果最好，外部粗皮已基本清除干凈，呈現(xiàn)出黃亮的顏色；第8、10 min的大黃塊凈制效果提升不明顯，邊角呈現(xiàn)出明顯的磨損。如圖11所示為集塵袋收集的粉塵，為塵土及大黃粉的混合物。

圖7 大黃塊凈制試驗現(xiàn)場

圖8 物料損耗曲線

圖9 撞落的雜質(zhì)

圖10 大黃塊凈制效果圖

圖11 集塵袋收集的粉塵

由以上試驗可得，用該撞藥機凈制大黃塊，除塵效果明顯；工作時間以4～6 min為宜，此時外部粗皮已基本清除，呈現(xiàn)出黃亮的顏色，凈制效果明顯?，F(xiàn)有六方筒撞藥機凈制大黃塊加料量100 kg時的工作時間為15 min，該機較現(xiàn)有設(shè)備工作效率提高70%。

7 結(jié)論

1）本研究為中藥材凈制加工設(shè)計了一種帶除塵功能的環(huán)保型撞藥機，其結(jié)構(gòu)簡單、操作維護方便，工作高效除塵徹底，適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)高效、環(huán)保的發(fā)展需求，為中藥材凈制加工設(shè)備的設(shè)計提供了重要參考。

2）撞藥機設(shè)計采用滾筒式撞擊和布袋除塵原理，采用八角中空轉(zhuǎn)籠結(jié)構(gòu)、可更換式凸出起鼓孔板，增加了籠內(nèi)有效空間，提高了撞擊效率和設(shè)備適應(yīng)性。

3）樣機經(jīng)用干制大黃塊進行試驗，除塵效果明顯，凈制后的大黃顏色黃亮，經(jīng)測試工作效率較現(xiàn)有設(shè)備提高70%。