旋轉式中藥自動破碎機的設計與分析

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，提出了一種旋轉式中藥自動破碎機，介紹了其工作原理。設計實驗裝置對不同中藥材進行了力學實驗，以此為計算依據，設計并改進了關鍵零件。

關鍵詞：旋轉式；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，易吸潮發霉變質；（2）對含淀粉、粘液質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，設想能否利用小型簡單的機械設備來自動破碎。

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

1 結構設計與工作原理

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

2 破碎實驗

為了設計旋轉式中藥破碎裝置，需要確定執行破碎零件所受的載荷，以此為依據設計承載零件以及傳動系統。為了獲取初始數據，設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下進行測試，假設一：物塊做自由落體運動；假設二：物塊碰到中藥材后是對心碰撞，且只經歷一次碰撞，末狀態為兩者速度均為0。依據牛頓第二定律、加速直線運動規律和動量守恒定律，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，1.質量為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F=■■，控制影響力的因素物塊質量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置在離中藥材上方高度h=0.5m的地方。實驗中假設只有一次碰撞，且末狀態為兩者速度都為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 破碎實驗結果

3 刀片受力分析

通過了解本裝置的結構，可知主要是依靠瞬時的沖擊力使中藥材破碎。首先，分析轉速，根據圖3傳動系統圖可知，該裝置的刀片與內腔的轉向相反。設定刀片的轉速為n0，其中齒輪20、21、23、24、19的齒數分別為Z1=58、Z2=32、Z3=36、Z4=20、Z5=35，則內腔10的轉速n1：

（1）

根據電機轉速為n=4500r/min，功率p=0.75kw，則刀片17轉速n0=4500r/min，根據公式（1）可得內腔轉速為n1=1596r/min。

選用刀片材料為45，可查到其力學性能參數：泊松比μ=0.269，楊氏模量E=2.09×l05MPa，應力屈服極限σs=355MPa，安全系數n=5.92，即材料修正應力極限為60MPa。刀片調質處理，彎曲許用應力[？滓]=60Mpa，其破碎用刃口主要分布于半徑2cm～5cm處，現用于破碎單顆質量大約為0.01kg的白礬顆粒。由于顆粒較小，故假設刀片刃口處受到的沖擊力與半徑大致呈線性關系，根據破碎此種規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構，有懸臂梁結構的危險截面可知，在齒根處最危險，現進行理論計算。

由剪力與彎矩微分關系可知：

（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以及彎曲正應力的強度條件得：

（3）

（4）

其中b為矩形截面寬度，h為截面高度。

聯立（3）、（4）可得？滓max=57Mpa<[？滓]。

根據條件，在UG7.5軟件中進行參數化建模，并在高級仿真模塊下對其進行結構分析。刀片模型如圖6所示。進行有限元分析時定義刀片材質為45鋼，劃分網格大小為1mm的3D四面體網格；載荷設為線性載荷，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；經過迭代求解得到刀片的應力云圖如圖7所示。

圖6 改進后刀片結構模型圖 圖7 改進后刀片有限元分析應力云圖

由圖7可得改進后刀片的最大應力為？滓=29.15Mpa<[？滓]，比初始的設計減少了許多，同時刀片齒數的減少，也相對降低了加工成本，改進后的刀片結構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 結束語

4.1 本文設計的旋轉式中藥破碎裝置結構輕巧，操作方便。

4.2 本裝置采用的刀片與內腔同時轉動，轉向相反，相對增大了破碎的沖擊力，節能并提高破碎效率，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實驗，基于實驗結果進行刀片的受力分析并根據理論計算和應力云圖進行改進，可靠地保證了刀片的強度及使用壽命。

參考文獻

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