壓片機沖頭在工作過程中的受力分析

朱湘寧 李小剛 劉衛東

（中航工業北京航空制造工程研究所，北京100024）

壓片機沖頭在工作過程中的受力分析

朱湘寧 李小剛 劉衛東

（中航工業北京航空制造工程研究所，北京100024）

提出了一種測量壓片機沖頭受力的新方法——高速攝像法，通過準確地測得高速旋轉壓片機的沖頭速度變化情況，經高速攝像機的數據處理軟件，分析速度變化情況并計算出沖頭受力大小。實驗證明采用這種方法分析沖頭的受力大小準確可靠，為壓片機的維修及今后相關部件的設計提供了依據，具有很高的應用價值。

壓片機；沖頭；高速攝像機；受力

0 引言

壓片機是將顆粒狀或者粉末狀藥粉直接壓制成圓形或者異形藥片的專用設備。在國內制藥工業的生產流程中，片劑的生產占有非常大的比重，壓片機則是片劑生產中最重要和最關鍵的設備。

PG24B型旋轉式壓片機是北京航空制造工程研究所研制的用于壓制大型藥片的主要機型，近些年在制藥廠被廣泛應用。因其壓制大型藥片所需的壓力較大，所以對設備各部件的強度要求也較高。壓片機沖頭在工作過程中接觸的部件很多，并且在接觸壓輪完成壓片的過程中的受力比較復雜，因此，難以準確計算沖頭的受力大小。

在壓片機的設計過程中，對沖頭的受力分析很重要，直接涉及很多相關部件的強度設計，因此，本實驗方法嘗試利用高速攝像機分析沖頭在工作過程中速度的變化，從而對沖頭在工作過程中的受力進行分析。旋轉式壓片機的壓片工藝流程如圖1所示，從壓片過程中可以看出，藥粉在壓制成形過程中會給上、下主壓輪制造非常大的壓力。

圖1 旋轉式壓片機的壓片工藝流程

1 高速攝像系統及實驗裝置

1.1 高速攝像測速的原理

本文應用高速攝像實驗系統來拍攝沖頭經過壓輪時的速度變化情況，這種方法是利用高速攝像系統在一定時間內連續拍攝工作狀態下的沖頭，通過分析沖頭經過同一位置速度的變化，來計算沖頭受力大小。實驗裝置主要由高速攝像機、拍攝對象（壓片機）、光源（新聞燈）、存儲器（筆記本電腦）組成，根據預先設計好的拍攝方案進行拍攝。

本實驗所用的高速攝像機為MS55K高速攝像機，拍攝速度為1 020 幀/s，可與沖頭運行速度相匹配。計算PG24B壓片機的上盤周長為1 319 mm，繪制長1 319 mm、寬45 mm的碼帶，將其分為24等分，每等分又分為20個小等分，將碼帶固定于上盤的圓周。高速攝像實驗系統如圖2所示。

圖2 高速攝像實驗系統

1.2 實驗設計

影響壓片機主軸扭矩變化的參數很多，其中最主要的是壓片力和主軸轉速。本研究對上述兩個因素的不同水平進行了正交實驗分析。確定壓片力、主軸轉速為實驗設計的兩個因素，每個因素確定三個不同的水平。選用L9（32）正交表安排實驗，實驗因素水平安排如表1所示，實驗方案如表2所示。

表1 實驗因素水平安排

表2 實驗方案

1.3 實驗過程

首先需要校準主軸轉速，第一次設定壓片力0 kN，分別設定主軸轉速：30 r/min、40 r/min、50 r/min，進行拍照記錄。第二次設定壓片力30 kN，分別設定主軸轉速：30 r/min、40 r/min、50 r/min，進行拍照記錄。第三次設定壓片力40 kN，分別設定主軸速度：30 r/min、40 r/min、50 r/min，進行拍照記錄。最后設定壓片力50 kN，分別設定主軸速度：30 r/min、40 r/min、50 r/min，進行拍照記錄。

2 實驗數據分析

本實驗所用的圖像處理軟件是高速攝像機自帶的處理控制軟件，如圖3所示，可以看見拍攝實驗結果，有刻度的是特別制作的碼帶，一小格長度為2.75 mm，計算壓片機在每組參數下走過每個小格所用的幀數，就可以得到壓片機在工作過程中速度的任何微小變化，從而計算出主軸的受力大小。

圖3 高速攝像機數據處理軟件

壓片機主軸轉速為30 r/min，分別設定壓片力為50 kN、40 kN、30 kN。高速攝像機處理軟件中固定標記走過每個小格所用的幀數折線圖如圖4所示。計算出角加速度α分別為：70.5 rad/s2、68 rad/s2、62 rad/s2。

圖4 30 r/min時的幀數折線圖

壓片機主軸轉速為40 r/min，分別設定壓片力為50 kN、40 kN、30 kN。高速攝像機處理軟件中固定標記走過每個小格所用的幀數折線圖如圖5所示。計算出角加速度α分別為：117.5 rad/s2、 115.5 rad/s2、103 rad/s2。

圖5 40 r/min時的幀數折線圖

壓片機主軸轉速為50 r/min，分別設定壓片力為50 kN、40 kN、30 kN。高速攝像機處理軟件中固定標記走過每個小格所用的幀數折線圖如圖6所示。計算出角加速度α分別為：171 rad/s2、136 rad/s2、64 rad/s2。

圖6 50 r/min時的幀數折線圖

主軸的轉動慣量I＝55.8 kg·m2，由轉矩M＝I× α，得出各參數下盤所產生的轉矩，如表3所示。

3 結語

表3 轉矩單位：N·m

PG24B旋轉式壓片機在用戶使用過程中出現很多不穩定的情況，比如主軸斷裂、主壓壓輪長軸振動等。多年來因缺少相應的檢測手段，對于這些現象的分析缺少理論依據，對沖頭的受力分析一直處于瓶頸狀態，現在通過高速攝像機能夠清晰地分析沖頭運行過程的速度變化情況，從而計算出沖頭的受力大小，為主軸、壓輪等部件的結構設計提供了重要的實驗數據。結果表明，高速攝像技術能夠很好地應用于分析研究高速壓片機的沖頭受力情況。

2015-10-21

朱湘寧（1980—），女，湖南人，工程師，研究方向：機械設計。