基于SolidWorks Simulation軟件的旋壓式制粒機的結構設計與有限元分析

尹帥帥，石更強，孫旭陽，李戰偉

上海理工大學醫療器械與食品學院，上海200093

前言

近幾年來，我國藥物工業得到快速發展，制藥設備也日益完善。制藥設備在加工藥物的過程中發揮著不容小覷的作用［1-2］。制粒是制藥過程中一個重要環節，制粒的好壞決定了壓片的成功與否，而制粒分為干法制粒和濕法制粒，由于濕法制粒的優點，多采用濕法制粒［3］。在制粒的過程中對制粒設備的性能、效率和清洗等方面的要求也逐漸提高，設計一款高效率制粒機對我國醫藥事業的發展意義重大。

科旭GXL-250 旋壓式制粒機通過螺旋刀與篩網將中間的軟材進行擠壓而形成顆粒［4］。上海天和ZL250/300 旋壓式制粒機同樣采用三角刀和篩網擠壓形成顆粒［5］。這些設備大多采用六角螺栓作為緊固件，而且數量眾多，拆裝費時又費力。同時螺栓經過反復拆裝后有不同程度的磨損，或緊固于裝配體內無法取出，或太過松動，致使無法持續使用。這些設備的篩網由多個篩片組合而成，大大增加拆卸的難度，篩網的組合導致顆粒的分布也不均勻。并且在實驗過程中，旋壓刀和葉片之間的間距過大，很容易造成顆粒的堆積，無法被輕易擠出，特別是當生產過程接近尾聲時，無法全部壓出，致使產量減少［6-7］。針對這些缺點，希望可以設計一款制粒機，制粒機零件之間的連接少用甚至不用緊固件，篩網采用整箱式，盡量減少篩網和螺旋刀之間的距離，這樣可以大大減少零件之間的摩擦，方便零件的拆卸與清洗，減少物料的堆積，加大生產效率。

本文采用SolidWorks 對制粒機進行了新的結構設計，采用旋轉擠壓成型技術（又稱環模制粒技術），將粉體物料經旋轉輥軋制備成顆粒產品，具有生產效率高和產品質量穩定等優點［8］。并且設計的一箱式篩網方便拆除與清洗，旋轉送料機構保證及時將產生的顆粒排出。Simulation 插件進行靜應力分析等仿真實驗，探究新結構的可行性，對結構設計進行尺寸和材料的優化與改進，使其可進行實際生產。設計的制粒機大大增加了制粒的效率，減少了零件之間的磨損，使設備的拆卸和清洗更加簡化方便，并且未來可進行實體生產與應用。

1 結構設計

本文在設計的初期，為了提高制粒的生產效率，仍然采用的是三瓣式旋壓刀，旋壓刀呈扇形，將多個旋壓刀進行累積，通過與直桶式篩網的擠壓生產顆粒。這種設計只考慮了生產效率和拆裝的方便，保留了傳統三瓣式旋壓刀，依然存在停止進料后，物料旋壓不徹底的情況，并且多個旋壓刀導致馬達負重增加，耗能增加，產生了大量的熱量，影響物料物性。介于此設計了倒錐形的旋壓刀，截面呈螺旋形，與錐形篩網搭配，不僅提高了生產效率，而且避免了物料在底部堆積，進來的物料會及時隨著螺旋刀傳送到底部，這種創新的設計，極大的豐富了現在市場螺旋刀的形狀。

1.1 結構介紹

本文利用SolidWorks［9］對旋壓式制粒機進行了新的結構設計，如圖1所示。

物料傳送平臺①：為了解決物料自動傳輸而不需要手動收集的問題，設計了轉動底盤加上固定擋板，它是側面為45°的圓臺，與擋板②和支架③配合使用，當來自篩網的顆粒從物料傳送平臺掉入到底部后，擋板和物料傳送平臺一起旋轉，將整個圓周的顆粒進行傳送，通過底部支架的開口送出。

為了消除取消緊固件而帶來的裝配體整體不穩定情況，借鑒了榫卯的插銷結構，特別設計了底座④，帶有4個支架凹槽，一個圓柱壁凹槽，所有插銷槽深度均為5 cm。考慮到不采用緊固件的條件下，僅采用插銷固定，篩網的強度不足以支撐上部進料口重力以及物料的擠壓力，故在基礎方案設計時，添加了4組支架⑧，支架面弧度為30°，4組支架等角度分布在底座④上，采用插銷式固定，固定深度為5 cm。支架最上方為半徑5 cm圓柱壁，用于支撐進料漏斗罩⑦。一體式篩網⑨，中間為帶錐度圓臺狀篩網，篩網的目數可以調節，下半部分為半徑5 cm的圓柱，壁厚0.9 cm用于插入底座凹槽內，便于固定；上半部分為半徑20 cm 的圓柱，壁厚0.9 cm，用于承接固定進料斗。

圖1 結構圖Fig.1 Structure of spinning granulator

綜合考慮，設計進料斗為圓臺狀，口徑較大，便于濕物料倒入，且上部為斜面，可將倒入的物料直接導入到篩網內，圓柱面與支架相配合，用于承載大量重力，中部圓環與篩網相配合，使進料斗能夠固定在裝配體上，不僅起到承重的作用而且還可以固定進料口的位置。螺桿式旋壓刀⑤，是本設計的核心，也是區別于一般制粒機的最關鍵的地方，通過設計成螺旋狀，增大了制粒的面積，提高了效率，隨著中間的旋轉軸一起旋轉，與篩網進行擠壓制粒。通過改進設計，增大中間的旋轉軸，增大坡面角度，使得濕物料可以更好的下落，不在中間堆積。同時中空旋壓刀既減小了離心力以及馬達消耗，使得在旋壓刀中通水冷的方案成為可能，可以保證物料的物性。環形加固版⑥放棄了四瓣插銷式設計，而采用整環設計，錐度貼合篩網，8 cm 高的環形加固版，更好的提供了支持力，防止篩網變形，并且能夠起到很好的整體式作用，保證了各部件之間的緊固牢靠作用。

1.2 裝配圖

本文通過對各結構的尺寸匹配，利用SolidWorks 建立了螺桿式旋壓刀制粒機的裝配圖，如圖2所示，用此圖可以指導后期的實際生產。

圖2 裝配圖Fig.2 Assembly

2 有限元分析

上述設計了螺桿式旋壓刀制粒機的結構圖，部分材料采用鐵或鋼即可，但是旋壓刀和篩網在運轉時，由于對中間物料的擠壓，會導致篩網受到較大的力而破碎，螺旋刀材料的剛度不夠，也會導致截面的變形，如果采用散熱不良的材料，產生的熱量不能及時傳出，將會使一些熱敏性物料發生變性。支架等負重較大或者受力較大的地方，需要特殊的材料。并且物料傳送平臺和篩網的生產效率還需進一步的驗證，采用SolidWorks Simulation可以對各部分的受力以及模塊之間的傳動進行分析和優化，看是否能夠達到預期的目標。通過合理設計參數，有限元分析程序可為我們找到最佳參數，從而加快研發進程。SolidWorks Simulation解決方案包括：跌落測試分析、頻率分析、有限元分析、結構分析、熱結構分析、振動分析、線性應力分析、塑料和橡膠零件分析、疲勞分析［10］。

2.1 仿真實驗

2.1.1 初步仿真參數螺桿式旋壓刀采用合金鋼，具體參數如表1所示。壓力參數預估設定，假設2 kg濕物料完全覆蓋在螺桿式旋壓刀刀面上，旋壓刀刀面面積為2 351 cm2，則壓力為85 Pa。離心力參數預估設定，預期轉速為50 rpm，實際轉速為5.24 rad/s。

2.1.2 初步仿真結果節點數=49 612，單元數=32 647，自由度數=148 836。靜態位移分析：在預設條件下，螺桿式旋壓刀下半部分位移形變不大，但是上半部分位移形變程度明顯，可能與模型材料為強度不高的合金鋼有關，同時模型為實體結構，造成離心力過大，如圖3所示。靜應變分析：在預設條件下，螺桿式旋壓刀應變不明顯，如圖4所示。

2.1.3 改進仿真參數通過上述仿真可得出結論，結構設計無需特大改進，選擇強度更高，更輕的材料可以解決位移過大的問題。由此筆者選擇了商用純R50700等級4（SS）鈦合金，參數如表2所示。

表1 螺桿式旋壓刀初步仿真參數Tab.1 Preliminary simulation parameters of screw spinning tool

圖3 螺桿式旋壓力靜態位移分析Fig.3 Static displacement analysis of spinning knife

圖4 螺桿式旋壓力靜應變分析Fig.4 Static strain analysis of spinning knife

2.1.4 結果對比分析從圖5 可以看出，改進后的位移比例參數為0.000 794 76，較改進前的1.8709e-500明顯減小。說明改進后的旋壓刀形變較小，同時，由于建模分析時采用的模型旋壓刀為實體，而實際設計方案中為抽殼真空刀片，總體重量會減輕，其離心力也隨之減小，形變更小，位移更小。所以通過改進螺旋刀的材料可以達到所需要求。

2.2 一箱式篩網的仿真實驗

篩網是整個結構中承受壓力最多、最頻繁的零部件，他不僅要承擔進料口的重力，同時還要承受螺旋刀的擠壓并且還要經常更換清洗，故直接采用強度較高的材料。同時，篩網壓力分布越均勻，則說明制粒效果越好。

表2 改進仿真參數Tab.2 Improved simulation parameters

圖5 改進前（a）和改進后（b）對比圖Fig.5 Comparison of displacements before(a)and after(b)improvement

2.2.1 參數設置篩網材料直接選用高強度材料，選用鈦Ti-8Mn，退火材料，參數如表3 所示。壓力參數預設為100 Pa，垂直于篩網法線。篩網上部承受預設質量1 kg，重力加速度設置為-9.81 m/s2，此為進料口的物料撞擊篩網的加速度。

2.2.2 仿真結果靜應力分析：變性比例達到了1.125e+500，主要集中在上半部分，但是可以看到，在同一經度上的壓力分布還是比較均勻的，如圖6 所示。靜應變分析：與位移相同，對于上半部分篩網應變情況較為嚴重，上部受力較嚴重，但是總體非常平均，如圖7所示。

表3 篩網參數設置Tab.3 Parameter setting of screen mesh

圖6 篩網靜應力分析Fig.6 Static stress analysis of screen mess

圖7 篩網靜應變分析Fig.7 Static strain analysis of screen mess

3 結構分析改進

3.1 篩網改進

由于篩網與螺桿式旋壓刀相匹配，在旋壓刀已經合理可行的條件下，不在外形上對篩網進行改變。采用外部緊固件加固的設計來抵消上部形變，作為妥協需要犧牲一定的產率。采用帶錐度圓環，圓環依托于支架上部，秉承便于拆卸，方便清洗的原則，故采用插銷結構，需要對支架進行一定程度的重構。

3.1.1 支架重構支架上部削去8 cm 高的實體，用于卡口環形加固版，其余部分不做改變，即上部卡口部分由5 cm變為13 cm，如圖8所示。

圖8 改進后的支架Fig.8 Improved bracket

3.1.2 環形加固版環形加固版放棄四瓣插銷式設計，而采用整環設計，錐度貼合篩網，8 cm 高的環形加固版，更好的提供了支持力，防止篩網形變，如圖9所示。

圖9 環形加固版Fig.9 Ring hardened plate

3.2 其他配件

為了解決物料自動傳輸而不需手動收集的問題，設計了轉送底盤加上固定擋板，使得物料下落至底盤后能夠隨底盤轉動而碰撞至擋板，從而堆積下落。同時加裝透明亞克力外罩防止粉塵四散，也能觀察內部運作情況。物料傳送圓臺采用圓臺設計，帶有坡面，使得顆粒在重力作用下自然掉落后，能隨坡面滾動至底板。模型設計為實體，實際開模為中空，可布置電路齒輪以及水冷結構，圖形過于簡單，故無需以圖呈現。5 r/min，物料隨傳送圓臺轉動，在開口處導出。

3.3 動畫仿真

插件介紹：SolidWorks motion運動仿真工具能夠對已經設計好的結構進行運動模擬和受力分析，幫助設計師在生產實物模型前期時判斷設計的可行性。

運動算例是裝配體模型運動的圖形模擬。運動算例不更改裝配體模型和其屬性。他們模擬動畫所規定的運動。可以在建模運動時約束零部件在裝配體中的運動。運動算例有以下工具：（1）動畫，可使用動畫來描述裝配體的運動。添加馬達來驅動裝配體或多個零件的運動。使用設定鍵碼點在不同時間規定裝配體零部件的位置。動畫使用插值來定義鍵碼點之間裝配零部件的運動。（2）基本運動。可使用基本運動模塊在裝配體上模仿馬達，彈簧接觸引力。基本運動在計算運動時考慮到質量。

動畫仿真：通過添加2 個旋轉馬達，進行動畫仿真。馬達一作用于螺桿式旋壓刀，轉速為50 rpm，順時針轉向，便于物料下落。馬達二作用于物料傳送圓臺，轉速為5 rpm，逆時針轉向，便于物料的導出。通過動畫仿真，驗證了裝配體的可行性，并且通過零件的約束運動，在馬達的驅動下，可以實行所需要的運動。

3.4 定稿工程圖

除去一體式篩網使用鈦Ti-8Mn-退火材料，螺桿式旋壓刀使用商用純R50700 等級4（SS）鈦合金，其他零部件均采用合金鋼。工程圖如圖10所示。

圖10 工程圖Fig.10 Engineering drawing

4 結論

本文利用SolidWorks 軟件進行了旋壓式制粒機全新的結構設計，利用SolidWorks Simulation 插件對所設計的旋壓式制粒機進行了仿真模擬和有限元分析，得到了各零件的應力分布及形變情況，對它們的結構尺寸進行了改進和優化，使設計的制粒機實現其預期的功能。

整個螺桿式旋壓制粒機沒有采用一個緊固件，整體采用插銷結構，方便拆卸，易于清洗。制粒機旋壓刀與篩網接觸面較大，單位時間內的生產量更大，提高生產效率。螺桿式旋壓刀擠壓力施加均勻，使得擠壓顆粒質量均勻，長度合適，提高顆粒質量。

通過整個設計，改進了以前制粒設備的不足，為未來制粒生產提供了另一種選擇，如果條件允許可以進行實際生產。