朱湘寧 李小剛 劉衛(wèi)東

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024）

壓片機(jī)沖頭在工作過程中的受力分析

朱湘寧 李小剛 劉衛(wèi)東

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024）

提出了一種測量壓片機(jī)沖頭受力的新方法——高速攝像法，通過準(zhǔn)確地測得高速旋轉(zhuǎn)壓片機(jī)的沖頭速度變化情況，經(jīng)高速攝像機(jī)的數(shù)據(jù)處理軟件，分析速度變化情況并計算出沖頭受力大小。實(shí)驗(yàn)證明采用這種方法分析沖頭的受力大小準(zhǔn)確可靠，為壓片機(jī)的維修及今后相關(guān)部件的設(shè)計提供了依據(jù)，具有很高的應(yīng)用價值。

壓片機(jī)；沖頭；高速攝像機(jī)；受力

0 引言

壓片機(jī)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(shè)備。在國內(nèi)制藥工業(yè)的生產(chǎn)流程中，片劑的生產(chǎn)占有非常大的比重，壓片機(jī)則是片劑生產(chǎn)中最重要和最關(guān)鍵的設(shè)備。

PG24B型旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)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(jī)型，近些年在制藥廠被廣泛應(yīng)用。因其壓制大型藥片所需的壓力較大，所以對設(shè)備各部件的強(qiáng)度要求也較高。壓片機(jī)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(fù)雜，因此，難以準(zhǔn)確計算沖頭的受力大小。

在壓片機(jī)的設(shè)計過程中，對沖頭的受力分析很重要，直接涉及很多相關(guān)部件的強(qiáng)度設(shè)計，因此，本實(shí)驗(yàn)方法嘗試?yán)酶咚贁z像機(jī)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(jìn)行分析。旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)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(zhuǎn)式壓片機(jī)的壓片工藝流程

1 高速攝像系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 高速攝像測速的原理

本文應(yīng)用高速攝像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來拍攝沖頭經(jīng)過壓輪時的速度變化情況，這種方法是利用高速攝像系統(tǒng)在一定時間內(nèi)連續(xù)拍攝工作狀態(tài)下的沖頭，通過分析沖頭經(jīng)過同一位置速度的變化，來計算沖頭受力大小。實(shí)驗(yàn)裝置主要由高速攝像機(jī)、拍攝對象（壓片機(jī)）、光源（新聞燈）、存儲器（筆記本電腦）組成，根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的拍攝方案進(jìn)行拍攝。

本實(shí)驗(yàn)所用的高速攝像機(jī)為MS55K高速攝像機(jī)，拍攝速度為1 020 幀/s，可與沖頭運(yùn)行速度相匹配。計算PG24B壓片機(jī)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 高速攝像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

影響壓片機(jī)主軸扭矩變化的參數(shù)很多，其中最主要的是壓片力和主軸轉(zhuǎn)速。本研究對上述兩個因素的不同水平進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)分析。確定壓片力、主軸轉(zhuǎn)速為實(shí)驗(yàn)設(shè)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(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)因素水平安排如表1所示，實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)因素水平安排

表2 實(shí)驗(yàn)方案

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

首先需要校準(zhǔn)主軸轉(zhuǎn)速，第一次設(shè)定壓片力0 kN，分別設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速：30 r/min、40 r/min、50 r/min，進(jìn)行拍照記錄。第二次設(shè)定壓片力30 kN，分別設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速：30 r/min、40 r/min、50 r/min，進(jìn)行拍照記錄。第三次設(shè)定壓片力40 kN，分別設(shè)定主軸速度：30 r/min、40 r/min、50 r/min，進(jìn)行拍照記錄。最后設(shè)定壓片力50 kN，分別設(shè)定主軸速度：30 r/min、40 r/min、50 r/min，進(jìn)行拍照記錄。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)所用的圖像處理軟件是高速攝像機(jī)自帶的處理控制軟件，如圖3所示，可以看見拍攝實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)在每組參數(shù)下走過每個小格所用的幀數(shù)，就可以得到壓片機(jī)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(jī)數(shù)據(jù)處理軟件

壓片機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為30 r/min，分別設(shè)定壓片力為50 kN、40 kN、30 kN。高速攝像機(jī)處理軟件中固定標(biāo)記走過每個小格所用的幀數(shù)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(shù)折線圖

壓片機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為40 r/min，分別設(shè)定壓片力為50 kN、40 kN、30 kN。高速攝像機(jī)處理軟件中固定標(biāo)記走過每個小格所用的幀數(shù)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(shù)折線圖

壓片機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為50 r/min，分別設(shè)定壓片力為50 kN、40 kN、30 kN。高速攝像機(jī)處理軟件中固定標(biāo)記走過每個小格所用的幀數(shù)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(shù)折線圖

主軸的轉(zhuǎn)動慣量I＝55.8 kg·m2，由轉(zhuǎn)矩M＝I× α，得出各參數(shù)下盤所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，如表3所示。

3 結(jié)語

表3 轉(zhuǎn)矩單位：N·m

PG24B旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)在用戶使用過程中出現(xiàn)很多不穩(wěn)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(yīng)的檢測手段，對于這些現(xiàn)象的分析缺少理論依據(jù)，對沖頭的受力分析一直處于瓶頸狀態(tài)，現(xiàn)在通過高速攝像機(jī)能夠清晰地分析沖頭運(yùn)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(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，高速攝像技術(shù)能夠很好地應(yīng)用于分析研究高速壓片機(jī)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(jī)械設(shè)計。