尹帥帥，石更強(qiáng)，孫旭陽，李戰(zhàn)偉

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093

前言

近幾年來，我國(guó)藥物工業(yè)得到快速發(fā)展，制藥設(shè)備也日益完善。制藥設(shè)備在加工藥物的過程中發(fā)揮著不容小覷的作用［1-2］。制粒是制藥過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，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(yōu)點(diǎn)，多采用濕法制粒［3］。在制粒的過程中對(duì)制粒設(shè)備的性能、效率和清洗等方面的要求也逐漸提高，設(shè)計(jì)一款高效率制粒機(jī)對(duì)我國(guó)醫(yī)藥事業(yè)的發(fā)展意義重大。

科旭GXL-250 旋壓式制粒機(jī)通過螺旋刀與篩網(wǎng)將中間的軟材進(jìn)行擠壓而形成顆粒［4］。上海天和ZL250/300 旋壓式制粒機(jī)同樣采用三角刀和篩網(wǎng)擠壓形成顆粒［5］。這些設(shè)備大多采用六角螺栓作為緊固件，而且數(shù)量眾多，拆裝費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。同時(shí)螺栓經(jīng)過反復(fù)拆裝后有不同程度的磨損，或緊固于裝配體內(nèi)無法取出，或太過松動(dòng)，致使無法持續(xù)使用。這些設(shè)備的篩網(wǎng)由多個(gè)篩片組合而成，大大增加拆卸的難度，篩網(wǎng)的組合導(dǎo)致顆粒的分布也不均勻。并且在實(shí)驗(yàn)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(dāng)生產(chǎn)過程接近尾聲時(shí)，無法全部壓出，致使產(chǎn)量減少［6-7］。針對(duì)這些缺點(diǎn)，希望可以設(shè)計(jì)一款制粒機(jī)，制粒機(jī)零件之間的連接少用甚至不用緊固件，篩網(wǎng)采用整箱式，盡量減少篩網(wǎng)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(chǎn)效率。

本文采用SolidWorks 對(duì)制粒機(jī)進(jìn)行了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用旋轉(zhuǎn)擠壓成型技術(shù)（又稱環(huán)模制粒技術(shù)），將粉體物料經(jīng)旋轉(zhuǎn)輥軋制備成顆粒產(chǎn)品，具有生產(chǎn)效率高和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)［8］。并且設(shè)計(jì)的一箱式篩網(wǎng)方便拆除與清洗，旋轉(zhuǎn)送料機(jī)構(gòu)保證及時(shí)將產(chǎn)生的顆粒排出。Simulation 插件進(jìn)行靜應(yīng)力分析等仿真實(shí)驗(yàn)，探究新結(jié)構(gòu)的可行性，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行尺寸和材料的優(yōu)化與改進(jìn)，使其可進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。設(shè)計(jì)的制粒機(jī)大大增加了制粒的效率，減少了零件之間的磨損，使設(shè)備的拆卸和清洗更加簡(jiǎn)化方便，并且未來可進(jìn)行實(shí)體生產(chǎn)與應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文在設(shè)計(jì)的初期，為了提高制粒的生產(chǎn)效率，仍然采用的是三瓣式旋壓刀，旋壓刀呈扇形，將多個(gè)旋壓刀進(jìn)行累積，通過與直桶式篩網(wǎng)的擠壓生產(chǎn)顆粒。這種設(shè)計(jì)只考慮了生產(chǎn)效率和拆裝的方便，保留了傳統(tǒng)三瓣式旋壓刀，依然存在停止進(jìn)料后，物料旋壓不徹底的情況，并且多個(gè)旋壓刀導(dǎo)致馬達(dá)負(fù)重增加，耗能增加，產(chǎn)生了大量的熱量，影響物料物性。介于此設(shè)計(jì)了倒錐形的旋壓刀，截面呈螺旋形，與錐形篩網(wǎng)搭配，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且避免了物料在底部堆積，進(jìn)來的物料會(huì)及時(shí)隨著螺旋刀傳送到底部，這種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，極大的豐富了現(xiàn)在市場(chǎng)螺旋刀的形狀。

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

本文利用SolidWorks［9］對(duì)旋壓式制粒機(jī)進(jìn)行了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

物料傳送平臺(tái)①：為了解決物料自動(dòng)傳輸而不需要手動(dòng)收集的問題，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)動(dòng)底盤加上固定擋板，它是側(cè)面為45°的圓臺(tái)，與擋板②和支架③配合使用，當(dāng)來自篩網(wǎng)的顆粒從物料傳送平臺(tái)掉入到底部后，擋板和物料傳送平臺(tái)一起旋轉(zhuǎn)，將整個(gè)圓周的顆粒進(jìn)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(wěn)定情況，借鑒了榫卯的插銷結(jié)構(gòu)，特別設(shè)計(jì)了底座④，帶有4個(gè)支架凹槽，一個(gè)圓柱壁凹槽，所有插銷槽深度均為5 cm?？紤]到不采用緊固件的條件下，僅采用插銷固定，篩網(wǎng)的強(qiáng)度不足以支撐上部進(jìn)料口重力以及物料的擠壓力，故在基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)時(shí)，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(jìn)料漏斗罩⑦。一體式篩網(wǎng)⑨，中間為帶錐度圓臺(tái)狀篩網(wǎng)，篩網(wǎng)的目數(shù)可以調(diào)節(jié)，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(nèi)，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(jìn)料斗。

圖1 結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of spinning granulator

綜合考慮，設(shè)計(jì)進(jìn)料斗為圓臺(tái)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(dǎo)入到篩網(wǎng)內(nèi)，圓柱面與支架相配合，用于承載大量重力，中部圓環(huán)與篩網(wǎng)相配合，使進(jìn)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(jìn)料口的位置。螺桿式旋壓刀⑤，是本設(shè)計(jì)的核心，也是區(qū)別于一般制粒機(jī)的最關(guān)鍵的地方，通過設(shè)計(jì)成螺旋狀，增大了制粒的面積，提高了效率，隨著中間的旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，與篩網(wǎng)進(jìn)行擠壓制粒。通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，增大中間的旋轉(zhuǎn)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(shí)中空旋壓刀既減小了離心力以及馬達(dá)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(huán)形加固版⑥放棄了四瓣插銷式設(shè)計(jì)，而采用整環(huán)設(shè)計(jì)，錐度貼合篩網(wǎng)，8 cm 高的環(huán)形加固版，更好的提供了支持力，防止篩網(wǎng)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(duì)各結(jié)構(gòu)的尺寸匹配，利用SolidWorks 建立了螺桿式旋壓刀制粒機(jī)的裝配圖，如圖2所示，用此圖可以指導(dǎo)后期的實(shí)際生產(chǎn)。

圖2 裝配圖Fig.2 Assembly

2 有限元分析

上述設(shè)計(jì)了螺桿式旋壓刀制粒機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，部分材料采用鐵或鋼即可，但是旋壓刀和篩網(wǎng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于對(duì)中間物料的擠壓，會(huì)導(dǎo)致篩網(wǎng)受到較大的力而破碎，螺旋刀材料的剛度不夠，也會(huì)導(dǎo)致截面的變形，如果采用散熱不良的材料，產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)傳出，將會(huì)使一些熱敏性物料發(fā)生變性。支架等負(fù)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(tái)和篩網(wǎng)的生產(chǎn)效率還需進(jìn)一步的驗(yàn)證，采用SolidWorks Simulation可以對(duì)各部分的受力以及模塊之間的傳動(dòng)進(jìn)行分析和優(yōu)化，看是否能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。通過合理設(shè)計(jì)參數(shù)，有限元分析程序可為我們找到最佳參數(shù)，從而加快研發(fā)進(jìn)程。SolidWorks Simulation解決方案包括：跌落測(cè)試分析、頻率分析、有限元分析、結(jié)構(gòu)分析、熱結(jié)構(gòu)分析、振動(dòng)分析、線性應(yīng)力分析、塑料和橡膠零件分析、疲勞分析［10］。

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1.1 初步仿真參數(shù)螺桿式旋壓刀采用合金鋼，具體參數(shù)如表1所示。壓力參數(shù)預(yù)估設(shè)定，假設(shè)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(shù)預(yù)估設(shè)定，預(yù)期轉(zhuǎn)速為50 rpm，實(shí)際轉(zhuǎn)速為5.24 rad/s。

2.1.2 初步仿真結(jié)果節(jié)點(diǎn)數(shù)=49 612，單元數(shù)=32 647，自由度數(shù)=148 836。靜態(tài)位移分析：在預(yù)設(shè)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(qiáng)度不高的合金鋼有關(guān)，同時(shí)模型為實(shí)體結(jié)構(gòu)，造成離心力過大，如圖3所示。靜應(yīng)變分析：在預(yù)設(shè)條件下，螺桿式旋壓刀應(yīng)變不明顯，如圖4所示。

2.1.3 改進(jìn)仿真參數(shù)通過上述仿真可得出結(jié)論，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無需特大改進(jìn)，選擇強(qiáng)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(jí)4（SS）鈦合金，參數(shù)如表2所示。

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

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

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

2.1.4 結(jié)果對(duì)比分析從圖5 可以看出，改進(jìn)后的位移比例參數(shù)為0.000 794 76，較改進(jìn)前的1.8709e-500明顯減小。說明改進(jìn)后的旋壓刀形變較小，同時(shí)，由于建模分析時(shí)采用的模型旋壓刀為實(shí)體，而實(shí)際設(shè)計(jì)方案中為抽殼真空刀片，總體重量會(huì)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(jìn)螺旋刀的材料可以達(dá)到所需要求。

2.2 一箱式篩網(wǎng)的仿真實(shí)驗(yàn)

篩網(wǎng)是整個(gè)結(jié)構(gòu)中承受壓力最多、最頻繁的零部件，他不僅要承擔(dān)進(jìn)料口的重力，同時(shí)還要承受螺旋刀的擠壓并且還要經(jīng)常更換清洗，故直接采用強(qiáng)度較高的材料。同時(shí)，篩網(wǎng)壓力分布越均勻，則說明制粒效果越好。

表2 改進(jìn)仿真參數(shù)Tab.2 Improved simulation parameters

圖5 改進(jìn)前（a）和改進(jìn)后（b）對(duì)比圖Fig.5 Comparison of displacements before(a)and after(b)improvement

2.2.1 參數(shù)設(shè)置篩網(wǎng)材料直接選用高強(qiáng)度材料，選用鈦Ti-8Mn，退火材料，參數(shù)如表3 所示。壓力參數(shù)預(yù)設(shè)為100 Pa，垂直于篩網(wǎng)法線。篩網(wǎng)上部承受預(yù)設(shè)質(zhì)量1 kg，重力加速度設(shè)置為-9.81 m/s2，此為進(jìn)料口的物料撞擊篩網(wǎng)的加速度。

2.2.2 仿真結(jié)果靜應(yīng)力分析：變性比例達(dá)到了1.125e+500，主要集中在上半部分，但是可以看到，在同一經(jīng)度上的壓力分布還是比較均勻的，如圖6 所示。靜應(yīng)變分析：與位移相同，對(duì)于上半部分篩網(wǎng)應(yīng)變情況較為嚴(yán)重，上部受力較嚴(yán)重，但是總體非常平均，如圖7所示。

表3 篩網(wǎng)參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameter setting of screen mesh

圖6 篩網(wǎng)靜應(yīng)力分析Fig.6 Static stress analysis of screen mess

圖7 篩網(wǎng)靜應(yīng)變分析Fig.7 Static strain analysis of screen mess

3 結(jié)構(gòu)分析改進(jìn)

3.1 篩網(wǎng)改進(jìn)

由于篩網(wǎng)與螺桿式旋壓刀相匹配，在旋壓刀已經(jīng)合理可行的條件下，不在外形上對(duì)篩網(wǎng)進(jìn)行改變。采用外部緊固件加固的設(shè)計(jì)來抵消上部形變，作為妥協(xié)需要犧牲一定的產(chǎn)率。采用帶錐度圓環(huán)，圓環(huán)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(jié)構(gòu)，需要對(duì)支架進(jìn)行一定程度的重構(gòu)。

3.1.1 支架重構(gòu)支架上部削去8 cm 高的實(shí)體，用于卡口環(huán)形加固版，其余部分不做改變，即上部卡口部分由5 cm變?yōu)?3 cm，如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后的支架Fig.8 Improved bracket

3.1.2 環(huán)形加固版環(huán)形加固版放棄四瓣插銷式設(shè)計(jì)，而采用整環(huán)設(shè)計(jì)，錐度貼合篩網(wǎng)，8 cm 高的環(huán)形加固版，更好的提供了支持力，防止篩網(wǎng)形變，如圖9所示。

圖9 環(huán)形加固版Fig.9 Ring hardened plate

3.2 其他配件

為了解決物料自動(dòng)傳輸而不需手動(dòng)收集的問題，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)而碰撞至擋板，從而堆積下落。同時(shí)加裝透明亞克力外罩防止粉塵四散，也能觀察內(nèi)部運(yùn)作情況。物料傳送圓臺(tái)采用圓臺(tái)設(shè)計(jì)，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(dòng)至底板。模型設(shè)計(jì)為實(shí)體，實(shí)際開模為中空，可布置電路齒輪以及水冷結(jié)構(gòu)，圖形過于簡(jiǎn)單，故無需以圖呈現(xiàn)。5 r/min，物料隨傳送圓臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，在開口處導(dǎo)出。

3.3 動(dòng)畫仿真

插件介紹：SolidWorks motion運(yùn)動(dòng)仿真工具能夠?qū)σ呀?jīng)設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬和受力分析，幫助設(shè)計(jì)師在生產(chǎn)實(shí)物模型前期時(shí)判斷設(shè)計(jì)的可行性。

運(yùn)動(dòng)算例是裝配體模型運(yùn)動(dòng)的圖形模擬。運(yùn)動(dòng)算例不更改裝配體模型和其屬性。他們模擬動(dòng)畫所規(guī)定的運(yùn)動(dòng)?？梢栽诮＿\(yùn)動(dòng)時(shí)約束零部件在裝配體中的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)算例有以下工具：（1）動(dòng)畫，可使用動(dòng)畫來描述裝配體的運(yùn)動(dòng)。添加馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)裝配體或多個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)。使用設(shè)定鍵碼點(diǎn)在不同時(shí)間規(guī)定裝配體零部件的位置。動(dòng)畫使用插值來定義鍵碼點(diǎn)之間裝配零部件的運(yùn)動(dòng)。（2）基本運(yùn)動(dòng)?？墒褂没具\(yùn)動(dòng)模塊在裝配體上模仿馬達(dá)，彈簧接觸引力?；具\(yùn)動(dòng)在計(jì)算運(yùn)動(dòng)時(shí)考慮到質(zhì)量。

動(dòng)畫仿真：通過添加2 個(gè)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，進(jìn)行動(dòng)畫仿真。馬達(dá)一作用于螺桿式旋壓刀，轉(zhuǎn)速為50 rpm，順時(shí)針轉(zhuǎn)向，便于物料下落。馬達(dá)二作用于物料傳送圓臺(tái)，轉(zhuǎn)速為5 rpm，逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，便于物料的導(dǎo)出。通過動(dòng)畫仿真，驗(yàn)證了裝配體的可行性，并且通過零件的約束運(yùn)動(dòng)，在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，可以實(shí)行所需要的運(yùn)動(dòng)。

3.4 定稿工程圖

除去一體式篩網(wǎng)使用鈦Ti-8Mn-退火材料，螺桿式旋壓刀使用商用純R50700 等級(jí)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(jié)論

本文利用SolidWorks 軟件進(jìn)行了旋壓式制粒機(jī)全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用SolidWorks Simulation 插件對(duì)所設(shè)計(jì)的旋壓式制粒機(jī)進(jìn)行了仿真模擬和有限元分析，得到了各零件的應(yīng)力分布及形變情況，對(duì)它們的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，使設(shè)計(jì)的制粒機(jī)實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的功能。

整個(gè)螺桿式旋壓制粒機(jī)沒有采用一個(gè)緊固件，整體采用插銷結(jié)構(gòu)，方便拆卸，易于清洗。制粒機(jī)旋壓刀與篩網(wǎng)接觸面較大，單位時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)量更大，提高生產(chǎn)效率。螺桿式旋壓刀擠壓力施加均勻，使得擠壓顆粒質(zhì)量均勻，長(zhǎng)度合適，提高顆粒質(zhì)量。

通過整個(gè)設(shè)計(jì)，改進(jìn)了以前制粒設(shè)備的不足，為未來制粒生產(chǎn)提供了另一種選擇，如果條件允許可以進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。