旋转式中药自动破碎机的设计与分析

摘 要：针对家庭和中药店等需要破碎中药的需求，基于“多破少磨”的工艺，提出了一种旋转式中药自动破碎机，介绍了其工作原理。设计实验装置对不同中药材进行了力学实验，以此为计算依据，设计并改进了关键零件。

关键词：旋转式；中药；破碎机；分析

引言

目前，中药材越来越广泛地被使用，在多数的药店都可看到有专门的中药销售柜台。在使用过程中，有些中药材需要经过破碎以提高生物利用度。药材破碎后，增加了表面积，可以促进药物的溶解与吸收，提高药材的效率，适当减少用量，有的用量仅为原来的1/3甚至1/5；药材如果磨碎成粉状，就有以下不足：（1）与空气接触面积增大，易吸潮发霉变质；（2）对含淀粉、粘液质较多的药材煎煮时更宜糊化，增加药液的粘度，不利于浸出。所以，对中药的加工工艺提出“多破少磨”的要求。目前，中药店使用人力破碎的还很普遍，工作量大，破碎效果依赖于操作人员的判断，针对这一情形，设想能否利用小型简单的机械设备来自动破碎。

破碎设备多用在矿石开采等场所，家用及一些小型化的粉碎设备也在增多，主要有锤式粉碎机、刀式粉碎机、齿式粉碎机等种类。结合“多破少磨”的工艺以及小型化、简单化的特点，提出了旋转式破碎中药装置，依据实验进行受力分析并对破碎用刀具进行校核改进。

1 结构设计与工作原理

基于UG软件， 采用自顶向下的设计模式， 完成了中药破碎装置的产品总装、部装和零件信息模型，建立了数字化装配模型。旋转式中药破碎装置组成及传动系统如图1、图2及图3所示。

2 破碎实验

为了设计旋转式中药破碎装置，需要确定执行破碎零件所受的载荷，以此为依据设计承载零件以及传动系统。为了获取初始数据，设计了实验装置并进行实物实验。

2.1 实验原理

本实验原理如图4所示。其中上方的物块质量为m，距离地面的高度为h，在物块的正下方是待测的中药材，在实验中测量物块碰到待测中药材到停止下来的时间为t（s）。

本原理是基于理想状态下进行测试，假设一：物块做自由落体运动；假设二：物块碰到中药材后是对心碰撞，且只经历一次碰撞，末状态为两者速度均为0。依据牛顿第二定律、加速直线运动规律和动量守恒定律，可得：

其中，v0=0m/s，vt近似认为物块刚碰到待测中药材时的初速度，F近似认为物块与待测中药材作用的平均作用力。

在图4中，3.盛物板与4.支架之间高度h可调，1.质量为m的物块，2.支撑板，5.待测中药材。

2.2 实验方法

本实验主要采用控制变量法，根据F=■■，控制影响力的因素物块质量m和物块的下落高度h以及中药材的种类。

2.3 实验过程及结果记录与分析

实验选取了冰片、薏米、姜黄、当归、三七、甘草、黄芪、莲子、大青盐和白矾十种中药材进行实验；实验用的物块质量有0.2kg、0.4kg、0.6kg、0.8kg、1.0kg和1.2kg，物块自由下落的初始高度设置在离中药材上方高度h=0.5m的地方。实验中假设只有一次碰撞，且末状态为两者速度都为0。表1中记录了物块刚碰到中药材到碰撞结束所用时间为t（s），其中+表示待测的中药材已完全破碎或分为不相连的几部分。

表1 破碎实验

表2是根据实验一由公式F=■■得破碎以上十种中药材至少需要的力为F（N）。

表2 破碎实验结果

3 刀片受力分析

通过了解本装置的结构，可知主要是依靠瞬时的冲击力使中药材破碎。首先，分析转速，根据图3传动系统图可知，该装置的刀片与内腔的转向相反。设定刀片的转速为n0，其中齿轮20、21、23、24、19的齿数分别为Z1=58、Z2=32、Z3=36、Z4=20、Z5=35，则内腔10的转速n1：

（1）

根据电机转速为n=4500r/min，功率p=0.75kw，则刀片17转速n0=4500r/min，根据公式（1）可得内腔转速为n1=1596r/min。

选用刀片材料为45，可查到其力学性能参数：泊松比μ=0.269，杨氏模量E=2.09×l05MPa，应力屈服极限σs=355MPa，安全系数n=5.92，即材料修正应力极限为60MPa。刀片调质处理，弯曲许用应力[？滓]=60Mpa，其破碎用刃口主要分布于半径2cm～5cm处，现用于破碎单颗质量大约为0.01kg的白矾颗粒。由于颗粒较小，故假设刀片刃口处受到的冲击力与半径大致呈线性关系，根据破碎此种规格的白矾需要的最小力约为31N，可得刃口处受力为：F=1550x，x∈（0.007，0.05）。则刀片在单个齿相当于悬臂梁结构，有悬臂梁结构的危险截面可知，在齿根处最危险，现进行理论计算。

由剪力与弯矩微分关系可知：

（2）

则弯矩

刀片在齿根部的截面为矩形（如图5所示），宽a=2mm，高b=10mm。由矩形截面的抗弯截面系数以及弯曲正应力的强度条件得：

（3）

（4）

其中b为矩形截面宽度，h为截面高度。

联立（3）、（4）可得？滓max=57Mpa

根据条件，在UG7.5软件中进行参数化建模，并在高级仿真模块下对其进行结构分析。刀片模型如图6所示。进行有限元分析时定义刀片材质为45钢，划分网格大小为1mm的3D四面体网格；载荷设为线性载荷，分别作用于刀片的三条刃口处；约束固定了刀片与轴相连的底部凸台；经过迭代求解得到刀片的应力云图如图7所示。

图6 改进后刀片结构模型图 图7 改进后刀片有限元分析应力云图

由图7可得改进后刀片的最大应力为？滓=29.15Mpa

4 结束语

4.1 本文设计的旋转式中药破碎装置结构轻巧，操作方便。

4.2 本装置采用的刀片与内腔同时转动，转向相反，相对增大了破碎的冲击力，节能并提高破碎效率，符合“多破少磨”的中药加工工艺要求。

4.3 对不同种类中药材进行力学实验，基于实验结果进行刀片的受力分析并根据理论计算和应力云图进行改进，可靠地保证了刀片的强度及使用寿命。

参考文献

[1]方士年，王阳奎.部分中药材粉碎使用的合理性初探[J].中成药，1992（05）：48.

[2]刘卫红，聂松辉.单辊破碎机锤头结构参数优化与疲劳性能分析[J].机械设计与制造，2012（6）：209-211.

[3]张新聚，常宏杰，侯书军.振动破碎机的设计与研究[J].煤矿机械，2008（08）：9-10.

[4]刘俊，高乐，范永威.搬砖机械手动力分析及结构优化[J].制造业自动化，2011（8）：10-12

[5]刘俊，郑庆元，高乐.锅炉膜式壁管屏双头自动气割机横梁静动态分析与结构优化[J].制造业自动化，2013（2）：51-53.