基于SolidWorks Simulation软件的旋压式制粒机的结构设计与有限元分析

尹帅帅，石更强，孙旭阳，李战伟

上海理工大学医疗器械与食品学院，上海200093

前言

近几年来，我国药物工业得到快速发展，制药设备也日益完善。制药设备在加工药物的过程中发挥着不容小觑的作用［1-2］。制粒是制药过程中一个重要环节，制粒的好坏决定了压片的成功与否，而制粒分为干法制粒和湿法制粒，由于湿法制粒的优点，多采用湿法制粒［3］。在制粒的过程中对制粒设备的性能、效率和清洗等方面的要求也逐渐提高，设计一款高效率制粒机对我国医药事业的发展意义重大。

科旭GXL-250 旋压式制粒机通过螺旋刀与筛网将中间的软材进行挤压而形成颗粒［4］。上海天和ZL250/300 旋压式制粒机同样采用三角刀和筛网挤压形成颗粒［5］。这些设备大多采用六角螺栓作为紧固件，而且数量众多，拆装费时又费力。同时螺栓经过反复拆装后有不同程度的磨损，或紧固于装配体内无法取出，或太过松动，致使无法持续使用。这些设备的筛网由多个筛片组合而成，大大增加拆卸的难度，筛网的组合导致颗粒的分布也不均匀。并且在实验过程中，旋压刀和叶片之间的间距过大，很容易造成颗粒的堆积，无法被轻易挤出，特别是当生产过程接近尾声时，无法全部压出，致使产量减少［6-7］。针对这些缺点，希望可以设计一款制粒机，制粒机零件之间的连接少用甚至不用紧固件，筛网采用整箱式，尽量减少筛网和螺旋刀之间的距离，这样可以大大减少零件之间的摩擦，方便零件的拆卸与清洗，减少物料的堆积，加大生产效率。

本文采用SolidWorks 对制粒机进行了新的结构设计，采用旋转挤压成型技术（又称环模制粒技术），将粉体物料经旋转辊轧制备成颗粒产品，具有生产效率高和产品质量稳定等优点［8］。并且设计的一箱式筛网方便拆除与清洗，旋转送料机构保证及时将产生的颗粒排出。Simulation 插件进行静应力分析等仿真实验，探究新结构的可行性，对结构设计进行尺寸和材料的优化与改进，使其可进行实际生产。设计的制粒机大大增加了制粒的效率，减少了零件之间的磨损，使设备的拆卸和清洗更加简化方便，并且未来可进行实体生产与应用。

1 结构设计

本文在设计的初期，为了提高制粒的生产效率，仍然采用的是三瓣式旋压刀，旋压刀呈扇形，将多个旋压刀进行累积，通过与直桶式筛网的挤压生产颗粒。这种设计只考虑了生产效率和拆装的方便，保留了传统三瓣式旋压刀，依然存在停止进料后，物料旋压不彻底的情况，并且多个旋压刀导致马达负重增加，耗能增加，产生了大量的热量，影响物料物性。介于此设计了倒锥形的旋压刀，截面呈螺旋形，与锥形筛网搭配，不仅提高了生产效率，而且避免了物料在底部堆积，进来的物料会及时随着螺旋刀传送到底部，这种创新的设计，极大的丰富了现在市场螺旋刀的形状。

1.1 结构介绍

本文利用SolidWorks［9］对旋压式制粒机进行了新的结构设计，如图1所示。

物料传送平台①：为了解决物料自动传输而不需要手动收集的问题，设计了转动底盘加上固定挡板，它是侧面为45°的圆台，与挡板②和支架③配合使用，当来自筛网的颗粒从物料传送平台掉入到底部后，挡板和物料传送平台一起旋转，将整个圆周的颗粒进行传送，通过底部支架的开口送出。

为了消除取消紧固件而带来的装配体整体不稳定情况，借鉴了榫卯的插销结构，特别设计了底座④，带有4个支架凹槽，一个圆柱壁凹槽，所有插销槽深度均为5 cm。考虑到不采用紧固件的条件下，仅采用插销固定，筛网的强度不足以支撑上部进料口重力以及物料的挤压力，故在基础方案设计时，添加了4组支架⑧，支架面弧度为30°，4组支架等角度分布在底座④上，采用插销式固定，固定深度为5 cm。支架最上方为半径5 cm圆柱壁，用于支撑进料漏斗罩⑦。一体式筛网⑨，中间为带锥度圆台状筛网，筛网的目数可以调节，下半部分为半径5 cm的圆柱，壁厚0.9 cm用于插入底座凹槽内，便于固定；上半部分为半径20 cm 的圆柱，壁厚0.9 cm，用于承接固定进料斗。

图1 结构图Fig.1 Structure of spinning granulator

综合考虑，设计进料斗为圆台状，口径较大，便于湿物料倒入，且上部为斜面，可将倒入的物料直接导入到筛网内，圆柱面与支架相配合，用于承载大量重力，中部圆环与筛网相配合，使进料斗能够固定在装配体上，不仅起到承重的作用而且还可以固定进料口的位置。螺杆式旋压刀⑤，是本设计的核心，也是区别于一般制粒机的最关键的地方，通过设计成螺旋状，增大了制粒的面积，提高了效率，随着中间的旋转轴一起旋转，与筛网进行挤压制粒。通过改进设计，增大中间的旋转轴，增大坡面角度，使得湿物料可以更好的下落，不在中间堆积。同时中空旋压刀既减小了离心力以及马达消耗，使得在旋压刀中通水冷的方案成为可能，可以保证物料的物性。环形加固版⑥放弃了四瓣插销式设计，而采用整环设计，锥度贴合筛网，8 cm 高的环形加固版，更好的提供了支持力，防止筛网变形，并且能够起到很好的整体式作用，保证了各部件之间的紧固牢靠作用。

1.2 装配图

本文通过对各结构的尺寸匹配，利用SolidWorks 建立了螺杆式旋压刀制粒机的装配图，如图2所示，用此图可以指导后期的实际生产。

图2 装配图Fig.2 Assembly

2 有限元分析

上述设计了螺杆式旋压刀制粒机的结构图，部分材料采用铁或钢即可，但是旋压刀和筛网在运转时，由于对中间物料的挤压，会导致筛网受到较大的力而破碎，螺旋刀材料的刚度不够，也会导致截面的变形，如果采用散热不良的材料，产生的热量不能及时传出，将会使一些热敏性物料发生变性。支架等负重较大或者受力较大的地方，需要特殊的材料。并且物料传送平台和筛网的生产效率还需进一步的验证，采用SolidWorks Simulation可以对各部分的受力以及模块之间的传动进行分析和优化，看是否能够达到预期的目标。通过合理设计参数，有限元分析程序可为我们找到最佳参数，从而加快研发进程。SolidWorks Simulation解决方案包括：跌落测试分析、频率分析、有限元分析、结构分析、热结构分析、振动分析、线性应力分析、塑料和橡胶零件分析、疲劳分析［10］。

2.1 仿真实验

2.1.1 初步仿真参数螺杆式旋压刀采用合金钢，具体参数如表1所示。压力参数预估设定，假设2 kg湿物料完全覆盖在螺杆式旋压刀刀面上，旋压刀刀面面积为2 351 cm2，则压力为85 Pa。离心力参数预估设定，预期转速为50 rpm，实际转速为5.24 rad/s。

2.1.2 初步仿真结果节点数=49 612，单元数=32 647，自由度数=148 836。静态位移分析：在预设条件下，螺杆式旋压刀下半部分位移形变不大，但是上半部分位移形变程度明显，可能与模型材料为强度不高的合金钢有关，同时模型为实体结构，造成离心力过大，如图3所示。静应变分析：在预设条件下，螺杆式旋压刀应变不明显，如图4所示。

2.1.3 改进仿真参数通过上述仿真可得出结论，结构设计无需特大改进，选择强度更高，更轻的材料可以解决位移过大的问题。由此笔者选择了商用纯R50700等级4（SS）钛合金，参数如表2所示。

表1 螺杆式旋压刀初步仿真参数Tab.1 Preliminary simulation parameters of screw spinning tool

图3 螺杆式旋压力静态位移分析Fig.3 Static displacement analysis of spinning knife

图4 螺杆式旋压力静应变分析Fig.4 Static strain analysis of spinning knife

2.1.4 结果对比分析从图5 可以看出，改进后的位移比例参数为0.000 794 76，较改进前的1.8709e-500明显减小。说明改进后的旋压刀形变较小，同时，由于建模分析时采用的模型旋压刀为实体，而实际设计方案中为抽壳真空刀片，总体重量会减轻，其离心力也随之减小，形变更小，位移更小。所以通过改进螺旋刀的材料可以达到所需要求。

2.2 一箱式筛网的仿真实验

筛网是整个结构中承受压力最多、最频繁的零部件，他不仅要承担进料口的重力，同时还要承受螺旋刀的挤压并且还要经常更换清洗，故直接采用强度较高的材料。同时，筛网压力分布越均匀，则说明制粒效果越好。

表2 改进仿真参数Tab.2 Improved simulation parameters

图5 改进前（a）和改进后（b）对比图Fig.5 Comparison of displacements before(a)and after(b)improvement

2.2.1 参数设置筛网材料直接选用高强度材料，选用钛Ti-8Mn，退火材料，参数如表3 所示。压力参数预设为100 Pa，垂直于筛网法线。筛网上部承受预设质量1 kg，重力加速度设置为-9.81 m/s2，此为进料口的物料撞击筛网的加速度。

2.2.2 仿真结果静应力分析：变性比例达到了1.125e+500，主要集中在上半部分，但是可以看到，在同一经度上的压力分布还是比较均匀的，如图6 所示。静应变分析：与位移相同，对于上半部分筛网应变情况较为严重，上部受力较严重，但是总体非常平均，如图7所示。

表3 筛网参数设置Tab.3 Parameter setting of screen mesh

图6 筛网静应力分析Fig.6 Static stress analysis of screen mess

图7 筛网静应变分析Fig.7 Static strain analysis of screen mess

3 结构分析改进

3.1 筛网改进

由于筛网与螺杆式旋压刀相匹配，在旋压刀已经合理可行的条件下，不在外形上对筛网进行改变。采用外部紧固件加固的设计来抵消上部形变，作为妥协需要牺牲一定的产率。采用带锥度圆环，圆环依托于支架上部，秉承便于拆卸，方便清洗的原则，故采用插销结构，需要对支架进行一定程度的重构。

3.1.1 支架重构支架上部削去8 cm 高的实体，用于卡口环形加固版，其余部分不做改变，即上部卡口部分由5 cm变为13 cm，如图8所示。

图8 改进后的支架Fig.8 Improved bracket

3.1.2 环形加固版环形加固版放弃四瓣插销式设计，而采用整环设计，锥度贴合筛网，8 cm 高的环形加固版，更好的提供了支持力，防止筛网形变，如图9所示。

图9 环形加固版Fig.9 Ring hardened plate

3.2 其他配件

为了解决物料自动传输而不需手动收集的问题，设计了转送底盘加上固定挡板，使得物料下落至底盘后能够随底盘转动而碰撞至挡板，从而堆积下落。同时加装透明亚克力外罩防止粉尘四散，也能观察内部运作情况。物料传送圆台采用圆台设计，带有坡面，使得颗粒在重力作用下自然掉落后，能随坡面滚动至底板。模型设计为实体，实际开模为中空，可布置电路齿轮以及水冷结构，图形过于简单，故无需以图呈现。5 r/min，物料随传送圆台转动，在开口处导出。

3.3 动画仿真

插件介绍：SolidWorks motion运动仿真工具能够对已经设计好的结构进行运动模拟和受力分析，帮助设计师在生产实物模型前期时判断设计的可行性。

运动算例是装配体模型运动的图形模拟。运动算例不更改装配体模型和其属性。他们模拟动画所规定的运动。可以在建模运动时约束零部件在装配体中的运动。运动算例有以下工具：（1）动画，可使用动画来描述装配体的运动。添加马达来驱动装配体或多个零件的运动。使用设定键码点在不同时间规定装配体零部件的位置。动画使用插值来定义键码点之间装配零部件的运动。（2）基本运动。可使用基本运动模块在装配体上模仿马达，弹簧接触引力。基本运动在计算运动时考虑到质量。

动画仿真：通过添加2 个旋转马达，进行动画仿真。马达一作用于螺杆式旋压刀，转速为50 rpm，顺时针转向，便于物料下落。马达二作用于物料传送圆台，转速为5 rpm，逆时针转向，便于物料的导出。通过动画仿真，验证了装配体的可行性，并且通过零件的约束运动，在马达的驱动下，可以实行所需要的运动。

3.4 定稿工程图

除去一体式筛网使用钛Ti-8Mn-退火材料，螺杆式旋压刀使用商用纯R50700 等级4（SS）钛合金，其他零部件均采用合金钢。工程图如图10所示。

图10 工程图Fig.10 Engineering drawing

4 结论

本文利用SolidWorks 软件进行了旋压式制粒机全新的结构设计，利用SolidWorks Simulation 插件对所设计的旋压式制粒机进行了仿真模拟和有限元分析，得到了各零件的应力分布及形变情况，对它们的结构尺寸进行了改进和优化，使设计的制粒机实现其预期的功能。

整个螺杆式旋压制粒机没有采用一个紧固件，整体采用插销结构，方便拆卸，易于清洗。制粒机旋压刀与筛网接触面较大，单位时间内的生产量更大，提高生产效率。螺杆式旋压刀挤压力施加均匀，使得挤压颗粒质量均匀，长度合适，提高颗粒质量。

通过整个设计，改进了以前制粒设备的不足，为未来制粒生产提供了另一种选择，如果条件允许可以进行实际生产。