快拆清洁刷及应用该清洁刷的小型粉碎机的设计

2022-06-21王旖旎

中国新技术新产品 2022年5期

王旖旎

（湖南环境生物职业技术学院，湖南衡阳 421005）

0 引言

在高校实验室或科学研究所，对食品或药品固体样品进行理化分析时，小型粉碎机（打粉机）通常是对样品进行预处理的必备设备。在医院或中药店，对三七、灵芝、珍珠等硬度较高、手工不易粉碎的固体药物，为方便顾客，经常用粉碎机代客加工。在家庭厨房或食品加工小作坊，须碾碎五谷杂粮及炒菜、煲汤、调馅用调料，小型粉碎机是不可缺少的工具，它能减轻人的操作负担，节省时间、提高效率、保证产品品质，在医药、食品行业具有实用价值。

1 设备故障分析及技术改进的必要性

小型粉碎机使用范围广泛，有较强的实用性，给人们的工作、生活带来了很多便利。粉碎机粉碎的固态物料，硬度较高，一旦粉碎机使用频率过高，会容易发生故障。实际使用中也的确如此，在高校实验室里，学生人数多，设备数量有限，要完成一次试验，会过度使用粉碎机，这样一台粉碎机最长能用两、三年，最短只能用几个月。根据分析发现，粉碎机故障的大多数原因是刀片与待粉碎固体间发生卡滞，刀片无法转动，或者被卡住的粉碎机刀头与电机转轴间发生滑脱，甚至直接断裂。

为节省开支，减少浪费，延长粉碎机的使用寿命，部分研究人员对其进行了研究，防卡滞粉碎机（ZL201721118357.5）是其中一例。防卡滞粉碎机包括底座和位于底座上部的粉碎腔，粉碎腔上部有一顶盖，底座内有一驱动电机，电机的电机轴穿出底座上部并伸至粉碎腔内，电机轴的顶端可拆卸地安装防卡滞刀头。防卡滞刀头包括安装在电机轴顶端的刀头本体和对称安装在刀头本体上的两组刀片组，刀片组由多个层叠布置的月牙形刀片组成，刀片组最底部的刀片刃部向粉碎腔底面倾斜并贴紧粉碎腔底面。分析发现，采用该方案设计的粉碎机降低了粉碎机因卡滞而发生破损性故障的可能性，但是仍旧忽视了粉碎腔内的清洁度，这是一个导致粉碎机卡滞的重要因素。

基于这些情况，该文对该技术进行改进，设计了一种专用快拆清洁刷，并用该清洁刷清洁粉碎腔的粉碎机。该粉碎机能够根据不同的转速产生不同的离心力，来实现刷头对粉碎腔内不同位置的清洁。充分利用离心力的作用，弥补了现有技术的不足，有效保证了粉碎腔内的清洁度，减少了刀片与固体物料间可能发生的卡滞，延长了机器的使用寿命，具有很好的实际应用价值。

2 装置总体方案设计

该设计的目的是提供一种快拆清洁刷和应用该清洁刷的粉碎机。按照该目的设计的装置如图1～图4所示。

2.1 快拆清洁刷

快拆清洁刷由主轴、弹簧钢片（包括限位凸缘）、清洁刷头（包括滑套、刷毛组件、圆形滑辊、刷头安装位）3个部分组成，如图1、图2所示。

2.2 应用快拆清洁刷的粉碎机

应用快拆清洁刷的粉碎机主要由底座、电机、控制系统、粉碎腔顶盖、刀头、快拆清洁刷等组成，如图3、图4所示。在粉碎物料时，将刀头安装在驱动电机的转轴上，对物料进行粉碎；在粉碎腔需要清洁时，拆下刀头，将快拆清洁刷安装到电机转轴上，对粉碎腔进行清洁。

3 装置各部件设计

3.1 快拆清洁刷的设计

图1 快拆清洁刷示意图

图2 清洁刷头示意图

快拆清洁刷的结构如图1、图2所示，两端部设有向内凹陷的插孔的圆柱形主轴，主轴两侧水平对称插装有两组“八”字形的弹簧钢片，弹簧钢片从靠近主轴的一侧向远离主轴的一侧逐渐散开，弹簧钢片外套接有可以沿着弹簧钢片表面自由滑移的清洁刷头。

3.1.1 主轴

主轴位于清洁刷的中心位置。由于主轴的下端部有接合组件（凹陷插孔），在对粉碎腔进行清洁时，只需通过主轴上的凹陷插孔就可快速地将清洁刷安装在粉碎机的电机转轴上。电机启动，电机转轴带动清洁刷一起转动，从而实现清洁刷刷头对粉碎腔的清洁作用；当粉碎腔被清洁完后又可快速地将清洁刷从电机转轴上拆卸下来。上述操作简单易行，使用起来方便灵活。

3.1.2 弹簧钢片

弹簧钢片是一种弹性件，它具有良好的弹性，在规定的范围内，弹性变形的能力使它能够承受一定范围内的载荷，在载荷去除后不会出现永久变形。由于它在动载荷环境下工作，具有较高屈服强度。正因为弹簧钢片有这些特性，使套装在外的清洁刷在进行清洁工作时，刷头能够随着机器转速的不同而沿着弹簧钢片自由滑动，转速越小越靠近主轴，转速越大越远离主轴，刷毛所到处，就对该处进行刷净，直至将粉碎腔内各个位置都清洁到，自由滑动过程中弹簧钢片不会因此而发生变形。

3.1.3 清洁刷头

清洁刷头包括可在弹簧钢片上自由滑动的滑套，以及可拆卸的安装在滑套外的刷毛组件，这种结构设置使刷毛组件运动灵活。当电机开启，主轴逐渐转动时，滑套会在逐渐变大的离心力作用下渐渐从靠近主轴的一侧滑向远离主轴的一侧，相应地刷毛组件也跟着滑套由近及远滑动，从而完成对粉碎腔各个位置的清洁。每个弹簧钢片外缘远离主轴一侧设有一限位凸缘，限位凸缘起阻挡作用，这样就避免了机器高速转动时清洁刷头从弹簧钢片上滑脱的可能性，保障了机器运转时刷头的安全性。

为了减少滑套滑动过程中与弹簧钢片间的摩擦，在上述技术基础上作改进，在两滑套内侧各增设1个与弹簧钢片相配合的圆形滑辊，这样有利于滑套在弹簧钢片上自由运动，减少卡滞的可能性；在滑套外侧设有若干个刷头安装位，这样可以根据需要将刷毛组件插装在不同刷头安装位上，而且在更换清洁刷时，只需将该侧的刷毛组件从刷头安装位上拆下即可，避免了对清洁刷的整体更换，拆装方便，省时省力省成本。

3.2 应用快拆清洁刷的粉碎机的设计

如图3、图4所示，该粉碎机包括底座和设于底座上方的粉碎腔，粉碎腔上部设有一顶盖，底座内设有驱动电机，驱动电机的转轴上可拆卸安装刀头，粉碎机还包括图1所示的快拆清洁刷。

3.2.1 底座

底座是整个粉碎机的承重部件，它将支撑整个机器的质量。一般来说底座的结构决定了整个机器的稳定性，在设计底座时需要保证整个装置稳定，即正常工作时不会晃动和倒塌，因此底座材料的选择非常重要。该设计的底座采用耐震动不易变形的铸铁作为材料。为防止铸铁表面生锈，外加1层0.3mm～0.5mm厚的不锈钢板，卫生又美观。电机高速运转过程中可能会产生较大噪声，在底座内侧可以设置1层吸音棉。吸音棉是一种人造无机纤维，有消音的作用，减少震动和噪声污染。

3.2.2 粉碎腔

粉碎腔是粉碎机的主要部件，物料的粉碎就在其中完成。因粉碎腔直接与物料相接触，粉碎腔严格按照药品GMP标准制作，均采用全优质不锈钢材料，这样完全符合中药忌铁要求及GMP要求，清洁卫生，符合食品和中药材生产加工卫生要求。

图3 粉碎机示意图

图4 顶盖局部放大示意图

3.2.3 电机、轴承及控制系统

考虑到结构的紧凑性和装置的稳定性，电机纵向安装于底座中心，电机转轴穿出底座上部并伸至粉碎腔内，转轴上端呈正四方形。粉碎机最关键的部件是电机和轴承，电机和轴承的好坏决定粉碎机使用寿命的长短。为了让产品经久耐用，尤其在使用频率高的实验室，笔者根据粉碎机粉碎量的多少来选择与它相适应的电机，该粉碎机选用超耐用精品纯铜电机，轴承采用优质轴承。因为劣质电机与精品电机成本相差100～300元，劣质轴承与优质轴承价格相差近3倍，其使用寿命相差也在3倍以上。

除电机以外，粉碎机还包括一个设于底座内的电机控制器以及设于底座上的转速调节旋钮。电机控制器控制整个装置的启动和关闭；转速调节旋钮能够使电机控制器控制驱动电机的转速，以适应清洁过程所需不同转速。

3.2.4 粉碎腔顶盖

粉碎腔顶盖位于装置最上部，其顶面中心设有一定位销柱，定位销柱可插入快拆清洁刷主轴的插孔内。定位销柱包括相互套装的销柱本体和若干微型轴承，销柱本体的下方呈细长的轴体，轴体底部设有外螺纹段，外螺纹段上安装限位螺母。

定位销柱的作用是对正主轴插孔，限制主轴的自由运动度。物体在空间内有6个自由度，X、Y、Z轴向的直线运动以及绕着X、Y、Z的旋转运动。该处定位销柱限制了主轴X、Y轴向的直线运动，保证清洁刷工作时其主轴与电机转轴始终处于同轴的位置，不产生偏转。限位螺母用来调节定位销柱长度的极限位置，限制其Z向的直线运动，并保证清洁刷工作时定位销柱与主轴凹陷插孔间不产生滑动。微型轴承的作用是支撑定位销柱，降低其旋转过程中的摩擦系数，保证其回转精度。

4 工作原理

粉碎物料前，先将粉碎机放平，接通电源，空转1 min左右，观察刀片转动情况及噪声大小。若噪声大，则立即关闭电源，通过粉碎机地脚调平。然后往粉碎腔内喂料，腔内物料要尽量放置均匀，以免粉碎过程因质量不均而致转轴转动不平衡，影响粉碎机的寿命。

盖上顶盖，开启电源，转动转速调节旋钮，电机开始转动，粉碎腔内的刀片随着电机也开始转动，短时间内速度增加很快直至平稳。物料在高速旋转的刀片的打击、撕裂、搓擦作用下逐渐被粉碎。若粉碎量多，机器使用频率过高，粉碎过程中待粉碎物与刀片间难免发生卡滞，出现刀片难以转动或刀片滑脱等情况，这时需要立即关闭电源，清洁粉碎腔。拆下刀头，通过主轴将清洁刷安装在电机转轴上，盖上顶盖，用定位销柱固定主轴，注意螺母必须旋紧，不能有松动。在清洁粉碎腔时，清洁刷随着驱动电机转速的不同而对粉碎腔内的不同位置进行清洁，转速慢时离心力小，刷头只对距离转轴较近的位置进行清洁，转速快时离心力大，刷头滑向远处，对距离转轴远的位置进行清洁。电机转速越快，清洁刷的刷毛组件受到离心力作用越大，刷头更加紧密贴合粉碎腔壁面，从而获得更好的清洁效果。要全面清洁粉碎腔，只须通过转动转速调节旋钮调节电机的转速就可实现对粉碎腔各个位置的清洁，不留死角。

清洁完后，关闭电源，卸下清洁刷，重新装上刀头，喂料继续粉碎。待粉碎腔内物料粉碎彻底后关机，取出物料，清理粉碎腔内残留物。

5 技术创造性与先进性

与现有技术相比，该设计非常巧妙，具体表现如下：1）快拆清洁刷的设计，粉碎机不同的转速，产生的离心力不同，刷头沿着弹簧钢片自由滑动，充分利用离心力的作用来实现对粉碎腔内不同位置的清洁。2）清洁刷具有可快速安装在粉碎机电机转轴上的主轴，易于安装和拆卸清洁刷，操作方便灵活。3）清洁刷具有可拆卸的刷头，相对现有技术的清洁刷刷头位置固定的设计，随着转速的提高，该清洁刷的清洁效果得到了提高。即电机转速越快，刷头会受到更大的离心力作用，从而使刷毛组件更加紧密贴合粉碎腔壁面，有效提高了刷毛对粉碎腔壁面的清洁效果。4）滑套外侧设有若干个刷头安装位，使刷毛组件安装与更换更方便，避免了对清洁刷的整体更换，拆装方便，省时省力省成本。5）转速调节旋钮能够使电机控制器控制驱动电机的转速，以适应清洁过程所需不同转速。