环保型中药材撞药机的设计与试验

2023-08-01张鹏霞卢军党杨志冬刘东琴张博然

农业开发与装备 2023年6期

张鹏霞，卢军党，杨志冬，杨震，刘东琴，张博然

（陕西省农业机械研究所有限公司，陕西咸阳 712000）

0 引言

中药材在炮制、调配或制剂之前，选取规定的药用部位去除杂质和非药用部位以符合用药要求，这一过程为药材的净制，是药材的初步加工过程[1]。按照中药材的具体情况，常用的方式有挑选、筛选、风选、漂洗、剪切、刮削、剔除、刷、擦、碾、撞、压榨等[2]。撞是将药材放在一定容器内，用力冲撞，以达到去毛、根须以及老皮的目的，常用于根类药材净制，如知母、骨碎补、黄芩、苍术、大黄等。

生产中常用的撞药机有筛式和滚筒式两种。筛式撞药机是由人工撞药所用的吊筛发展而来的，采用四连杆机构，筛体作简谐运动，药材在筛内作往复直线运动，在加工中使药材与药材之间及药材与筛壁产生撞击与摩擦使老皮与根须脱掉[3]，然后杂质从筛底分离出去。优点是便于操作，加工出来的药材颜色好，缺点是机具平稳性差、噪声较大、效率低。

滚筒式撞药机主要利用窝眼分离原理[4]，当药材在筒内随滚筒转至重力大于其运动离心力时，则下落与其他药材互相碰撞，且与滚筒壁产生撞击与摩擦，剥落药材外表面的老皮根须等，形成的杂质从窝眼分离出筒外。由于该机工作原理要求其转速不能过高，所以要获得一定的生产率，滚筒直径都很大，这样就使较轻的杂质（因其重力小）不易分离出来，使药材与杂质、碎土一起长时间摩擦，加工后的药材颜色较差。滚筒式撞药机根据滚筒截面形状分为圆筒、方筒、六方筒等，根据窝眼形式又可分为孔板式、网孔式等。大多无除尘装置，作业时扬尘污染环境现象严重。

贵州佐力机械科技有限公司杨佐永公开了一种棱角滚筒筛选除尘机[5]，包括机架、驱动电机、内筒和外筒，机架上设有滚筒拖轮，内筒的外侧设有与滚筒拖轮相匹配的环形轨道，滚筒拖轮通过皮带与驱动电机传动连接，外筒的左侧为进料口、其右侧为出料口，内筒为中空六棱柱形，并在内筒上开设有若干个筛孔；内筒的内侧壁上设有若干个导流板；上一个导流板与下一个导流板之间为螺旋形通道，抽风口从外筒顶部抽尘。湖北坤艳药业有限责任公司的杨年军公开了一种便于除尘的中药滚筒筛[6]，包括机壳、机壳的前壁通过合页安装有开关门，圆形筛筒固定安装在机壳内部，旋转推杆上安装有推料板，在机壳顶部设置有吸尘罩，吸尘罩上连接有吸尘管道，机壳左侧通过支架安装有风机，风机与风箱相连，风箱通过连接管与下灰筒相连。此两种机型虽增加了除尘装置，但因存在结构复杂、药材适应性差、操作维护不方便等因素未在市场形成应用。

针对现有撞药机存在的效率低、扬尘污染、物料适应性差、使用维护不方便等问题，通过结构设计、理论分析和计算，设计了一款环保型中药材撞药机。同时用干制大黄块进行了样机试验，对其净制和除尘效果进行了验证，对工作效率进行了测试，为中药材净制加工设备的设计提供了有力的参考。

1 整机设计及工作原理

1.1 整机设计

撞药机设计采用滚筒式撞击和布袋除尘原理，主要由机架、转笼、机罩、减速电机、联轴器、风机、抽尘软管、集尘袋等组成，结构如图1所示。整机分为转笼净制、环保除尘两个功能模块，转笼净制模块在前方，除尘模块在后部。转笼为八角中空结构，减速机通过联轴器与转笼的法兰轴相连，转笼两端的法兰轴通过轴承座安装在机架上。机罩将转笼完全罩住，底部留有排杂口，前部开有活动门；除尘抽风口设在机罩顶部，通过抽尘软管连接风机和布袋除尘器。减速机在工作和卸料时输出两种转速，正常工作时为较高速度，卸料时为较低速度。

图1 撞药机结构图

1.2 工作原理

撞药机原理如图2所示。工作时，转笼带动物料在笼内进行转动，当转到一定高度时物料因重力大于离心力而坠落到相对的笼板平面上，此时运动着的笼板平面及其上物料与坠落的物料之间发生撞击和摩擦，撞击力使物料表面的须根、粗皮、泥土等非药用部分脱离，达到净制目的。撞击同时产生的杂质和扬尘从笼板的孔隙中分离出来，颗粒大的杂质落到地面，扬尘被机罩罩住不使发生外逸。离心风机产生负压，外界空气从机罩底部排杂口处进入，在机罩内部形成自下向上的气流，扬尘在气流作用下通过机罩顶部的抽风口和风机进入布袋，粉尘截留到布袋中，干净空气重新排到空气中。可通过变频器调整转笼转速，通过时间继电器调节工作时间。

图2 撞药机原理示意图

2 转笼结构设计

转笼结构如图3所示，截面为正八角形，由转笼架、笼门、孔板和法兰轴组成。由于转笼工作时为低速运转，故转笼轴设计成半轴形式结构，与通轴相比可减小整机重量且不占用笼内空间。笼门与转笼用合页连接，工作时用快装锁扣锁紧，操作轻便。孔板为不锈钢材质，不会对药材药性造成影响；开孔为凸出起鼓孔如图4所示，可增大撞击面积，提高撞击效率，减少工作时间；孔板与转笼架为螺栓连接，方便更换，以适应加工不同种类药材。

图3 转笼结构图

图4 孔板结构图

3 除尘系统设计

中药材与粮食均属于农产品，所以除尘设计参考粮食加工行业的通风除尘系统，其中最常用的是机械式和过滤式除尘器[7]。机械式除尘器中的离心式除尘器因体积小、结构简单、除尘效率高而应用广泛，而过滤式除尘器中的布袋除尘器因使用方便、除尘效率高，一般情况下含尘气流一次过滤即可达到环境排放标准也最为常用。撞笼工作过程逸出的主要为粒径5 μm以下粉尘，适合最小捕集粉尘5 μm以下的除尘器还有电除尘器。将三种除尘器特点[7]进行比较如表1，综合使用方便性、成本以及除尘效率选择常用的布袋除尘器。考虑到设备的实用性，采用简易压气式布袋除尘器[8]，布袋位于风机后端，制造容易、操作方便、造价低。

表1 除尘器的性能特点

吸尘罩是通风除尘系统的重要构件之一，其结构和形状是否符合含尘气流流动规律关系着通风除尘系统能否高效率地捕捉住粉尘，能否控制住粉尘以及含尘气流的飞扬[9]。粉尘的捕捉方式分为被动式和主动式两种，本撞药机中粉尘产生和扩散伴随整个工作过程，故只能采用被动式粉尘捕捉方式，即通过吸尘罩的吸风作用将飞扬的粉尘捕捉到除尘系统。由于转笼体积较大所以产生的扬尘面积也大，相比开放式吸尘罩而言密闭式可以节省风量从而降低风机能耗[10]，设计采用将转笼完全包裹的密闭式吸尘罩。机罩也是吸尘罩，其结构如图5所示。除尘抽风口设置在顶部，底部留排杂口，也是进风口；在机罩两端面与轴承座对应处也各开有进风口，便于转笼端部含尘气流向中部集中；另机罩前方设计大尺寸活动门，与机罩用合页连接，气弹簧支撑，方便使用和维护。

图5 机罩结构图

除尘系统结构如图6所示，主要由机罩、导风管、风机、过滤布袋组成。该系统的优点是当风机风量一定时，机罩的进风口面积决定着机罩内部的气流速度，所以对风机风量要求可适当放宽，以扬尘不发生外逸为目的，可减小除尘系统的结构和能耗；撞击过程产生的扬尘一经产生便处于稳定的气流中，并随之带到顶部的抽风口，减少了发生外逸的可能；杂质及扬尘即时与药材分离，药材表面干净颜色鲜亮。

图6 除尘系统结构图

4 动力选型

首先对转笼进行三维建模，并以大黄块为原料进行仿真模拟。经测试大黄块的容重为445 kg/m3，在转笼内大黄块最大装料量1/2容积情况下，计算转笼工作启动的瞬间所需功率。计算公式：

式中，P—所需功率（W）；

J—转动惯量（kgm2）；

ω—角速度（rad/s）；

△t—加速时间，取0.5 s；

η—系统传动效率，取0.87；

S—安全系数，取1.2。

由三维建模及仿真得出加入大黄后的转笼转动惯量为J=47.47 kgm2，转笼转速40 r/min（前期台架试验得出）。

根据计算结果，设备动力选用2.2 kW减速比为1∶35的摆线针轮减速机。

5 风机选型

由于除尘系统主要以罩口风速是否能有效捕捉粉尘为除尘效果的主要影响因素，而影响罩口风速的主要因素是风机的吸风量，因而此处以风量为主要参数来选择风机，按进风口面积计算风机的吸风量。计算公式：

式中，Q—吸尘罩的吸风量（m3/s）；

α—吸风量附加系数，一般α=1.0～1.3；

A—密闭吸尘罩所有缝隙的面积之和（m2）；

v—气流速度（m/s）。

对于颗粒物料而言合适的罩口风速为3～5 m/s；对于粉状物料，速度不超过3 m/s，以不吸走原料为基准。本大黄块属于颗粒物料，在密闭吸尘罩内的扬尘不需要捕获，仅需要大于其悬浮速度的气流即可，故而选取的罩口风速稍小，罩口风速v取2 m/s；α取1.2；设计进风口面积A为0.4 m2时，计算出的吸风量为3 456 m3/h。根据此吸风量选取风机风量3 500 m3/h。

选取了风机风量后，计算机罩最大水平截面处风速，与相似颗粒悬浮速度比较，进一步验证。计算公式：

设计机罩最大水平截面为1.8 m2，代入上式计算得v=0.54 m/s。

相似粉尘颗粒的悬浮速度[11]见表2，且颗粒群的悬浮速度要比单颗粒的悬浮速度小。由于中药材撞击产生的扬尘颗粒介于与滑石粉和水泥之间，所以此风速在合理范围内。

表2 部分粉尘颗粒的悬浮速度

根据风量计算值及表2的除尘器性能，风机选用风量≥3 500 m3/h，风压≥800 Pa的离心式风机。

6 样机试验

设备样机调试完成后用汉中市镇巴县产的大黄块进行试验，为当季收获的大黄切块晒干后的干制品。试验物料100 kg，每工作1 min后停机，将转笼内大黄块全部倒出称重，同时记录大黄块净制效果以及期间撞落的杂质，连续记录10次。

大黄块净制试验现场如图7所示，试验整个过程除尘效果明显，未发现肉眼可见的粉尘外逸现象。如图8所示为大黄块的物料损耗曲线图，物料在撞药机内的损耗呈先升后降趋势，第4 min时产生的杂质最多，之后产生的杂质呈急剧下降趋势。如图9所示为撞落的杂质图片，前6 min产生的杂质中粗颗粒较多，颜色较深，第7 min及以后的杂质中粗颗粒的比例下降，颜色变淡。如图10所示为大黄块净制效果图片，第4、6 min的大黄净制效果最好，外部粗皮已基本清除干净，呈现出黄亮的颜色；第8、10 min的大黄块净制效果提升不明显，边角呈现出明显的磨损。如图11所示为集尘袋收集的粉尘，为尘土及大黄粉的混合物。