環保型中藥材撞藥機的設計與試驗

張鵬霞，盧軍黨，楊志冬，楊 震，劉東琴，張博然

（陜西省農業機械研究所有限公司，陜西咸陽 712000）

0 引言

中藥材在炮制、調配或制劑之前，選取規定的藥用部位去除雜質和非藥用部位以符合用藥要求，這一過程為藥材的凈制，是藥材的初步加工過程[1]。按照中藥材的具體情況，常用的方式有挑選、篩選、風選、漂洗、剪切、刮削、剔除、刷、擦、碾、撞、壓榨等[2]。撞是將藥材放在一定容器內，用力沖撞，以達到去毛、根須以及老皮的目的，常用于根類藥材凈制，如知母、骨碎補、黃芩、蒼術、大黃等。

生產中常用的撞藥機有篩式和滾筒式兩種。篩式撞藥機是由人工撞藥所用的吊篩發展而來的，采用四連桿機構，篩體作簡諧運動，藥材在篩內作往復直線運動，在加工中使藥材與藥材之間及藥材與篩壁產生撞擊與摩擦使老皮與根須脫掉[3]，然后雜質從篩底分離出去。優點是便于操作，加工出來的藥材顏色好，缺點是機具平穩性差、噪聲較大、效率低。

滾筒式撞藥機主要利用窩眼分離原理[4]，當藥材在筒內隨滾筒轉至重力大于其運動離心力時，則下落與其他藥材互相碰撞，且與滾筒壁產生撞擊與摩擦，剝落藥材外表面的老皮根須等，形成的雜質從窩眼分離出筒外。由于該機工作原理要求其轉速不能過高，所以要獲得一定的生產率，滾筒直徑都很大，這樣就使較輕的雜質（因其重力?。┎灰追蛛x出來，使藥材與雜質、碎土一起長時間摩擦，加工后的藥材顏色較差。滾筒式撞藥機根據滾筒截面形狀分為圓筒、方筒、六方筒等，根據窩眼形式又可分為孔板式、網孔式等。大多無除塵裝置，作業時揚塵污染環境現象嚴重。

貴州佐力機械科技有限公司楊佐永公開了一種棱角滾筒篩選除塵機[5]，包括機架、驅動電機、內筒和外筒，機架上設有滾筒拖輪，內筒的外側設有與滾筒拖輪相匹配的環形軌道，滾筒拖輪通過皮帶與驅動電機傳動連接，外筒的左側為進料口、其右側為出料口，內筒為中空六棱柱形，并在內筒上開設有若干個篩孔；內筒的內側壁上設有若干個導流板；上一個導流板與下一個導流板之間為螺旋形通道，抽風口從外筒頂部抽塵。湖北坤艷藥業有限責任公司的楊年軍公開了一種便于除塵的中藥滾筒篩[6]，包括機殼、機殼的前壁通過合頁安裝有開關門，圓形篩筒固定安裝在機殼內部，旋轉推桿上安裝有推料板，在機殼頂部設置有吸塵罩，吸塵罩上連接有吸塵管道，機殼左側通過支架安裝有風機，風機與風箱相連，風箱通過連接管與下灰筒相連。此兩種機型雖增加了除塵裝置，但因存在結構復雜、藥材適應性差、操作維護不方便等因素未在市場形成應用。

針對現有撞藥機存在的效率低、揚塵污染、物料適應性差、使用維護不方便等問題，通過結構設計、理論分析和計算，設計了一款環保型中藥材撞藥機。同時用干制大黃塊進行了樣機試驗，對其凈制和除塵效果進行了驗證，對工作效率進行了測試，為中藥材凈制加工設備的設計提供了有力的參考。

1 整機設計及工作原理

1.1 整機設計

撞藥機設計采用滾筒式撞擊和布袋除塵原理，主要由機架、轉籠、機罩、減速電機、聯軸器、風機、抽塵軟管、集塵袋等組成，結構如圖1所示。整機分為轉籠凈制、環保除塵兩個功能模塊，轉籠凈制模塊在前方，除塵模塊在后部。轉籠為八角中空結構，減速機通過聯軸器與轉籠的法蘭軸相連，轉籠兩端的法蘭軸通過軸承座安裝在機架上。機罩將轉籠完全罩住，底部留有排雜口，前部開有活動門；除塵抽風口設在機罩頂部，通過抽塵軟管連接風機和布袋除塵器。減速機在工作和卸料時輸出兩種轉速，正常工作時為較高速度，卸料時為較低速度。

圖1 撞藥機結構圖

1.2 工作原理

撞藥機原理如圖2所示。工作時，轉籠帶動物料在籠內進行轉動，當轉到一定高度時物料因重力大于離心力而墜落到相對的籠板平面上，此時運動著的籠板平面及其上物料與墜落的物料之間發生撞擊和摩擦，撞擊力使物料表面的須根、粗皮、泥土等非藥用部分脫離，達到凈制目的。撞擊同時產生的雜質和揚塵從籠板的孔隙中分離出來，顆粒大的雜質落到地面，揚塵被機罩罩住不使發生外逸。離心風機產生負壓，外界空氣從機罩底部排雜口處進入，在機罩內部形成自下向上的氣流，揚塵在氣流作用下通過機罩頂部的抽風口和風機進入布袋，粉塵截留到布袋中，干凈空氣重新排到空氣中?？赏ㄟ^變頻器調整轉籠轉速，通過時間繼電器調節工作時間。

圖2 撞藥機原理示意圖

2 轉籠結構設計

轉籠結構如圖3所示，截面為正八角形，由轉籠架、籠門、孔板和法蘭軸組成。由于轉籠工作時為低速運轉，故轉籠軸設計成半軸形式結構，與通軸相比可減小整機重量且不占用籠內空間?；\門與轉籠用合頁連接，工作時用快裝鎖扣鎖緊，操作輕便?？装鍨椴讳P鋼材質，不會對藥材藥性造成影響；開孔為凸出起鼓孔如圖4所示，可增大撞擊面積，提高撞擊效率，減少工作時間；孔板與轉籠架為螺栓連接，方便更換，以適應加工不同種類藥材。

圖3 轉籠結構圖

圖4 孔板結構圖

3 除塵系統設計

中藥材與糧食均屬于農產品，所以除塵設計參考糧食加工行業的通風除塵系統，其中最常用的是機械式和過濾式除塵器[7]。機械式除塵器中的離心式除塵器因體積小、結構簡單、除塵效率高而應用廣泛，而過濾式除塵器中的布袋除塵器因使用方便、除塵效率高，一般情況下含塵氣流一次過濾即可達到環境排放標準也最為常用。撞籠工作過程逸出的主要為粒徑5 μm以下粉塵，適合最小捕集粉塵5 μm以下的除塵器還有電除塵器。將三種除塵器特點[7]進行比較如表1，綜合使用方便性、成本以及除塵效率選擇常用的布袋除塵器?？紤]到設備的實用性，采用簡易壓氣式布袋除塵器[8]，布袋位于風機后端，制造容易、操作方便、造價低。

表1 除塵器的性能特點

吸塵罩是通風除塵系統的重要構件之一，其結構和形狀是否符合含塵氣流流動規律關系著通風除塵系統能否高效率地捕捉住粉塵，能否控制住粉塵以及含塵氣流的飛揚[9]。粉塵的捕捉方式分為被動式和主動式兩種，本撞藥機中粉塵產生和擴散伴隨整個工作過程，故只能采用被動式粉塵捕捉方式，即通過吸塵罩的吸風作用將飛揚的粉塵捕捉到除塵系統。由于轉籠體積較大所以產生的揚塵面積也大，相比開放式吸塵罩而言密閉式可以節省風量從而降低風機能耗[10]，設計采用將轉籠完全包裹的密閉式吸塵罩。機罩也是吸塵罩，其結構如圖5所示。除塵抽風口設置在頂部，底部留排雜口，也是進風口；在機罩兩端面與軸承座對應處也各開有進風口，便于轉籠端部含塵氣流向中部集中；另機罩前方設計大尺寸活動門，與機罩用合頁連接，氣彈簧支撐，方便使用和維護。

圖5 機罩結構圖

除塵系統結構如圖6所示，主要由機罩、導風管、風機、過濾布袋組成。該系統的優點是當風機風量一定時，機罩的進風口面積決定著機罩內部的氣流速度，所以對風機風量要求可適當放寬，以揚塵不發生外逸為目的，可減小除塵系統的結構和能耗；撞擊過程產生的揚塵一經產生便處于穩定的氣流中，并隨之帶到頂部的抽風口，減少了發生外逸的可能；雜質及揚塵即時與藥材分離，藥材表面干凈顏色鮮亮。

圖6 除塵系統結構圖

4 動力選型

首先對轉籠進行三維建模，并以大黃塊為原料進行仿真模擬。經測試大黃塊的容重為445 kg/m3，在轉籠內大黃塊最大裝料量1/2容積情況下，計算轉籠工作啟動的瞬間所需功率。計算公式：

式中，P—所需功率（W）；

J—轉動慣量（kgm2）；

ω—角速度（rad/s）；

△t—加速時間，取0.5 s；

η—系統傳動效率，取0.87；

S—安全系數，取1.2。

由三維建模及仿真得出加入大黃后的轉籠轉動慣量為J=47.47 kgm2，轉籠轉速40 r/min（前期臺架試驗得出）。

根據計算結果，設備動力選用2.2 kW減速比為1∶35的擺線針輪減速機。

5 風機選型

由于除塵系統主要以罩口風速是否能有效捕捉粉塵為除塵效果的主要影響因素，而影響罩口風速的主要因素是風機的吸風量，因而此處以風量為主要參數來選擇風機，按進風口面積計算風機的吸風量。計算公式：

式中，Q—吸塵罩的吸風量（m3/s）；

α—吸風量附加系數，一般α=1.0～1.3；

A—密閉吸塵罩所有縫隙的面積之和（m2）；

v—氣流速度（m/s）。

對于顆粒物料而言合適的罩口風速為3～5 m/s；對于粉狀物料，速度不超過3 m/s，以不吸走原料為基準。本大黃塊屬于顆粒物料，在密閉吸塵罩內的揚塵不需要捕獲，僅需要大于其懸浮速度的氣流即可，故而選取的罩口風速稍小，罩口風速v取2 m/s；α取1.2；設計進風口面積A為0.4 m2時，計算出的吸風量為3 456 m3/h。根據此吸風量選取風機風量3 500 m3/h。

選取了風機風量后，計算機罩最大水平截面處風速，與相似顆粒懸浮速度比較，進一步驗證。計算公式：

設計機罩最大水平截面為1.8 m2，代入上式計算得v=0.54 m/s。

相似粉塵顆粒的懸浮速度[11]見表2，且顆粒群的懸浮速度要比單顆粒的懸浮速度小。由于中藥材撞擊產生的揚塵顆粒介于與滑石粉和水泥之間，所以此風速在合理范圍內。

表2 部分粉塵顆粒的懸浮速度

根據風量計算值及表2的除塵器性能，風機選用風量≥3 500 m3/h，風壓≥800 Pa的離心式風機。

6 樣機試驗

設備樣機調試完成后用漢中市鎮巴縣產的大黃塊進行試驗，為當季收獲的大黃切塊曬干后的干制品。試驗物料100 kg，每工作1 min后停機，將轉籠內大黃塊全部倒出稱重，同時記錄大黃塊凈制效果以及期間撞落的雜質，連續記錄10次。

大黃塊凈制試驗現場如圖7所示，試驗整個過程除塵效果明顯，未發現肉眼可見的粉塵外逸現象。如圖8所示為大黃塊的物料損耗曲線圖，物料在撞藥機內的損耗呈先升后降趨勢，第4 min時產生的雜質最多，之后產生的雜質呈急劇下降趨勢。如圖9所示為撞落的雜質圖片，前6 min產生的雜質中粗顆粒較多，顏色較深，第7 min及以后的雜質中粗顆粒的比例下降，顏色變淡。如圖10所示為大黃塊凈制效果圖片，第4、6 min的大黃凈制效果最好，外部粗皮已基本清除干凈，呈現出黃亮的顏色；第8、10 min的大黃塊凈制效果提升不明顯，邊角呈現出明顯的磨損。如圖11所示為集塵袋收集的粉塵，為塵土及大黃粉的混合物。

圖7 大黃塊凈制試驗現場

圖8 物料損耗曲線

圖9 撞落的雜質

圖10 大黃塊凈制效果圖

圖11 集塵袋收集的粉塵

由以上試驗可得，用該撞藥機凈制大黃塊，除塵效果明顯；工作時間以4～6 min為宜，此時外部粗皮已基本清除，呈現出黃亮的顏色，凈制效果明顯?，F有六方筒撞藥機凈制大黃塊加料量100 kg時的工作時間為15 min，該機較現有設備工作效率提高70%。

7 結論

1）本研究為中藥材凈制加工設計了一種帶除塵功能的環保型撞藥機，其結構簡單、操作維護方便，工作高效除塵徹底，適應現代企業高效、環保的發展需求，為中藥材凈制加工設備的設計提供了重要參考。

2）撞藥機設計采用滾筒式撞擊和布袋除塵原理，采用八角中空轉籠結構、可更換式凸出起鼓孔板，增加了籠內有效空間，提高了撞擊效率和設備適應性。

3）樣機經用干制大黃塊進行試驗，除塵效果明顯，凈制后的大黃顏色黃亮，經測試工作效率較現有設備提高70%。