制药机械中螺杆的简易设计及制造分析

制药机械中螺杆的简易设计及制造分析

叶学文

身份证号码： 44050819871109**** ，，广东省 汕头市 515000

摘要：螺杆应用日渐广泛，在冷冻机、空压机、塑料机械、工业泵中都可以看到螺杆的“身影”。但是在设计技术方面，我国仍与国际先进水平存在一定差距，同时，螺杆的制造技术也较为落后，致使我国机械产品竞争力难以提升。对此，本文主要分析了制药机械设备中的分瓶螺杆，明确了分瓶螺杆设计要求，而后具体分析了分瓶螺杆简易设计，致力于进一步提升制药机械制造水平，提升我国螺杆制造技术。

关键词：制药企业；制药机械；螺杆；简易设计

引言：很多机械设备中都应用到螺杆，如制药企业生产设备，每条生产线上都会借助螺杆实现分瓶。当瓶子经过输送链条后，在分瓶螺杆作用下依照提前设定的程序，完成分瓶后进入到拨轮中，完成下一道工序。如果制药设备在生产中发生故障，出现运行不稳定的情况，则会导致瓶子破碎，进而造成分瓶螺杆损坏，会直接影响到制药企业正常生产。因此，合理设计，保证螺杆平稳运行显得尤为重要。

1. 制药机械设备中的分瓶螺杆

分析制药机械设备可知，分瓶螺杆是其中重要组成部分，但该部分零件也是最容易发生损坏的零件。若是设计不合理，存在一定缺陷，或者加工过程中出现误差，会直接影响到制药机械设备平稳运行，当然，也会降低分瓶螺杆自身使用寿命，进而影响企业实际生产进度。从制药企业的制药机械设备看，很多环节都会应用到分瓶螺杆，例如，企业玻璃瓶大输液联动线中，几乎一条生产线会使用4-5只分瓶螺杆。通常，为了保证瓶子运输平稳性，会将分瓶螺杆设计成变螺距的形式。分瓶螺杆与其他零件相比，在实际设计计算中会考虑很多因素，但实际情况由于缺乏足够的设计资料，制造加工难度大，使得我国制药机械设备配置的分瓶螺杆，实际应用效果并不理想^[1]。

2. 分瓶螺杆设计要求

在制药机械中，对于分瓶螺杆的应用，一般是与星形拨轮搭配使用。如图1所示，属于非常典型的送瓶机构。

图1 送瓶机构相关参数图

1. 运动速度

为了满足分瓶螺杆在实际工作时，很好的完成分瓶工作，而不是推瓶，输送链条的运动速度V_L≥分瓶螺杆尾段S3的最快推动线速度V_3m。

2. 初段

当玻璃瓶经过传输链条进入生产线，达到分瓶螺杆，如图所示，此时，若是处于正常工作状态下，分瓶螺杆初段使用的等螺距螺旋线，应当和瓶子直径保持一致，满足这一条件，圆柱瓶子才可以保证同一线速度，进而实现平稳衔接、过渡。通过此种设计可以很好的延长分瓶螺杆使用寿命，分析其原因可知，主要是成排瓶子在输送链上的运动速度，明显快于分瓶螺杆进口的螺旋线旋转速度，在分瓶螺杆的作用下，瓶子会和输送链发生相对阻力，进而产生摩擦，也正是因为这种摩擦力，会产生一定的推动力，并借助螺杆初段分散力量到螺旋线中，从而顺利完成接瓶，很好的减少了对瓶子的冲击力，使得瓶子平稳输送^[2]。

在具体设计时，若是瓶子直径大于等于30mm时，对于初段的等螺距螺旋线设计，应当将其设计为与瓶子直径相等。若是瓶子直径小，且瓶高/瓶子直径超出了2.5倍，在设计时，应当考虑的瓶子输送过程受到影响因素发生震动、抖动等情况，应当将初段的等螺距螺旋线设计为略大于瓶子直径，正常情况是0-10 mm，按照这一尺寸设计，可以保证瓶子顺利过渡。结合图1情况，本文在研究中，利用了P₁=φ_瓶子的方式处理。

3. 尾段

分析星形拨轮与分瓶螺杆之间的运动可知，若是星形拨轮若拨爪数量表示N，则一个瓶子输送与传递完成后，此时的拨爪转动角为2π/N，而分瓶螺杆每送出一个瓶子的转动角是2π，则拨爪节距L=C_b=2πR_b/N。这里需要注意的是，分瓶螺杆出口断S3螺距不能直接理解为与星轮拨爪节距C_b相等。

图2 分瓶螺杆与星形拨轮的配合示意图

根据图2示意图，假设该台制药机械设备的生产速度是P瓶每分钟，而星轮的拨爪数为N个，则V_b=P/N (r/min)，V_b为星轮的转数；而星轮线速度Vb=(πR_b/30N)·P·cosa；交接处的线速度为V_bx=（πR_b/30N）·P·cosa（mm/s）；交接处加速度α_bx=α_b·sina=（πR_b/30N）R_b ·sina(mm/s²)。通过分析，最终可以确定，分瓶螺杆出口螺距S3段，为变螺距正弦加速度螺旋线^[3]。

三、分瓶螺杆简易设计

（一）运用等速运动规律曲线

若是分瓶螺杆处于等速运动状态，则瓶子运动速度是固定的常数，此时的分瓶螺杆螺旋线为固定方向且等螺距的简单曲线。根据分瓶螺杆上等速运动的螺旋线特点，可借助机床进行制造，这种属于非常基本的运动线型，但分瓶螺杆尾段正弦加速度螺旋线是否可以运用等速运动规律曲线进行替代，具体分析如下：

V_bx=V_b·cosa，其中a为星形拨轮与分瓶螺杆的交接的提前角，若此角度为15°，可以得到V_bx=0.970V

_bx,而后令a₁=30°、a₂=45°，会发现V_bx和V_b的数值存在较大差异。星形拨轮属于圆周运动轨迹，这与分瓶螺杆直线推进轨迹本身存在较大差异，所以当a₁为30°，a₂为45°条件下，输送进去的瓶子基于空间角度并没有受到限制，因此，是可以运用等速运动规律曲线，替代分瓶螺杆出口螺距断的正弦加速度螺旋线^[4]。

（二）简易分瓶螺杆设计

通过上述分析可知，可以按照等螺距曲线的方式设计分瓶螺杆尾段。按照图1的所示的情况，瓶子通过螺杆尾段时会受到螺旋线限制，进而以均匀线速度运动，此时的线速度与星轮圆周线速度保持一致，但是与星形拨轮直线送瓶线速度存在明显不同，此种设计能够保证瓶子平稳地从分瓶螺杆传递到星形拨轮。如图3所示，用数学模型表示出螺杆。

图3 螺杆数学模型

分析可知，在等速运动规律中，加速度属于无限大，通过合理控制等速运动前后衔接，对等速运动变化量进行合理控制，此外，要使得瓶子在输瓶链条上的运动速度要大于等于螺杆推动瓶子的线速度，因此，本文在简化设计中，可以使用等速运动规律，此种设计方法能够很好的缓解对瓶子产生的冲击，从而达到预期效果。

结束语：

通过本文的简易设计及加工方法，将其应用到某制药企业共有1个机型、20种规格的分瓶螺杆中，在实践应用中取得了较好的效果。除了缩短了以往设计、加工耗时，还为企业节省了很大成本，个别分瓶螺杆使用寿命甚至超出了5 000万瓶。总而言之，对于制药机械而言，分瓶螺杆作为其中非常重要的零件，制药企业应当提高重视，积极完善、优化螺杆设计，提升加工制造水平，促使螺杆更好的应用到制药机械中，提升制药企业工作效率。希望此次分析可以为相关企业提供参考和借鉴。

参考文献：

[1] 王友胜, 许焕敏, 高腾,等. 螺旋给料机结构优化设计[J]. 机械设计与制造, 2021,12(8):4.

[2] 付建军. 一种机械设备加工用工件定位结构:, CN213135953U[P]. 2021,12（23）：100-101.

[3] 何干, 王兆强, 朱华炳,等. 基于ANSYS Workbench的三螺杆泵主、从动螺杆静力学分析[J]. 煤矿机械, 2019, 40(2):3.

[4] 张海平. 机械式旋转冲击钻井工具结构设计与试验[J]. 石油机械, 2020, 48(12):6.