藥品自動灌裝生產線傳送機構關鍵部件—軸的設計

黃文婷，李旭東，鄒 宇，鄒彩平，龍滿春

（江西農業工程職業學院，江西 樟樹 331200）

藥品作為日常生活中必不可少的特殊商品，其質量安全直接關系人們的身體健康，而藥品在生產及流通過程中又極易受溫濕度、微生物等外部因素影響，導致藥效降低甚至被污染。因此，國家針對藥品生產包裝出臺了一系列政策法規，就相關要求進行了嚴格的規范。隨著我國醫藥行業迅猛發展，藥品種類及產量不斷增加，藥品生產企業對藥品自動化生產設備的要求也逐步提高。因此，研發一款藥品自動化灌裝裝置，對提高藥品生產企業的生產效益、滿足市場需求具有十分重要的意義[1]。

1 藥品自動灌裝生產線的研究意義

1.1 國內藥品包裝行業現狀

隨著中國制藥行業的蓬勃發展，藥品包裝行業也在飛速發展，遠超世界各國的平均發展水平。市場調查的數據顯示，目前中國藥品市場采用的包裝主要有3類：玻璃瓶包裝、輸液用的塑料袋及塑料瓶包裝、鋁塑泡罩包裝及西藥片劑的塑料瓶包裝。

玻璃材料是一種性能穩定、便于消毒、阻隔性好的材料，用于藥品包裝能起到較好的保護作用，可有效保障藥品的化學性能，因此，其被作為藥品包裝材料大量使用，如常見的口服液瓶、輸液針劑瓶等。

金屬材料在藥品包裝中應用較多，最常見的有鋁材，具有金屬光澤、外形美觀、質量輕、易開封、遮光性、防潮性能好等特點，通常以鋁塑泡罩、鋁塑復合袋等方式使用[2]。

塑料材料具有可塑性強、易加工、質量小、價格低廉等特點，特別是可塑性強這一優點，使其可被加工為不同規格、形狀的產品，能夠較好地滿足企業需求，是目前藥品包裝材料中使用最為廣泛的一種。以“藥都”樟樹市為例，統計數據顯示，截至2020年6月，樟樹市共有各類醫藥生產企業260多家；2019年，藥品包裝相關業務總支出 30.7億元，同比增長18.1%。其中，大多數藥品生產企業采用了塑料瓶灌裝。

1.2 藥品自動包裝機械發展現狀

藥品包裝機械是對藥品進行所有或部分包裝過程的機械。藥品包裝自動化是實現藥品自動化生產的一個重要環節，發展藥品包裝機械自動化，對于提高勞動生產效率、降低人工勞動強度具有顯著的作用，有助于實現藥品生產企業生產效益的提升，進一步增強其市場競爭力。同時，藥品包裝自動化能有效降低生產過程中外部因素對藥品的影響，使藥品生產安全得到進一步保障[3]。

但調查顯示，目前，大多數中小型藥品生產企業的包裝機械普遍存在自動化程度不高、計量不精確等問題。通過走訪調查樟樹市部分藥品生產企業，數據顯示，大多數企業目前仍采用人工包裝，效率較低，同時存在較大的衛生安全隱患，而耗費資金購買的灌裝生產線設備普遍處于閑置狀態，主要是用來應付上級相關部門的檢查，導致該類設備形同虛設。經了解，導致該現象出現的主要原因是，購買的罐裝生產線設備存在可操作性不強、性能不穩定、計量準確性低等問題。

1.3 自動灌裝生產線的研究意義

針對目前樟樹市藥品生產企業對自動包裝生產線上手好操作、工作可靠性強、灌裝精確度高等現實需求，對現有生產線傳送裝置進行改進，主要包括傳送機構、計量裝置及控制系統等。設計研發出一種新型機械自動化傳送機構，以加快藥品自動灌裝速度，提高自動計量準確性，簡化操作過程，并且保障無論是顆粒、膏體、液體或固液混合物等，均能高效灌裝和準確計量，實現藥品灌裝機生產過程的全自動化，改變現在手工灌裝模式或半自動模式，提升企業生產水平。

2 藥品自動灌裝生產線的改進開發

2.1 藥品自動灌裝生產的基本流程

在藥品灌裝生產過程中，攪拌機構將物料攪拌均勻，通過灌裝機構將相應質量的物料裝入料瓶，并傳送到灌藥工位，利用傳感器限制料瓶的位置，使其在指定工位停止。若檢測結果顯示物料質量低于設定值，則繼續加裝藥料，直到達標，料瓶才繼續向前傳送，再通過密封機構進行封蓋，完成整個灌裝工序。

藥品自動灌裝生產線主要包括傳送機構、自動灌裝機構、理蓋裝置及密封裝置，其中，傳送機構主要由3個部分組成：灌料計量裝置、料瓶輸送機構及機架。灌料計量裝置負責完成物料的計量以及對藥品灌裝數量的控制，并及時對灌料不足的料瓶添加物料；料瓶輸送機構主要負責料瓶的供給和分放；機架是支撐部分。

2.2 現有自動灌裝設備存在的主要問題

目前，藥品生產企業使用的灌裝設備主要分為直線型和旋轉型。

在直線型灌裝設備中，包裝容器主要做間歇性直線運動，即以額定數量的藥瓶為一組，跟隨傳送帶依次向前直線運動，同時利用光電傳感器監測料瓶位置，當料瓶運動到相應位置時，多頭灌裝器進行藥料灌裝。灌裝結束后，該組藥瓶繼續向前運動進入下一環節。直線型自動灌裝機雖然結構簡單，但空間利用率低，并且在做灌裝動作時，藥瓶需要靜止等待灌裝完成，生產效率大大降低，無法滿足大規模生產作業的需求。

旋轉型灌裝設備具有占地空間小、可連續灌裝的特點，即料瓶可在跟隨傳送裝置沿圓周方向做等速旋轉運動的同時完成灌裝作業，適用于各類液體物料的連續生產。該設備空間利用率高、生產效率高、生產效能大，能滿足大規模灌裝作業的需求。但是，連續式旋轉型灌裝機的結構比較復雜，需要較高的設計制造成本，僅適合單一種類物料的灌裝，即液態藥料的灌裝。

2.3 對自動灌裝設備的改進方案

針對目前藥品生產企業現有各類型灌裝設備的特點及存在的突出問題，為滿足國內中小型企業對灌裝設備自動化、高效率、低成本、適用性強等需求，改進設計一款經濟實用的自動灌裝設備。首先，為達到較高的灌裝效率，減小設備在廠房的占地空間，可將灌裝機設計為旋轉型。其次，為了降低成本、擴大物料適用范圍，將灌裝機運動方式選定為間歇式。綜合考慮，最終確定將自動灌裝設備改為間歇式旋轉型灌裝機。

3 傳送機構關鍵部件—軸的設計計算

為使藥品自動灌裝生產線達到預定的工作要求，主軸是旋轉式灌裝機傳送機構的關鍵部件，包括結構設計和能力計算兩個方面。本研究主要完成主軸各個部分的能力計算。軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度以及變形的核算，主要根據軸的強度進行設計計算，以保證其在壽命期限內，不會發生斷裂或者嚴重的塑性變形，只有對剛度有較高要求的軸，才需要進一步驗證其剛度是否足夠。

3.1 確定主軸轉速

通過市場調查，企業一般要求灌裝機每小時完成600～800瓶物料的灌裝，現假定灌裝機每小時的工作量為720瓶。若灌裝機上有6套相應的量杯，則主軸每轉一圈完成6瓶藥料的灌裝，那么主軸連續工作時的平均轉速：

主軸每轉一圈需要30 s，每套量杯完成物料灌裝所需的時間是30 s/6=5 s。由于灌裝機構采用的是一種間歇運動機構，間歇運動及中間停止的時間需要重新分配。實驗數據顯示，保證計量杯中的物料完全落料所需的平均時間約為4 s，若間歇時間確定為4 s，運動時間應為1 s。因此，主軸間歇工作的平均轉速：

自動灌裝機的間歇旋轉裝置由6個量杯、轉盤及電機 3個部分組成，為了保證精準灌裝，選擇伺服電機。這樣在保證灌裝精度的同時，還能利用電機實現間歇運動，不需要采用機械式的間歇機構（如槽輪、不完全齒輪等），簡化灌裝機傳動部分的機械結構。

3.2 主軸的設計校核

首先，根據軸所需提供的扭矩估算軸的最小直徑，記為dmin；其次，通過分析主軸的軸向及周向定位要求及裝配方案，依次確定其他部分的直徑，主軸的結構如圖1所示。

圖1 軸的結構

依據扭轉強度計算主軸最小直徑，計算公式：

式中，P為軸所需傳遞的功率，kW；n為主軸轉速，r/min；A為根據材料的許用切應力所確定的系數。

此處軸材料選用1Crl7Ni2鋼，查表取A=130，則

所設計灌裝機主軸的最小直徑為30.00 mm，大于16.71 mm，滿足強度要求，軸在轉板處位置直徑為45.00 mm，也符合強度要求。后續還可依據轉盤、密封板及密封板上裝配的套筒軸向尺寸及裝配方案，確定主軸上其他軸段尺寸，在此不作詳細介紹。

4 結語

隨著藥品生產企業的發展，藥品產量對藥品包裝生產線提出了更高的要求，針對目前藥品灌裝生產線自動化程度低、效率低、準確性低等問題，對生產線進行改進，實現藥品包裝生產線操作便利、可靠性強、精確度高，有助于對相關企業進行技術幫扶，服務地方經濟。