快拆清潔刷及應用該清潔刷的小型粉碎機的設計

王旖旎

（湖南環境生物職業技術學院，湖南 衡陽 421005）

0 引言

在高校實驗室或科學研究所，對食品或藥品固體樣品進行理化分析時，小型粉碎機（打粉機）通常是對樣品進行預處理的必備設備。在醫院或中藥店，對三七、靈芝、珍珠等硬度較高、手工不易粉碎的固體藥物，為方便顧客，經常用粉碎機代客加工。在家庭廚房或食品加工小作坊，須碾碎五谷雜糧及炒菜、煲湯、調餡用調料，小型粉碎機是不可缺少的工具，它能減輕人的操作負擔，節省時間、提高效率、保證產品品質，在醫藥、食品行業具有實用價值。

1 設備故障分析及技術改進的必要性

小型粉碎機使用范圍廣泛，有較強的實用性，給人們的工作、生活帶來了很多便利。粉碎機粉碎的固態物料，硬度較高，一旦粉碎機使用頻率過高，會容易發生故障。實際使用中也的確如此，在高校實驗室里，學生人數多，設備數量有限，要完成一次試驗，會過度使用粉碎機，這樣一臺粉碎機最長能用兩、三年，最短只能用幾個月。根據分析發現，粉碎機故障的大多數原因是刀片與待粉碎固體間發生卡滯，刀片無法轉動，或者被卡住的粉碎機刀頭與電機轉軸間發生滑脫，甚至直接斷裂。

為節省開支，減少浪費，延長粉碎機的使用壽命，部分研究人員對其進行了研究，防卡滯粉碎機（ZL201721118357.5）是其中一例。防卡滯粉碎機包括底座和位于底座上部的粉碎腔，粉碎腔上部有一頂蓋，底座內有一驅動電機，電機的電機軸穿出底座上部并伸至粉碎腔內，電機軸的頂端可拆卸地安裝防卡滯刀頭。防卡滯刀頭包括安裝在電機軸頂端的刀頭本體和對稱安裝在刀頭本體上的兩組刀片組，刀片組由多個層疊布置的月牙形刀片組成，刀片組最底部的刀片刃部向粉碎腔底面傾斜并貼緊粉碎腔底面。分析發現，采用該方案設計的粉碎機降低了粉碎機因卡滯而發生破損性故障的可能性，但是仍舊忽視了粉碎腔內的清潔度，這是一個導致粉碎機卡滯的重要因素。

基于這些情況，該文對該技術進行改進，設計了一種專用快拆清潔刷，并用該清潔刷清潔粉碎腔的粉碎機。該粉碎機能夠根據不同的轉速產生不同的離心力，來實現刷頭對粉碎腔內不同位置的清潔。充分利用離心力的作用，彌補了現有技術的不足，有效保證了粉碎腔內的清潔度，減少了刀片與固體物料間可能發生的卡滯，延長了機器的使用壽命，具有很好的實際應用價值。

2 裝置總體方案設計

該設計的目的是提供一種快拆清潔刷和應用該清潔刷的粉碎機。按照該目的設計的裝置如圖1～圖4所示。

2.1 快拆清潔刷

快拆清潔刷由主軸、彈簧鋼片（包括限位凸緣）、清潔刷頭（包括滑套、刷毛組件、圓形滑輥、刷頭安裝位）3個部分組成，如圖1、圖2所示。

2.2 應用快拆清潔刷的粉碎機

應用快拆清潔刷的粉碎機主要由底座、電機、控制系統、粉碎腔頂蓋、刀頭、快拆清潔刷等組成，如圖3、圖4所示。在粉碎物料時，將刀頭安裝在驅動電機的轉軸上，對物料進行粉碎；在粉碎腔需要清潔時，拆下刀頭，將快拆清潔刷安裝到電機轉軸上，對粉碎腔進行清潔。

3 裝置各部件設計

3.1 快拆清潔刷的設計

圖1 快拆清潔刷示意圖

圖2 清潔刷頭示意圖

快拆清潔刷的結構如圖1、圖2所示，兩端部設有向內凹陷的插孔的圓柱形主軸，主軸兩側水平對稱插裝有兩組“八”字形的彈簧鋼片，彈簧鋼片從靠近主軸的一側向遠離主軸的一側逐漸散開，彈簧鋼片外套接有可以沿著彈簧鋼片表面自由滑移的清潔刷頭。

3.1.1 主軸

主軸位于清潔刷的中心位置。由于主軸的下端部有接合組件（凹陷插孔），在對粉碎腔進行清潔時，只需通過主軸上的凹陷插孔就可快速地將清潔刷安裝在粉碎機的電機轉軸上。電機啟動，電機轉軸帶動清潔刷一起轉動，從而實現清潔刷刷頭對粉碎腔的清潔作用；當粉碎腔被清潔完后又可快速地將清潔刷從電機轉軸上拆卸下來。上述操作簡單易行，使用起來方便靈活。

3.1.2 彈簧鋼片

彈簧鋼片是一種彈性件，它具有良好的彈性，在規定的范圍內，彈性變形的能力使它能夠承受一定范圍內的載荷，在載荷去除后不會出現永久變形。由于它在動載荷環境下工作，具有較高屈服強度。正因為彈簧鋼片有這些特性，使套裝在外的清潔刷在進行清潔工作時，刷頭能夠隨著機器轉速的不同而沿著彈簧鋼片自由滑動，轉速越小越靠近主軸，轉速越大越遠離主軸，刷毛所到處，就對該處進行刷凈，直至將粉碎腔內各個位置都清潔到，自由滑動過程中彈簧鋼片不會因此而發生變形。

3.1.3 清潔刷頭

清潔刷頭包括可在彈簧鋼片上自由滑動的滑套，以及可拆卸的安裝在滑套外的刷毛組件，這種結構設置使刷毛組件運動靈活。當電機開啟，主軸逐漸轉動時，滑套會在逐漸變大的離心力作用下漸漸從靠近主軸的一側滑向遠離主軸的一側，相應地刷毛組件也跟著滑套由近及遠滑動，從而完成對粉碎腔各個位置的清潔。每個彈簧鋼片外緣遠離主軸一側設有一限位凸緣，限位凸緣起阻擋作用，這樣就避免了機器高速轉動時清潔刷頭從彈簧鋼片上滑脫的可能性，保障了機器運轉時刷頭的安全性。

為了減少滑套滑動過程中與彈簧鋼片間的摩擦，在上述技術基礎上作改進，在兩滑套內側各增設1個與彈簧鋼片相配合的圓形滑輥，這樣有利于滑套在彈簧鋼片上自由運動，減少卡滯的可能性；在滑套外側設有若干個刷頭安裝位，這樣可以根據需要將刷毛組件插裝在不同刷頭安裝位上，而且在更換清潔刷時，只需將該側的刷毛組件從刷頭安裝位上拆下即可，避免了對清潔刷的整體更換，拆裝方便，省時省力省成本。

3.2 應用快拆清潔刷的粉碎機的設計

如圖3、圖4所示，該粉碎機包括底座和設于底座上方的粉碎腔，粉碎腔上部設有一頂蓋，底座內設有驅動電機，驅動電機的轉軸上可拆卸安裝刀頭，粉碎機還包括圖1所示的快拆清潔刷。

3.2.1 底座

底座是整個粉碎機的承重部件，它將支撐整個機器的質量。一般來說底座的結構決定了整個機器的穩定性，在設計底座時需要保證整個裝置穩定，即正常工作時不會晃動和倒塌，因此底座材料的選擇非常重要。該設計的底座采用耐震動不易變形的鑄鐵作為材料。為防止鑄鐵表面生銹，外加1層0.3mm～0.5mm厚的不銹鋼板，衛生又美觀。電機高速運轉過程中可能會產生較大噪聲，在底座內側可以設置1層吸音棉。吸音棉是一種人造無機纖維，有消音的作用，減少震動和噪聲污染。

3.2.2 粉碎腔

粉碎腔是粉碎機的主要部件，物料的粉碎就在其中完成。因粉碎腔直接與物料相接觸，粉碎腔嚴格按照藥品GMP標準制作，均采用全優質不銹鋼材料，這樣完全符合中藥忌鐵要求及GMP要求，清潔衛生，符合食品和中藥材生產加工衛生要求。

圖3 粉碎機示意圖

圖4 頂蓋局部放大示意圖

3.2.3 電機、軸承及控制系統

考慮到結構的緊湊性和裝置的穩定性，電機縱向安裝于底座中心，電機轉軸穿出底座上部并伸至粉碎腔內，轉軸上端呈正四方形。粉碎機最關鍵的部件是電機和軸承，電機和軸承的好壞決定粉碎機使用壽命的長短。為了讓產品經久耐用，尤其在使用頻率高的實驗室，筆者根據粉碎機粉碎量的多少來選擇與它相適應的電機，該粉碎機選用超耐用精品純銅電機，軸承采用優質軸承。因為劣質電機與精品電機成本相差100～300元，劣質軸承與優質軸承價格相差近3倍，其使用壽命相差也在3倍以上。

除電機以外，粉碎機還包括一個設于底座內的電機控制器以及設于底座上的轉速調節旋鈕。電機控制器控制整個裝置的啟動和關閉；轉速調節旋鈕能夠使電機控制器控制驅動電機的轉速，以適應清潔過程所需不同轉速。

3.2.4 粉碎腔頂蓋

粉碎腔頂蓋位于裝置最上部，其頂面中心設有一定位銷柱，定位銷柱可插入快拆清潔刷主軸的插孔內。定位銷柱包括相互套裝的銷柱本體和若干微型軸承，銷柱本體的下方呈細長的軸體，軸體底部設有外螺紋段，外螺紋段上安裝限位螺母。

定位銷柱的作用是對正主軸插孔，限制主軸的自由運動度。物體在空間內有6個自由度，X、Y、Z軸向的直線運動以及繞著X、Y、Z的旋轉運動。該處定位銷柱限制了主軸X、Y軸向的直線運動，保證清潔刷工作時其主軸與電機轉軸始終處于同軸的位置，不產生偏轉。限位螺母用來調節定位銷柱長度的極限位置，限制其Z向的直線運動，并保證清潔刷工作時定位銷柱與主軸凹陷插孔間不產生滑動。微型軸承的作用是支撐定位銷柱，降低其旋轉過程中的摩擦系數，保證其回轉精度。

4 工作原理

粉碎物料前，先將粉碎機放平，接通電源，空轉1 min左右，觀察刀片轉動情況及噪聲大小。若噪聲大，則立即關閉電源，通過粉碎機地腳調平。然后往粉碎腔內喂料，腔內物料要盡量放置均勻，以免粉碎過程因質量不均而致轉軸轉動不平衡，影響粉碎機的壽命。

蓋上頂蓋，開啟電源，轉動轉速調節旋鈕，電機開始轉動，粉碎腔內的刀片隨著電機也開始轉動，短時間內速度增加很快直至平穩。物料在高速旋轉的刀片的打擊、撕裂、搓擦作用下逐漸被粉碎。若粉碎量多，機器使用頻率過高，粉碎過程中待粉碎物與刀片間難免發生卡滯，出現刀片難以轉動或刀片滑脫等情況，這時需要立即關閉電源，清潔粉碎腔。拆下刀頭，通過主軸將清潔刷安裝在電機轉軸上，蓋上頂蓋，用定位銷柱固定主軸，注意螺母必須旋緊，不能有松動。在清潔粉碎腔時，清潔刷隨著驅動電機轉速的不同而對粉碎腔內的不同位置進行清潔，轉速慢時離心力小，刷頭只對距離轉軸較近的位置進行清潔，轉速快時離心力大，刷頭滑向遠處，對距離轉軸遠的位置進行清潔。電機轉速越快，清潔刷的刷毛組件受到離心力作用越大，刷頭更加緊密貼合粉碎腔壁面，從而獲得更好的清潔效果。要全面清潔粉碎腔，只須通過轉動轉速調節旋鈕調節電機的轉速就可實現對粉碎腔各個位置的清潔，不留死角。

清潔完后，關閉電源，卸下清潔刷，重新裝上刀頭，喂料繼續粉碎。待粉碎腔內物料粉碎徹底后關機，取出物料，清理粉碎腔內殘留物。

5 技術創造性與先進性

與現有技術相比，該設計非常巧妙，具體表現如下：1）快拆清潔刷的設計，粉碎機不同的轉速，產生的離心力不同，刷頭沿著彈簧鋼片自由滑動，充分利用離心力的作用來實現對粉碎腔內不同位置的清潔。2）清潔刷具有可快速安裝在粉碎機電機轉軸上的主軸，易于安裝和拆卸清潔刷，操作方便靈活。3）清潔刷具有可拆卸的刷頭，相對現有技術的清潔刷刷頭位置固定的設計，隨著轉速的提高，該清潔刷的清潔效果得到了提高。即電機轉速越快，刷頭會受到更大的離心力作用，從而使刷毛組件更加緊密貼合粉碎腔壁面，有效提高了刷毛對粉碎腔壁面的清潔效果。4）滑套外側設有若干個刷頭安裝位，使刷毛組件安裝與更換更方便，避免了對清潔刷的整體更換，拆裝方便，省時省力省成本。5）轉速調節旋鈕能夠使電機控制器控制驅動電機的轉速，以適應清潔過程所需不同轉速。

6 結論

該粉碎機彌補了現有小型粉碎機的不足。設計的快拆清潔刷，能夠對粉碎腔內進行全方位清潔，有效保證了粉碎腔的清潔度，減少了刀片與固體物料間可能發生的卡滯，延長了機器的使用壽命。

清潔容易，清潔刷安裝、拆卸、更換簡單。粉碎操作簡便，容易使用。該裝置適用于醫院中藥房、中藥店、保健品銷售柜臺、中藥研究所、實驗室、中藥加工廠、私人診所以及家庭廚房粉碎米類、豆類、調料和自制營養餐、營養湯等場景。一旦進入市場，其實用性定會迎合消費者需求，推廣前景非常廣闊。