药品自动灌装生产线传送机构关键部件—轴的设计

黄文婷，李旭东，邹 宇，邹彩平，龙满春

（江西农业工程职业学院，江西 樟树 331200）

药品作为日常生活中必不可少的特殊商品，其质量安全直接关系人们的身体健康，而药品在生产及流通过程中又极易受温湿度、微生物等外部因素影响，导致药效降低甚至被污染。因此，国家针对药品生产包装出台了一系列政策法规，就相关要求进行了严格的规范。随着我国医药行业迅猛发展，药品种类及产量不断增加，药品生产企业对药品自动化生产设备的要求也逐步提高。因此，研发一款药品自动化灌装装置，对提高药品生产企业的生产效益、满足市场需求具有十分重要的意义[1]。

1 药品自动灌装生产线的研究意义

1.1 国内药品包装行业现状

随着中国制药行业的蓬勃发展，药品包装行业也在飞速发展，远超世界各国的平均发展水平。市场调查的数据显示，目前中国药品市场采用的包装主要有3类：玻璃瓶包装、输液用的塑料袋及塑料瓶包装、铝塑泡罩包装及西药片剂的塑料瓶包装。

玻璃材料是一种性能稳定、便于消毒、阻隔性好的材料，用于药品包装能起到较好的保护作用，可有效保障药品的化学性能，因此，其被作为药品包装材料大量使用，如常见的口服液瓶、输液针剂瓶等。

金属材料在药品包装中应用较多，最常见的有铝材，具有金属光泽、外形美观、质量轻、易开封、遮光性、防潮性能好等特点，通常以铝塑泡罩、铝塑复合袋等方式使用[2]。

塑料材料具有可塑性强、易加工、质量小、价格低廉等特点，特别是可塑性强这一优点，使其可被加工为不同规格、形状的产品，能够较好地满足企业需求，是目前药品包装材料中使用最为广泛的一种。以“药都”樟树市为例，统计数据显示，截至2020年6月，樟树市共有各类医药生产企业260多家；2019年，药品包装相关业务总支出 30.7亿元，同比增长18.1%。其中，大多数药品生产企业采用了塑料瓶灌装。

1.2 药品自动包装机械发展现状

药品包装机械是对药品进行所有或部分包装过程的机械。药品包装自动化是实现药品自动化生产的一个重要环节，发展药品包装机械自动化，对于提高劳动生产效率、降低人工劳动强度具有显著的作用，有助于实现药品生产企业生产效益的提升，进一步增强其市场竞争力。同时，药品包装自动化能有效降低生产过程中外部因素对药品的影响，使药品生产安全得到进一步保障[3]。

但调查显示，目前，大多数中小型药品生产企业的包装机械普遍存在自动化程度不高、计量不精确等问题。通过走访调查樟树市部分药品生产企业，数据显示，大多数企业目前仍采用人工包装，效率较低，同时存在较大的卫生安全隐患，而耗费资金购买的灌装生产线设备普遍处于闲置状态，主要是用来应付上级相关部门的检查，导致该类设备形同虚设。经了解，导致该现象出现的主要原因是，购买的罐装生产线设备存在可操作性不强、性能不稳定、计量准确性低等问题。

1.3 自动灌装生产线的研究意义

针对目前樟树市药品生产企业对自动包装生产线上手好操作、工作可靠性强、灌装精确度高等现实需求，对现有生产线传送装置进行改进，主要包括传送机构、计量装置及控制系统等。设计研发出一种新型机械自动化传送机构，以加快药品自动灌装速度，提高自动计量准确性，简化操作过程，并且保障无论是颗粒、膏体、液体或固液混合物等，均能高效灌装和准确计量，实现药品灌装机生产过程的全自动化，改变现在手工灌装模式或半自动模式，提升企业生产水平。

2 药品自动灌装生产线的改进开发

2.1 药品自动灌装生产的基本流程

在药品灌装生产过程中，搅拌机构将物料搅拌均匀，通过灌装机构将相应质量的物料装入料瓶，并传送到灌药工位，利用传感器限制料瓶的位置，使其在指定工位停止。若检测结果显示物料质量低于设定值，则继续加装药料，直到达标，料瓶才继续向前传送，再通过密封机构进行封盖，完成整个灌装工序。

药品自动灌装生产线主要包括传送机构、自动灌装机构、理盖装置及密封装置，其中，传送机构主要由3个部分组成：灌料计量装置、料瓶输送机构及机架。灌料计量装置负责完成物料的计量以及对药品灌装数量的控制，并及时对灌料不足的料瓶添加物料；料瓶输送机构主要负责料瓶的供给和分放；机架是支撑部分。

2.2 现有自动灌装设备存在的主要问题

目前，药品生产企业使用的灌装设备主要分为直线型和旋转型。

在直线型灌装设备中，包装容器主要做间歇性直线运动，即以额定数量的药瓶为一组，跟随传送带依次向前直线运动，同时利用光电传感器监测料瓶位置，当料瓶运动到相应位置时，多头灌装器进行药料灌装。灌装结束后，该组药瓶继续向前运动进入下一环节。直线型自动灌装机虽然结构简单，但空间利用率低，并且在做灌装动作时，药瓶需要静止等待灌装完成，生产效率大大降低，无法满足大规模生产作业的需求。

旋转型灌装设备具有占地空间小、可连续灌装的特点，即料瓶可在跟随传送装置沿圆周方向做等速旋转运动的同时完成灌装作业，适用于各类液体物料的连续生产。该设备空间利用率高、生产效率高、生产效能大，能满足大规模灌装作业的需求。但是，连续式旋转型灌装机的结构比较复杂，需要较高的设计制造成本，仅适合单一种类物料的灌装，即液态药料的灌装。

2.3 对自动灌装设备的改进方案

针对目前药品生产企业现有各类型灌装设备的特点及存在的突出问题，为满足国内中小型企业对灌装设备自动化、高效率、低成本、适用性强等需求，改进设计一款经济实用的自动灌装设备。首先，为达到较高的灌装效率，减小设备在厂房的占地空间，可将灌装机设计为旋转型。其次，为了降低成本、扩大物料适用范围，将灌装机运动方式选定为间歇式。综合考虑，最终确定将自动灌装设备改为间歇式旋转型灌装机。

3 传送机构关键部件—轴的设计计算

为使药品自动灌装生产线达到预定的工作要求，主轴是旋转式灌装机传送机构的关键部件，包括结构设计和能力计算两个方面。本研究主要完成主轴各个部分的能力计算。轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度以及变形的核算，主要根据轴的强度进行设计计算，以保证其在寿命期限内，不会发生断裂或者严重的塑性变形，只有对刚度有较高要求的轴，才需要进一步验证其刚度是否足够。

3.1 确定主轴转速

通过市场调查，企业一般要求灌装机每小时完成600～800瓶物料的灌装，现假定灌装机每小时的工作量为720瓶。若灌装机上有6套相应的量杯，则主轴每转一圈完成6瓶药料的灌装，那么主轴连续工作时的平均转速：

主轴每转一圈需要30 s，每套量杯完成物料灌装所需的时间是30 s/6=5 s。由于灌装机构采用的是一种间歇运动机构，间歇运动及中间停止的时间需要重新分配。实验数据显示，保证计量杯中的物料完全落料所需的平均时间约为4 s，若间歇时间确定为4 s，运动时间应为1 s。因此，主轴间歇工作的平均转速：

自动灌装机的间歇旋转装置由6个量杯、转盘及电机 3个部分组成，为了保证精准灌装，选择伺服电机。这样在保证灌装精度的同时，还能利用电机实现间歇运动，不需要采用机械式的间歇机构（如槽轮、不完全齿轮等），简化灌装机传动部分的机械结构。

3.2 主轴的设计校核

首先，根据轴所需提供的扭矩估算轴的最小直径，记为dmin；其次，通过分析主轴的轴向及周向定位要求及装配方案，依次确定其他部分的直径，主轴的结构如图1所示。

图1 轴的结构

依据扭转强度计算主轴最小直径，计算公式：

式中，P为轴所需传递的功率，kW；n为主轴转速，r/min；A为根据材料的许用切应力所确定的系数。

此处轴材料选用1Crl7Ni2钢，查表取A=130，则

所设计灌装机主轴的最小直径为30.00 mm，大于16.71 mm，满足强度要求，轴在转板处位置直径为45.00 mm，也符合强度要求。后续还可依据转盘、密封板及密封板上装配的套筒轴向尺寸及装配方案，确定主轴上其他轴段尺寸，在此不作详细介绍。

4 结语

随着药品生产企业的发展，药品产量对药品包装生产线提出了更高的要求，针对目前药品灌装生产线自动化程度低、效率低、准确性低等问题，对生产线进行改进，实现药品包装生产线操作便利、可靠性强、精确度高，有助于对相关企业进行技术帮扶，服务地方经济。