東 時(shí) 遠(yuǎn)中杰

（石家莊振玉分裝工藝研究所，河北石家莊050020）

0 引言

在制藥、食品、日化等行業(yè)中，80%的產(chǎn)品都是以粉體形式存在的。對于粉體的計(jì)量（即分裝）目前主要有2種方式：稱重式計(jì)量和容積式計(jì)量。其中，容積式計(jì)量由于其具有快速高效的性能而在批量生產(chǎn)中被廣泛使用，而螺桿式分裝是容積式計(jì)量的主要形式。

螺桿式分裝機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是分裝速度快、分裝精度高、無粉塵飛揚(yáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)節(jié)簡便、維護(hù)方便、運(yùn)行成本低。然而，螺桿分裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要非常專業(yè)的技術(shù)。對螺桿分裝系統(tǒng)而言，可通過改變螺桿的參數(shù)來擴(kuò)大計(jì)量范圍，通過調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)數(shù)來控制計(jì)量精度。螺桿分裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化對計(jì)量精度要求較高的制藥行業(yè)（如粉針劑、顆粒劑、干混懸劑等）有著尤其重要的意義。

隨著產(chǎn)品市場的不斷發(fā)展，產(chǎn)品劑型也在不斷變化，大劑量、小劑量、微劑量品種增加，加上原粉本身性質(zhì)、質(zhì)量存在差異，這些都對粉體分裝機(jī)的功能和精度提出了更高的要求。隨著伺服電機(jī)與PLC/HMI控制技術(shù)的應(yīng)用，螺桿式粉體分裝在穩(wěn)定性、計(jì)量精度及微量調(diào)節(jié)方面顯示出了獨(dú)有的優(yōu)勢。

1 最佳分裝密度理論

眾所周知，容積式粉體計(jì)量設(shè)備的基本特征是用容積來間接計(jì)算重量，即重量=容積×密度?？梢?，要想獲得精確的裝量，應(yīng)從容積和密度2個(gè)方面考慮。理論上，物料的密度是一定的，只要保證容積精確，即可達(dá)到裝量要求。螺桿分裝利用螺旋內(nèi)槽的容積來計(jì)量物料，由于每個(gè)螺距都有一定的理論容積，因此，只要精確地控制螺桿的轉(zhuǎn)數(shù)，就能獲得較為精確的計(jì)量值。

每次充填物料的重量G可由式（1）求出：

式中V——每圈螺旋內(nèi)槽的容積，cm3；

ρ——粉體的密度，g/cm3；

n——充填1次螺桿的轉(zhuǎn)數(shù)，r。

可見，若想取得精確的裝量，應(yīng)從容積、密度和螺桿的精確轉(zhuǎn)數(shù)3個(gè)方面著手。隨著伺服電機(jī)及PLC控制技術(shù)的應(yīng)用，控制螺桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精度已達(dá)到萬分之一每轉(zhuǎn)，精確地控制螺桿轉(zhuǎn)速已不成問題。螺桿作為計(jì)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心部件，螺桿的加工精度和安裝精度必須得到充分保證。可通過先進(jìn)的數(shù)控加工、精細(xì)拋光和定性處理技術(shù)，以確保螺桿的表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量。

另外要解決的就是粉體物料的密度問題。粉體的特征表現(xiàn)為宏觀上的連續(xù)性和微觀上的離散性。粉體物料是成分復(fù)雜的獨(dú)特材料，既有固相（顆粒），又有液相（存在于顆粒表面或者結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分），還有氣相（顆粒之間的空氣），擁有各種不同的性質(zhì)，無法用單一參數(shù)來描述。因此，很難將粉體的各種性質(zhì)（如氣體、液體）用數(shù)學(xué)模式來描述或定義。通常粉體物料的密度值只是理論上的統(tǒng)計(jì)算術(shù)平均值，在實(shí)際生產(chǎn)加工過程中，粉體的行為特征是復(fù)雜多變的。具體到粉體在分裝系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)中，其密度是動(dòng)態(tài)變化的。國內(nèi)外研究表明，在影響螺桿式計(jì)量系統(tǒng)精度的因素中，50%以上與物料密度有關(guān)?？梢?，物料密度是影響分裝精度的關(guān)鍵。

可以說分裝精度的關(guān)鍵在密度、核心在螺桿。要想達(dá)到高速、精確計(jì)量的目的，加大粉體密度使其局部密度更趨均一是必要的前提條件，特別是對于比重輕、粒子形狀不規(guī)則且呈懸浮狀的粉體，加大密度是使料管出口處各個(gè)部位局部密度更趨均一的前提條件。然而，實(shí)踐證明當(dāng)粉體密度加大到某一個(gè)值時(shí)，粉體就會與螺桿或料管因粘結(jié)而導(dǎo)致堵塞，使分裝不能順利進(jìn)行。既能確保粉體不與螺桿或料管粘結(jié)，又能使螺桿停轉(zhuǎn)時(shí)不漏粉的最大密度值就是該粉體的最佳分裝密度。最佳分裝密度是粉體處于分裝過程中的動(dòng)態(tài)密度，與平時(shí)所說的密度概念不同。這里應(yīng)該指出的是，以往在堆密度下進(jìn)行分裝，其充填系數(shù)≤1，而在最佳分裝密度下進(jìn)行分裝，其充填系數(shù)≥1。

2 結(jié)構(gòu)功能與操作優(yōu)化

如何達(dá)到和保持被分裝粉體的最佳分裝密度是分裝的關(guān)鍵與核心。為了方便闡述和容易理解，可以首先從最佳分裝密度的形成過程談起。在被分裝的粉體由料管喉部流動(dòng)到料管尾部的過程中，使螺桿的螺旋與料管所構(gòu)成的容積逐漸變小（且呈阿基米德螺旋線式），使粉體的密度在運(yùn)動(dòng)中逐漸加大，同時(shí)粉體的局部密度也在運(yùn)動(dòng)中更趨均一，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到料管尾部時(shí)，剛好達(dá)到該粉體的最佳分裝密度。因此，要想達(dá)到物料的最佳分裝密度，可從以下2個(gè)方面考慮。

2.1 分裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

一個(gè)螺桿分裝系統(tǒng)主要由料斗、螺桿、螺桿連接軸、料管、出料嘴等組成。螺桿是其核心部件，其他為輔助件。每個(gè)部件的結(jié)構(gòu)及尺寸都會對物料分裝過程的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，因此是一個(gè)復(fù)雜的多變量系統(tǒng)。對這些部件進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，使之具有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)元素與功能特性，這才是實(shí)現(xiàn)最佳分裝密度的硬件基礎(chǔ)。

2.1.1 分裝螺桿的選擇

2.1.1.1 目的

以往使用的分裝螺桿通常是圓柱等距螺桿，粉體是在堆密度情況下進(jìn)行分裝，所以分裝速度慢、裝量精度低，遇到流動(dòng)性特好、流動(dòng)性特差或微小裝量的產(chǎn)品時(shí)，往往難以順利分裝。為保證某種粉體分裝時(shí)，能在料管的出口處達(dá)到最佳分裝密度的解決方法是通過對螺桿的外徑、底徑、螺距、齒形、螺旋頭數(shù)等結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行合理組合，使螺桿與料管之間所形成的容積從料管喉部到料管尾部逐漸變小，這樣粉體粒子在料斗—料管—出料口的運(yùn)動(dòng)過程中反復(fù)地揉搓、撞擊、變換容積等。在粉體密度逐步加大的同時(shí)，其各局部密度更趨均一，到料管出口時(shí)，正好達(dá)到被分裝粉體的最佳分裝密度，以此來初步確定螺桿的整體結(jié)構(gòu)。

2.1.1.2 方法

因?yàn)榉垠w的物理性狀參數(shù)（流動(dòng)性、止息角、堆密度、壓縮比、吸濕性、粘結(jié)性、粒子的形狀與大小等）千差萬別，國產(chǎn)的分裝設(shè)備與各個(gè)用戶的操作習(xí)慣均不同，可以通過對上述因素進(jìn)行分析、歸納、總結(jié)、概括，讓復(fù)雜的問題簡單化，讓無序的問題有序化、條理化。

總的來說，在分裝螺桿選擇上，根據(jù)粉體的流動(dòng)性，大體上可分為通用性選擇和特殊性選擇2種。

通用性選擇：該種選擇主要用于流動(dòng)性一般的粉體。首先，根據(jù)裝量要求和用戶現(xiàn)有生產(chǎn)條件來選擇螺桿的規(guī)格及其系列。然后，根據(jù)粉體的其他物理性狀參數(shù)（如吸濕性、粘結(jié)性、粒子的形狀與大小等）選擇含有相應(yīng)功能特性的結(jié)構(gòu)元素。上述的功能特性主要指加大粉體密度、提高粉體局部密度的均一性、防漏粉、防粘結(jié)、防纏繞、防破損等。

特殊性選擇：該種選擇主要用于流動(dòng)性特好的粉體、流動(dòng)性特差的粉體、易破損的丸狀體和易纏繞的絮狀體等。其選擇的程序與通用性選擇相同，根據(jù)裝量要求選擇規(guī)格，根據(jù)粉體的其他物理性狀參數(shù)選擇含有相應(yīng)功能特性的結(jié)構(gòu)元素。

通過以上這2種選擇，基本可以確定分裝某種粉體所需螺桿的規(guī)格與相應(yīng)功能特性的結(jié)構(gòu)元素。接下來可以對上述相應(yīng)功能特性的結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行合理組合，在組合中應(yīng)遵循的基本原則是最佳分裝密度理論和整個(gè)分裝系統(tǒng)的匹配與優(yōu)化。

在最終確定螺桿的整體結(jié)構(gòu)之前，還必須驗(yàn)證整個(gè)分裝系統(tǒng)是否匹配，并進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。在這一步工作中，應(yīng)充分結(jié)合用戶的現(xiàn)有生產(chǎn)條件，盡量做到少花錢、多辦事，快速解決問題，為長足發(fā)展做技術(shù)儲備。應(yīng)考慮的問題有以下幾點(diǎn)：

（1）螺桿的有效長度：一般為3～5（t t為螺距）。流動(dòng)性好的粉體取大值，流動(dòng)性差的粉體取小值，流動(dòng)性一般的粉體取中值。

（2）螺桿最佳螺旋角度的選擇：一般為16°～ 2 5°，流動(dòng)性好的粉體取大值，流動(dòng)性差的粉體取小值，流動(dòng)性一般的粉體取中值。

（3）螺桿齒厚與齒形的選擇：在保證使用強(qiáng)度與壽命的情況下，減小齒厚，可降低粉體與螺楞或料管內(nèi)壁之間的摩擦。不同的齒形將對粉體產(chǎn)生不同的導(dǎo)流作用，上凹形齒可以防止漏粉；下凹形齒可以防止粉體離散；弧形齒可以防止粉體粘結(jié)等。

（4）螺桿的長徑比：長徑比過大，造成加工成本高、螺桿彎曲變形，無法確保設(shè)計(jì)精度。從使用功能來看，如果螺桿的有效長度過長，粉體在分裝過程中不但容易粘結(jié)，而且粉體在螺旋槽內(nèi)時(shí)間過長容易受熱，使其化學(xué)成分發(fā)生變化。

2.1.2 推料器與收集器

推料器與收集器這2種輔助件是剛?cè)峥烧{(diào)的通用性附件。對于生產(chǎn)企業(yè)來說，應(yīng)該是必備附件。只要有了這2種配套附件，對于流動(dòng)性特好或特差粉體的分裝，則可解決全部問題。

2.1.2.1 流動(dòng)性特好的粉體

鑒于國內(nèi)制藥行業(yè)各原料藥生產(chǎn)廠家和同一原料藥生產(chǎn)廠家不同批次的同一種原料藥的物理性狀參數(shù)相差較大，為了統(tǒng)一解決其分裝過程中的漏粉問題，可在螺桿的尾部加裝一個(gè)擋料盤，在料斗的下部加裝一個(gè)收集器（圖1）。其工作原理是利用粉體的止息角，當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，落在擋料盤上的粉體由于離心作用被拋入收集器，再向下流入被分裝的瓶（袋）內(nèi)。當(dāng)螺桿停轉(zhuǎn)時(shí)，則阻止粉體流出擋料盤的邊緣。根據(jù)裝量的大小，可更換擋料盤的大小，或調(diào)整料管底部與擋料盤之間的距離。

圖1 在料斗的下部加裝一個(gè)收集器

2.1.2.2 流動(dòng)性特差的粉體

流動(dòng)性特差的粉體在分裝過程中的主要問題是粘結(jié)、空洞現(xiàn)象和裝量不穩(wěn)等。為徹底解決此類問題，除可將螺桿芯部制成六棱形外（防粘結(jié)），其在螺桿的柄部加一推料器（圖2）是非常必要的。該種推料器既可防止產(chǎn)生空洞現(xiàn)象，又可使料管喉部粉體的密度加大并趨于均一，以確保分裝速度和裝量精度的提高。該種推料器張角大小和上下位置可任意調(diào)整，以適應(yīng)不同物理性狀參數(shù)粉體的分裝要求。

圖2 在螺桿的柄部加一推料器

分裝系統(tǒng)的其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，如料斗及料管設(shè)計(jì)、出料口選擇、攪拌形式與尺寸等，都是必須考慮的因素，因?yàn)橹挥泻侠碚_的組合，才能發(fā)揮最大效用。

2.2 分裝系統(tǒng)操作的優(yōu)化

為達(dá)到最佳分裝密度，分裝系統(tǒng)的操作也是至關(guān)重要的一個(gè)方面。這是實(shí)踐性非常強(qiáng)的問題，如料斗的通風(fēng)、料斗料位的高低、環(huán)境溫濕度的影響、螺桿轉(zhuǎn)速的設(shè)定、攪拌速度等都是決定分裝精度的重要因素。這些因素的影響和優(yōu)化，筆者將另文專述，本文不再討論。

3 設(shè)計(jì)精度、制造精度、安裝精度

我國的制藥設(shè)備制造行業(yè)正從粗放低端向精細(xì)高端轉(zhuǎn)型升級，提高科技含量，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略是未來市場發(fā)展的趨勢。以往對螺桿分裝系統(tǒng)選擇的目的性很簡單，就是能否分裝粉體。而在市場細(xì)分和品種多樣化的今天，這種簡單的選擇顯然有些落后于時(shí)代了。這是一個(gè)從“粗”到“精”的升級，具體到分裝設(shè)備上，就是精度要求。

3.1 設(shè)計(jì)精度

這里的設(shè)計(jì)精度主要指分裝設(shè)備的設(shè)計(jì)精度和螺桿的設(shè)計(jì)精度。就目前而言，螺桿外徑與料管內(nèi)徑雙邊間隙的選擇一般為0.4～1.0 mm。流動(dòng)性好的粉體取小值，流動(dòng)性差的粉體取大值。然而，有的分裝設(shè)備的設(shè)計(jì)精度竟然設(shè)計(jì)為1.5 mm，這對于流動(dòng)性特好和微小裝量的產(chǎn)品而言，顯然不能滿足分裝要求。

螺桿的設(shè)計(jì)精度同樣也是保證順利分裝的前提條件，如螺桿柄部與螺旋部分的同軸度、螺桿柄部與連接軸的同軸度（也就是螺桿螺旋部分與料管內(nèi)表面的同軸度）、螺旋表面的粗糙度等。

3.2 制造精度

螺桿的加工屬于三維曲面加工，為確保設(shè)計(jì)精度，對螺桿的加工工藝和設(shè)備均有特殊要求。整體加工的螺桿由于不焊接、無變形，精度要優(yōu)于螺片焊接的螺桿。料斗內(nèi)壁及螺桿螺旋等部位需進(jìn)行精細(xì)鏡面拋光，盡可能降低表面粗糙度，以減少物料與系統(tǒng)之間的摩擦與粘結(jié)。

3.3 安裝精度

對于流動(dòng)性特好、微小裝量的產(chǎn)品，由于其分裝系統(tǒng)特別敏感，其設(shè)備精度、螺桿制造精度和安裝精度顯得尤為重要。現(xiàn)實(shí)中往往由于設(shè)備制造精度欠佳或年久失修，即使安裝上制造精良的螺桿，也不能達(dá)到順暢分裝的效果，其裝量呈有規(guī)律性的上下波動(dòng)現(xiàn)象。究其原因是由于螺桿與料管軸不同心，螺桿轉(zhuǎn)數(shù)往往又不是整數(shù)，每次螺桿停轉(zhuǎn)的相位角不同，螺桿與出料嘴所形成出口的截面積不同，所以其裝量呈有規(guī)律性的上下波動(dòng)現(xiàn)象。對此，只有對分裝頭進(jìn)行改造或大修，才可解決問題。

4 綜合評價(jià)指標(biāo)

綜上所述，對螺桿分裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選擇有一個(gè)基本的思路，可以對整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選擇有一個(gè)綜合評價(jià)指標(biāo)。筆者認(rèn)為，一個(gè)良好的螺桿分裝系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到以下4個(gè)基本要求：（1）分裝速度快；（2）裝量精度高；（3）裝量范圍廣；（4）對粉體的適應(yīng)性強(qiáng)，而且要統(tǒng)籌兼顧。

對于分裝速度快和裝量精度高容易理解，下面簡單介紹一下裝量范圍廣和對粉體的適應(yīng)性強(qiáng)的含義。所謂裝量范圍廣和對粉體的適應(yīng)性強(qiáng)，是指某一種規(guī)格的螺桿由于其結(jié)構(gòu)是由含有相應(yīng)功能特性的結(jié)構(gòu)元素組成，所以可以使某一種規(guī)格的螺桿乃至整機(jī)兼?zhèn)湟陨?個(gè)基本要求。六棱芯螺桿、尾部雙頭螺桿、空心螺桿是經(jīng)多家生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證的異形螺桿。

六棱芯螺桿（圖3）：粉體在螺桿內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺桿與料管之間所形成的截面積始終處于變化狀態(tài)，六棱結(jié)構(gòu)能在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對粉體進(jìn)行撞擊、粉碎、振蕩、容積變換等，促進(jìn)粉體流動(dòng)，有效地防止粉體形成團(tuán)粒與粘結(jié)。

圖3 六棱芯螺桿

尾部雙頭螺桿（圖4）：其作用為可成倍地?cái)U(kuò)大裝量范圍，提高裝量精度，同時(shí)防止漏粉。

圖4 尾部雙頭螺桿

空心螺桿（圖5）：主要用于易破損的丸狀體和易纏繞的絮狀體，如食品行業(yè)的榨菜條、海帶絲、面包屑、調(diào)味料等。

圖5 空心螺桿

5 應(yīng)用實(shí)例

舉例分裝1.0 g頭孢呋辛鈉粉針劑，企業(yè)通過改造分裝系統(tǒng)，優(yōu)化分裝操作，其成品收率可達(dá)到99%，而有的企業(yè)僅是93%。如果一個(gè)企業(yè)有多種裝量的產(chǎn)品，又該如何選擇呢？這就要選擇裝量范圍廣、對粉體的適應(yīng)性強(qiáng)且極具兼容性的螺桿。它可以簡化企業(yè)生產(chǎn)管理、減少備件庫存，輕松應(yīng)對新產(chǎn)品的分裝。

如某企業(yè)原有5條生產(chǎn)線，共有5種型號分裝機(jī)14臺（3個(gè)廠家），產(chǎn)品90種，裝量為0.25～3.2 g，使用的螺桿共有29種。根據(jù)該企業(yè)的實(shí)際情況，本著投資少、見效快的原則，制定了如下的綜合性改造思路：

（1）對頭孢3、4、5樓的分裝頭進(jìn)行通用化改造。

（2）根據(jù)最佳分裝密度理論，選用適合該企業(yè)產(chǎn)品分裝要求的、功能結(jié)構(gòu)合理的組合螺桿，該螺桿要裝量范圍廣、對粉體的適應(yīng)性強(qiáng)。

（3）根據(jù)某些產(chǎn)品的特殊要求，選擇一些必要的輔助裝置，如推料器、收集器等，讓每個(gè)分裝系統(tǒng)形成一個(gè)剛?cè)峥烧{(diào)的分裝系統(tǒng)，對不同原料藥生產(chǎn)廠家或同一原料藥生產(chǎn)廠家不同批次的同類原料藥，均能調(diào)整到最佳分裝狀態(tài)。

在改造設(shè)計(jì)中，對該企業(yè)全部產(chǎn)品的原料標(biāo)本進(jìn)行了物理性狀參數(shù)（流動(dòng)性、止息角、吸濕性、粘結(jié)性等）測試，根據(jù)測試結(jié)果，決定螺桿的功能結(jié)構(gòu)；根據(jù)裝量要求，決定螺桿的結(jié)構(gòu)尺寸；根據(jù)物理性狀參數(shù)和裝量范圍均相近的產(chǎn)品，決定螺桿的規(guī)格。讓每一種規(guī)格的螺桿具有最大的兼容性。某企業(yè)采納了以上改造思路，改造后共用8種螺桿，便基本滿足了生產(chǎn)需要，取得了滿意的效果。

6 結(jié)語

分裝系統(tǒng)的選擇和設(shè)計(jì)對粉體分裝企業(yè)和設(shè)備制造企業(yè)來說都是一個(gè)非常重要的問題。在螺桿分裝系統(tǒng)的選擇上，其核心是根據(jù)粉體的物理性狀參數(shù)，使粉體的粒子在從料管喉部到料管尾部的運(yùn)動(dòng)過程中一直處于受控狀態(tài)，也就是粉體粒子的分布、密度的變化等按設(shè)定的路徑步步推進(jìn)。

螺桿分裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化是一個(gè)較為復(fù)雜的多變量系統(tǒng)，需要較強(qiáng)的專業(yè)知識和實(shí)踐積累。石家莊振玉分裝工藝研究所首先提出了最佳分裝密度理論，并在生產(chǎn)實(shí)踐中逐步得到了驗(yàn)證、充實(shí)與提高，為諸多企業(yè)解決了困擾多年的生產(chǎn)和設(shè)備出口難題。

理論與實(shí)踐證明，最佳分裝密度理論是目前國內(nèi)外涵蓋面最廣、可操作性最強(qiáng)、實(shí)踐應(yīng)用效果最佳的粉體分裝理論。本文只是對粉體運(yùn)動(dòng)規(guī)律及螺桿分裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則問題進(jìn)行了闡述，很多細(xì)節(jié)未能展開。不當(dāng)之處，歡迎業(yè)內(nèi)同仁批評探討。