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1、基于有限元分析的中药提取罐下 排渣门设计 1.1 课题研究的背景和意义中药是我国古代人民经过长期劳动与智慧的 结晶，也是中华民族优秀文化遗产的瑰宝。中药 材的来源广泛、种类繁多而且成分复杂。 萃取是中药生产的一个主要环节，在药材的 提取过程中应尽可能的提取药材中的有效成分和 辅助成分，而组织物和无效成分应可能的除去。 中药提取可以分为单体成分提取、单位药提取、 中药复方提取三种类型。不论采用哪种提取方法 ，都不可避免的要用到提取设备，市场上提取设 备的种类繁多，特点各异。按操作方法的不同， 可以分为连续式、半连续式、间歇式三大类提取 设备。1. 多功能提取罐 多功能提取罐结构如图所示。罐 体常
2、用不锈钢材料制造，罐外通常设有夹套，可 通入冷却水或水蒸气。灌顶设有快开式加料口， 中药材从加料口放到提取罐中，罐底是一个由气 动装置控制开关的排渣门，残渣可以通过打开排 渣门排出。 2. U形螺旋式提取器 这种提取器是一种浸渍式连 续逆流提取器，主要是由出料管、水平管、进料 管以及三组螺旋输送器组成的。 3. 渗漉提取设备 渗漉提取设备是渗漉筒或罐，通 常用玻璃、陶瓷、不锈钢等材料制成。渗漉筒筒 体分为圆柱形与圆锥形两种。一般情况，膨胀量 小的药材多是用圆柱形渗漉筒，对于膨胀性强的药材则是多采用圆锥形渗漉筒，这是因为锥形 渗漉筒的倾斜筒壁可以很好的适应药材膨胀体积 的变化。此外，还有肯尼迪式
3、连续逆流提取器、波尔 曼式连续提取器、平转式连续提取器和罐组式逆 流提取机组等。尽管近年来国内在中药提取生产中推出了一 系列新型设备，但目前最为常用的还是多功能提 取罐、渗漉罐和动态提取罐等一类间歇式提取设 备。其中，多功能提取罐以其提取效率高、操作 方便、能耗少等优点而被中药生产厂家广泛应用 。据调查，目前国内约有80%以上的中药生产厂 家采用多功能提取罐进行中药生产。图1 中药提取罐结构示意图中药提取罐是中药生产的关键设备，属于一 类压力容器，其操作压力一般约在0.10.2MPa之 间。提取罐结构按外形分为正锥形、斜锥形、直 筒形三种形式。设备均为碳素钢和不锈钢复合制 成，耐腐蚀，同时能保
4、证药品质量，生产效率高 ，提取时间短，节约资源。中药提取罐是底部有活动排渣装置的大型煎 药罐，主要由罐体、加料口、夹套、排渣门、气 缸等部件组成，最早是由上海医药设计院于上世 纪八十年代设计出，机型发展到今天都没有发生 根本的变化，药材和溶剂混合装入提取罐内，溶 剂将固体浸没住，其液固比一般是在610之间。通过夹套蒸汽加热煎煮，渣滓由罐底排除。中药 提取罐的一个特色是它的密闭系统和冷凝系统可 以在萃取的同时对药材中的挥发油进行回收，这 一点对于药材加工是非常有意义的。当罐体直径 大于1m时，由于固体物料的阻碍作用使传热效率 下降，处于罐中央的物料难以充分煮透，导致提 取率下降。为此，大直径的多
5、功能提取罐采用底 部直接通入蒸汽的方法来改善供热，同时还对固 体物料起到了搅拌作用。近年来，随着中药生产的大型化、标准化发 展趋势，中药提取罐的容积和工作压力也有不断 增大的趋势。1.1.3 课题研究现状与意义目前，国内绝大部分的中药生产企业采用的 是静态提取方法，应用最多的提取设备还是中药 提取罐，最早的中药提取罐是直径较小的小型罐 ，这种提取罐体积较小，生产效率低、劳动强度 大。近几年来，随着提取工艺的不断进步，提取 罐容积已经达到6m3，罐体直径最大达到了1600mm ，然而这仍不能满足生产大型化发展的要求，提 取罐体积增大可以增大生产规模、提高生产效率 ；降低人力、能量和溶剂的消耗；提
6、高了设备、 厂房等配套设施投资效益，降低了生产成本。随 着中药生产大型化发展和中药提取工艺的提高， 许多中药生产企业需要大体积、大口径排渣门的 中药提取罐。增大提取罐的容积，可以通过以下两种方法 实现：1. 增大罐体的高度 在直径不变的情况下增 大提取罐的高度可以达到增大其容积的目的，但 是，高度增大需要厂房的建设高度加大，造成一 次投资费用增加，同时高度的增大会使提取罐的 工艺操作不方便实现，经济性差。2. 增大罐体的直径 通过增大提取罐的直径 来增大容积，无论是对工艺的影响还是对厂房建 设的影响都不是太大，因此，从增大提取罐直径 方面来考虑增大提取罐的容积是一种常用的方法 。 提取罐容积增
7、大的同时排渣门口径也必须增 大，主要原因如下：1. 从设计上考虑提取罐直径增大后也要增大 排渣门口径 为了实现提取罐体积的增大，提取罐 形状已经从最初的直筒形发展到了正锥形和斜锥 形提取罐，锥形提取罐的罐体直径已经达到1600 mm，排渣门口径也随着罐体直径的增大经历了 从400mm到1200mm的发展过程，目前排渣门最 大口径为1200mm1415，从锥壳设计上考虑， 若罐体直径再增大，必须也要相应的增大排渣门 的口径才行，而且有些中药材的提取必须用直筒 形提取罐，因此排渣门口径尺寸限制了大直径提 取罐的制造。2. 有些中药提取物需要大口径排渣门 大口 径排渣门有利于排渣，特别是当提取的中药
8、材是 树干或植物根茎时，在罐底容易形成架桥现象， 当提取液排尽后，排渣门打开，药渣不能自然下 落，需要人工耙出来，增加了劳动强度，而且药 渣还处于高温状态，这样操作十分危险。从这一 角度考虑，需要大口径排渣门提取罐来提取这一 类的中药材。因此，许多中药生产企业需求大体积、大口 径排渣门的提取罐。但是，研发大口径排渣门存在一定的困难：1. 1200mm排渣门的下横梁长度已经接近 1600mm，横梁重量达到了170Kg，门盖重量达 到了160 Kg，它们组合起来的尺寸和重量都已经 比较大，要设计1400mm排渣门就不能再简单 的按比例把尺寸放大。否则，这样制造出来的排 渣门就会因为重量太大，会在排
9、渣门打开或关闭 瞬间由于冲击载荷过大造成对罐体的损坏。2. 从经济性方面考虑，1200mm排渣门使 用碳钢量为106 Kg，使用不锈钢57Kg，假若不考 虑密封性等其他因素，按原结构比例放大制造 1400mm排渣门，将使用碳钢173 Kg，使用不 锈钢78Kg，不锈钢使用量大，制造成本高，经济 性差。3. 口径增大后排渣门所受到的压力也显著的 增大，1200mm排渣门和1400mm排渣门在相 同工作压力下所受轴向力比较如下表1-1所示。通过表1-1可以看出，在相同的0.2MPa 的工作压力下，1200mm排渣门所受轴向 力为226080N，而1400mm排渣门所受轴 向力为307720N，相比
10、较轴向力增大了约1.4 倍，在操作压力和结构不变的情况下， 1400mm排渣门就会发生泄漏。下排渣门 与罐体的安全性能与密封性能是关系到提取罐能否安全生产的关键因素，下排渣门主要出现 的问题是泄漏和脱钩现象，据调查，约有80%的 泄漏失效是由于下排渣门密封出现问题引起的。正是由于上述的原因，国内目前生产的中药 提取罐排渣门的口径最大为1200mm，许多生 产厂家都在努力将提取罐排渣门口径进一步加大 ，但是由于结构和空间位置、重量的限制都未成 功。因此，大口径排渣门是中药大型化发展的需 要，设计1400mm口径排渣门具有一定的现实 意义。大口径排渣门的设计，在满足强度、刚度以及结 构紧凑运动自如
11、等要求时，还要解决密封问题（ 排渣门密封结构见图2），密封是否良好与门的变 形量y1和横梁的变形量y2的总和有直接关系， 当总变形量大于O形密封圈回弹量，即 y1+y2时，就会发生泄漏失效。门、横梁以 及其它部件如十字轴和搭钩等结构都比较复杂， 传统设计方法不能精确计算出它们的变形和应力 情况，因此本文采用有限元方法，设计压力取 0.25Mpa，用ANSYS软件对横梁和门进行了计算 分析和设计。 11400mm排渣门结构设计思路排渣门和罐体的密封形式是自紧式密封5， 密封圈采用由硅橡胶制成的O形密封圈，它具有 无毒无味、耐高温和耐腐蚀等特点。生产中，排渣门的失效形式主要是发生泄漏 ，这往往是由
12、于门盖和横梁的变形量超过密封圈 回弹量造成的，密封圈回弹量一般在46mm之间 ，通过实验测量，得到当门盖和横梁的变形量总 和大于4mm时就会发生泄漏，因此在设计 1400mm排渣门时首先考虑刚度，同时保证其 强度，排渣门总变形量y1+y2 4mm就能满足 密封要求。 2基于有限元法的1400mm排渣门设计 2.1 横梁结构有限元计算分析横梁是由槽钢和钢板焊接而成的组合梁（沿 轴纵向平面对称），它在空间三个方向具有相同 量级的尺度，属于短粗梁，基于材料力学的传统 设计方法已不能精确计算出横梁的变形和应力。 而有限元方法能有效的解决这一问题。直径为1400mm排渣门的横梁所承受最大载 荷达到385
13、KN，在对横梁结构进行预设计后，用 ANSYS软件按以下几个步骤对横梁进行分析和计 算：1、简化有限元计算模型；2、网格划分；3 、载荷与边界条件施加；4、计算结果及其分析说 明。划分网格后横梁模型如图3所示（1/2模型） 。通过对实际结构的分析，可把横梁简化为一个简支梁 ：一边是固定铰支座（图3左边界），一边是活动铰支座 （图3右边界）。由于横梁结构和载荷均对轴纵向平面具 有对称性，有限元分析时，为了减小计算规模，只需建立 1/2模型进行计算。单元采用的是8节点六面体单元solid45 ，solid45用于仿真三维实体结构。为保证计算精度，对结 构进行映射网格划分，并且把横梁中间部分网格细划
14、，整 个模型单元数为18710，节点数为31387，施加相应的边 界条件后对其进行计算。图3 划分网格后横梁有限元模型横梁的变形计算结果如图4所示，可以看出 横梁中心最大变形量达到y=0.766mm，横梁中 心最大变形处应力为=85.99Mpa，小于材料许 用应力=167Mpa，满足强度要求。图4 横梁Y方向变形图2.2 1400mm门的有限元计算分析经多次优化和计算，最终所设计门的 结构如图5和图6所示，图5和图6分别是 1400mm门的整体有限元模型和剖开以后 的有限元模型（除去上平板）。它主要由 上下两块平板、12个加强筋板、锥形圈以 及连接板组合而成，由于门盖结构复杂， 应用弹性理论很
15、难求得精确的数值解，只 能通过适当的假设和近似才能得到弹性理 论分析的近似结果，而且计算过程过于复 杂。应用有限元法可以有效地解决这一复 杂问题，使工作量大大减少，而且结果精 度更高。用ANSYS软件，按以下几个步骤对门进行分析：1、 简化模型；2、网格划分；3、载荷与边界条件施加；4、 计算结果及其分析说明。为了保证计算精度，单元选取三 维solid45体单元，对结构进行映射网格划分，整个模型单 元数为42498，节点数为79587，门上施加0.25Mpa的均 布压力，在对连接板上施加相应位移约束后进行计算。 图5 1400mm门的整体有限元模型图6 剖开后1400mm门的有限元模型图7和图
16、8分别为计算完成后1400mm门的Von mises 等效应力云图和Y向变形云图，可以得出最大变形 量为1.258mm，筋板上最大应力达到137Mpa，对危险截 面按照JB4732-1995钢制压力容器分析设计标准 6进行应力评定满足要求。图7 1400mm门盖Von mises 应力云图 图8 1400mm门盖Y方向变形云图2.31400mm下排渣门十字轴和搭钩计算图9 1400mm门的十字轴模型图10 1400mm门的搭钩模型计算结果图11 1400mm门的十字轴位移结果图图12 1400mm门的搭钩位移结果图从上面两图中中可以看出，十字轴最大竖 直位移约为0.13mm,搭钩总体在竖直方向位移 平均后大约为0.3mm。它们的变形量同门、横 梁变形量相比较都要小很多。3.水压试验结果同有限元结果对比对所设计1400mm排渣门进行
