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单冲压片机与旋转式压片机的比较与理论分析
发布日期：2010-02-01

单冲压片机和旋转式压片机是两种常见的压片设备。单冲压片机由于价格低廉、操作方便、结构简单受到了实验室、研究所、大专院校等研究人员的欢迎，然而由于单冲压片机存在诸多的不足，最终导致实验室获得的结果与车间实际使用的旋转式压片机压制的结果差异很大，无法将实验室的试验数据直接复制用于实践生产。旋转式压片机由于结构复杂、价格昂贵、操作者要求经过培训，其使用受到一定的限制。本文从单冲压片机和旋转式压片机的原理、结构、工艺流程等方面着手对单冲压片机和旋转式压片机进行了较系统的对比及相关的理论分析。 1 单冲压片机及旋转式压片机的工作原理与结构 1．1 单冲压片机的工作原理与结构单冲压片机的原理如图1所示，出片调节器可以用来调整下冲升起的高度位置，一般调整至与中模上缘相平；片重调节器用来调整下冲下降的深度(也即下冲的位置)，目的是控制中模孔内物料的容积即片重；压力调节器的作用是调整上冲下降的距离，在充填一定的情况下，上冲下降多，上下冲之间的距离愈近，压力就大，反之就愈小。单冲压片机有多种型号TDP、TDP-1.5等，另外传统的T肿系列花篮式压片机的结构与压片过程与单冲压片机也基本相似。图1单冲压片机原理 1．2 旋转式压片机的工作原理和结构旋转式压片机的工作原理和结构如图2所示，其是目前生产中使用最广泛的压片机，主要由传动部件、转台部件、压轮架部件、轨道部件、润滑部件及围罩等组成。一般转台结构为3层，上层的模孔中装入上冲杆，中层装中模，下层模孔中装下冲杆。由传动部件带来的动力使转台旋转，在转台旋转的同时，上下冲杆沿着固定的轨道作有规律的上下运动。同时，设计人员在上冲上面及下冲下面的适当位置装着上压轮和下压轮，在上冲和下冲转动并经过各自的压轮时，被压轮推动，使上冲向下、下冲向上运动并加压于物料。转台中层台面置有一位置固定不动的加料器，物料经加料器源源不断地流入中模孔中。压力调节手轮用来调节下压轮的高度，下压轮的位置高，则压缩时下冲抬的高，上下冲之间的距离近，压力大，反之压力就小。图2旋转式压片机原理和结构片重调节手轮用来调节物料的充填，也即调整中模孔内物料的容积。带二次压缩的压片机增加了一道预压，也即物料先经过上下预压轮的压缩后再进入主压，能大大改善片剂的质量；而二次压片的压片机是用来压双层片的，一次加料后经预压，再加一次料后再主压，最后获得双层片的片剂。 2 单冲压片机及旋转式压片机的工艺流程压片的工艺流程能比较直观地反映出出片-充填-预压-主压-顶出等工艺步骤，是了解压片机工作状况的选择。 2．1 单冲压片机的压片工艺流程单冲压片机的压片工艺流程如图3所示，其流程：(1)上冲升起，加料器推进到中模孔之上位置；(2)下冲下降至适宜的位置即片重调节使中模孔中容纳的物料颗粒重量等于片重；(3)加料器移开，加入中模孔中的物料颗粒平齐于中模上缘；(4)上冲下降，也即压片至压缩到位；(5)上冲升起的同时下冲也将已压实的片子项出，加料器再推进中模孔之上，同时将压成的药片推开，周而复始。图3单冲压片机的压片工艺流程 2．2 旋转式压片机的压片工艺流程旋转式压片机的压片工艺流程如图4所示，旋转式压片机的冲模数不再是一个，而是多个，冲模逐一进入工作区域。其流程：(1)下冲转到加料器之下时，下冲的位置趋低，致使物料颗粒流入中模模腔。上冲升起让开加料器；(2)下冲转到充填轨时，保证了一定的充填量；(3)下冲转到计量轨时，经刮粉器将多余的物料颗粒刮去，保证了剂量的准确，(有时将充填轨与计量轨做在一起)；(4)当上下冲转到上下两压轮之间，两冲之间的距离为最小，即压缩成片；(5)下冲转到顶出轨时，下冲把中模模腔内的片子逐渐顶出，直至下冲与中模的上缘相平；(6)药片被拦片板推开。以上工序，旋转式压片机以多个冲模的形式周而复始。图4旋转式压片机的压片工艺流程带二次压缩的压片机增加了一道预压功能，即下冲充填之后，先经过上下预压轮的次压缩，后再进入主压，经二次压缩后能大大改善片剂质量。二次压片的压片机是用来压双层片的，一次加物料后经预压后再加一次物料再主压，最后获得是双层片的片剂，多个冲模的形式周而复始。 3 单冲压片机与旋转式压片机压片过程的理论分析 3．1 旋转式压片机的压缩速度为了掌握旋转式压片机的几何特性和性能对压片质量的影响程度，就必须对转台的半径、压轮的半径、转台的转速、物料颗粒的充填深度对压缩速度的关系进行理论的分析。现在我们设定中模内颗粒的压制过程中某一瞬间的厚度为h，压制后片子的厚度为h0，则h-h0代表在此瞬间尚待压制的物料颗粒的深度，称为待压深度△h，即△h=h-h0。，那么压缩速度v为单位时间中模内物料颗粒层厚度的变化量，由此定义，式中△h——物料颗粒的待压深度； F———时间； v———压缩速度。通过计算可以知道压缩速度与压片机主要零件(如压轮、转台)的关系，由下列公式表示：式中r——压轮半径； R——转台半径； N——转台转速。由上述公式我们可以发现： (1)片剂的压制过程，压缩速度是待压深度的函数，即物料颗粒在开始压缩时，压缩速度较大，在压制过程中压缩速度逐渐缩小，在压缩终了时△0时，压缩速度为0； (2)压缩速度还是转台半径R、压轮半径r以及转台转速Ⅳ的函数，即压缩速度随转台半径的减小，压轮半径r的增大，转台的转速Ⅳ的减小而减小。旋转式压片的生产实践表明：由于转台是由动力驱动的，压轮本身无动力而被动旋转。因而，压缩速度小，片剂硬度大；转台半径R较小，压轮半径r较大，转台转速N较慢时压制的片剂质量较佳。 3．2 旋转式压片机压缩时间的计算旋转式压片机压缩时间的计算，在图5中：位置I表示冲杆开始进入压轮区域，位置II表示冲杆开始进入恒定的压缩区域，位置III表示冲杆离开压轮区域。图5旋转式压片机的压缩时间计算图图5中显示整个压缩时间T，由二段时间T-t1+t2组成,在这里t1我们称为动压缩时间，指冲模开始对物料进行压缩直至冲杆底平面的边缘运动至压轮的部所需的时间，设开始压缩时物料颗粒层的厚度为h，动压缩最后时颗粒层的厚度为h0，则料层厚度变化△h=h-h0,，所需的时间为： t2我们称为静压缩时间，也即保压时间，为：因此，旋转式压片机总的片剂压缩时间为：式中T——压缩时间； T1——动压缩时间; T2———静压缩时间； N——转台转速； R——转台半径； De——压轮半径；实践表明：在不同压片机上，对同一规格的冲头，相同的压力压制同一数量的物料时，片剂的硬度随着压缩停滞时间的增加而增加。减少转台半径R，增大压轮半径r；降低转台转速Ⅳ以及加大冲杆底平面直径de即能显著提高片剂硬度(例IPT，标准冲模的de直径比ZP标准冲模的直径大)。但在实践生产中如过分地降低压片机转速和减小转台半径，则不利于提高压片机的生产能力。 3．3 单冲压片机与旋转式压片机压片过程的比较单冲压片机与旋转式压片机对物料颗粒压制时冲头的变化规律有很大的不同，在此我们再引进冲头位移的概念，然后通过冲头位移来比较这二类压片机的特点。 3．3．1 单冲压片机的冲头位移单冲压片机的冲头运动是由于主轴带动偏心轮旋转，使得在位于偏心轮旋转中心(即偏心轴的中心)正下方的上冲产生了上下的往复运动。从图6可见，如偏心轮的旋转中心为0，在其正下方的偏心轮外缘连有上冲，而偏心轮的几何中心为0’，则偏心轮的偏心距离00’=a，当偏心轮旋转时，角0’0P(即180度-)是变化的，压缩终了时，角D0P(=180度)。此时，线段DJP最长(图6右图)，冲头位于点，而在压制过程中0尸不断增加(图6左图)。因此，可以用线段DP的变化反映冲头在压制过程中的运动变化。=0P称为单冲压片机冲头的位移，定义为上冲杆的顶点至偏心轮旋转中心的距离。通过计算：图6单冲压片机的冲头位移图式中△y —— 单冲压片机冲头的位移； a— 偏心轮的偏心距； r1—— 偏心轮的半径； —— 偏心轮的旋转角度； W—— 偏心轮的角速度； T —— 时间。 3.3.2 旋转式压片机冲杆位移的计算旋转式压片机在压片过程中，冲杆的运动是由于冲杆运动到压轮处，上冲杆沿上压轮的下缘，下冲杆沿下压轮的上缘运动至上冲杆至上压轮的点，下冲杆至下压轮的点。将颗粒最终压制成片。如图5、图7所示，0’P’=r。图7旋转式压片机的冲杆位移图定义为上、下冲头的顶点至压轮中心的边线右压轮中心线上的投影长度之和，冲头的位移为O’Q’长度的2倍。式中△y——旋转式压片机冲杆的位移； r——压轮半径； R——转台半径； ——转盘上的角度； W——转盘的角速度； t——时间。 3．3．3 单冲压片机与旋转式压片机的比较为比较单冲压片机与旋转式压片机在压片过程中的差别，我们首先来观察这两种压片机冲杆的位移，通过公式(3)、(4)可得图8的2条曲线。图8旋转式、单冲压片机的冲杆位移与时间关系曲线图8中实线为旋转式压片机，虚线为单冲压片机，冲杆位移△y与时间的关系曲线。通过这2条曲线发现：在开始压缩时，曲线斜率较大，而曲线斜率d(△y)代表冲杆的位置变化速度，故开始压缩时冲杆位置变化速度较快，而在为值时代表压制过程的终点，此时冲头位置变化速度为0。此外，旋转式压片机的曲线较宽，说明在开始压缩，冲杆变化速度大于单冲压片机，但在压缩后期时，旋转式压片机的冲杆变化速度小于单冲压片机，这说明旋转式压片机在压力附近单位时间内颗粒压缩的体积变化缓慢，有利片剂的压制成形，故优于单冲压片机。另外，旋转式压片机是上下冲杆同时对颗粒进行压缩，单冲模腔内部物料的应力分布不如旋转式压片机均匀，故压制的片剂质量亦差。单冲压片机偏心轮旋转角度与冲杆位移△y，的关系如图9所示，旋转式压片机旋转角度与冲杆位移△y的关系如图10所示。图9单冲压片机偏心轮旋转角度与冲杆位移的关系图图10旋转式压片机旋转角度与冲杆位移的关系图例1：有一单冲压片机的偏心轮直径d=75mm，偏心距口=15mm，试作偏心轮旋转角度=120。至=240。时与冲杆位移的关系曲线。由公式(3)知：每隔2O。作一点，因l20。～180。的曲线与l80o～240。的曲线对称，此时，r．=37．5mm，0=15mm。取=120。、l4O。、160。、18O。作表，如表1所示并作图，如图9所示。表1单冲压片机偏心轮旋转角度与冲杆位移的计算。例2：一旋转式压片机的转台直径225“un，压轮直径250mm，试作转台旋转18。的冲杆位移曲线。解：由题意：r=l25mm，R=l12．5mm，每隔6。计算一点，由公式(4)：取18、12、6及0度作表，如表2所示，并对称作图，如图10所示。表2旋转式压片机旋转角度与冲杆位移的计算比较图9和图10可知：旋转式压片机在开始压缩时斜率较大，在值附近斜率变化较缓慢，在压缩后期时旋转式压片机的冲头变化速度小于单冲压片机，故在压力附近颗粒压缩时体积变化缓慢，使得颗粒间的空气易于排出。有利于片剂成型，在片剂顶出冲模后不易产生裂片。而单冲压片机在压力附近颗粒压缩的体积变化较快，颗粒间的空气来不及排出而被封于片剂内部。 4 单冲压片机与旋转式压片机的全方位比较单冲压片机与旋转式压片机的全方位比较如表3所示。表3单冲压片机与旋转式压片机的全方位比较 5 结语为解决单冲压片机存在的过于简单、旋转式压片机结构复杂及价格昂贵的问题，新近研究出一款ZPS系列实验室用旋转式压片机。其总体思路是适当减少工位数，降低产量，缩小其结构尺寸，使价格降下来，再增加一些例如显示、打印、压力测试、出片力测试等功能，以分别充分满足药厂、研究所、实验室的小批、中试的需要。 ZPS系列压片机在主压轮和出片轨处装有压力传感器，在画面上设有每一冲杆主压、每一冲杆出片力值显示；主压力和出片力平均值、值、最小值显示和每一冲杆压力比较显示。在充填轨、预压轮和主压轮处均装有位移传感器，根据需要可方便调节充填深度、预压厚度、片剂厚度和实际累计生产时间、产量，并能在画面显示具体数据。 ZPS系列旋转式压片机具有超主压设定报警、超出片力设定报警、紧停报警、变频器故障报警、超出主压报警、超出出片力报警、下轨道未装报警，以及故障记录、打印这些功能的设置，便于及时排除故障，保证及其安全正常运行。 ZPS系列旋转式压片机实验的结果能迅速地复制于生产实践。

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