（测试计量技术及仪器专业论文）rayleigh振动破碎式滴丸机的研制.pdf

摘要 制药业是国家、特别是天津市重点发展的领域。医药用微丸制剂是药物制剂 中的新类型，它的研发和生产吸引了众多的制药企业。高品质的微丸生产新技术 已经为众多制药企业和研发单位所关注。 针对目前微丸制丸设备的种类和应用的局限性，依据r a y l e i g h 破碎理论，研 制了一种新的微丸制剂设备一振动破碎式滴丸机，采用滴制的方式制备微丸， 设备简单，效率高，微丸成型效果好。其工作原理是：药液在微型齿轮泵的推动 作用下通过喷孔形成匀速射流，射流药液在振动激励的作用下破碎成均匀的液 滴，冷凝收缩后就得到粒径均一的滴丸。决定滴丸平均粒径、粒径偏差、圆整度 等特性指标的因素主要有振动幅值和频率、药液流速和喷孔半径以及搅拌速度 等。 采用电磁激振器作为滴丸机的振动源，根据激振器的特点研制了配套的驱动 ，电源，电源输出电压与工作频率连续可调，调节精度分别为o 1 v 和1 h z ，具有 电流、电压检测，过流保护和液晶实时显示等功能；设计了药液流速控制系统， 控制精度可稳定在l c m s ；设计制作了搅拌系统，减小了滴丸粘连的现象，使得 滴丸粒径更为均一；另外，还设计了可单独加热的滴头，拆装更加方便，药液传 输稳定流畅。 通过实验和实验数据分析，分别得到了频率、振幅和流速对制丸效果的影响 作用，数据分析结果与r a y l e i g h 破碎理论相吻合。实验表明所研制的振动破碎式 滴丸机操作控制方便、工作稳定，在所选实验条件下成丸效果良好，适合应用于 中、低粘度物系的中西药微丸制备。 关键词： 微丸滴丸机r a y l e i g h 理论驱动电源 a b s t r a c t p h a r m a c e u t i c a li n d u s t r yi st h ep r i o r i t ya r e at od e v e l o pi nc h i n a , e s p e c i a l l yi n t i a n j i n p h a r m a c e u t i c a lp e l l e t si san e wt y p eo fa g e n t si np h a r m a c e u t i c a lp r e p a r a t i o n s t h ed e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o no fp e l l e t sh a sa t t r a c t e dal a r g en u m b e ro f p h a r m a c e u t i c a lc o m p a n i e s f o rm a n yp h a r m a c e u t i c a lc o m p a n i e sa n dr&d u n i t s p r o d u c t i n gh i g h q u a l i t yp e l l e t sb yn e wt e c h n o l o g y sh a sb e c o m eah o ti s s u e a i m i n ga tt h el i m i t a t i o n so ft h ek i d ea n da p p l i c a t i o no ft h ep e l l e t sm a k i n g e q u i p m e n t ，t h i sp a p e rh a sp r o p o s e dan e wm a c h i n e - v i b r a t i n gc r u s h e rm a c h i n e ，w h i c h i sb a s e do nr a y l e i g hf r a g m e n t a t i o nt h e o r yt om a k ep e l l e t s t h i se q u i p m e n ti ss i m p l e ， m o r ee f f i c i e n t ，a n dh a sag o o de f f e c to nt h es h a p eo fp e l l e t s i t sw o r k i n gp r i n c i p l ei s ： t h eu n i f o r ml i q u i dg o i n gt h r o u g ht h ej e tn o z z l ew i l lb r e a ki n t ou n i f o r md r o p l e t si nt h e r o l eo fv i b r a t i o na n db e c o m ep e l l e t sa f t e rc o n d e n s a t i o na n dc o n t r a c t i o n t h em a i n f a c t o r sa f f e c t i n gt h ea v e r a g es i z e ，d i a m e t e rd e v i a t i o na n ds p h e r i c a ld e g r e ec o m p r i s e t h ea m p l i t u d ea n df r e q u e n c yo ft h ev i b r a t i o n , t h ef l o wr a t eo ft h el i q u i d ，t h er a d i u so f t h en o z z l ea n dt h em i x i n gs p e e d c h o o s ee l e c t r o m a g n e t i ce x c i t e ra st h es o u r c eo fv i b r a t i o na n dd e s i g n e da m a t c h i n gp o w e rf o rt h ee l e c t r o m a g n e t i ce x c i t e ra c c o r d i n gt oi t sc h a r a c t e r i s t i c s i t s o u t p u tv o l t a g ea n df r e q u e n c yc a l lb er e g u l a t e dc o n t i n u o u s l ya n dt h ea c c u r a c ya r eo 1v a n d1h zr e s p e c t i v e l y t h ep o w e rh a sm a n yf u n c t i o n ss u c ha sc u r r e n ta n dv o l t a g e d e t e c t i o n ，o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o na n dr e a l t i m el i q u i dc r y s t a ld i s p l a y as y s t e mh a s b e e nd e s i g n e dt oc o n t r o lt h ef l o wr a t eo ft h el i q u i da n dm a k et h ef l o wr a t es t a b i l i t y a s t i r r i n gd e v i c eh a sb e e nm a d et or e d u c et h ep h e n o m e n o no fa d h e s i o nb e t w e e nt h e a d j a c e n t i na d d i t i o n , as p e c i a le m i t t e ra n dn o z z l ew a sd e s i g n e d w i t ht h ee x p e r i r n e n t sa n dt h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a w ek n o w nt h e e f f e c to ff r e q u e n c y ，v e l o c i t ya n da m p l i t u d et ot h ep e l l e t sa n dt h er e s u l t so fd a t a a n a l y s i sw a sc o i n c i d ew i t ht h er a y l e i g ht h e o r y t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e e q u p m e n tc a nb ec o n t r o l e dc o n v e n i e n t l y , w o r ks t a b e t h ep e l l e t ss h a p ei sv e r yg o o d a tu n d e rt h es e l e c t e de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa n dt h ee q u i p m e n ti ss u i t a b l ef o r p r e p a r i n gp e l l e t sw i t hc h i n e s ea n dw e s t e r nm e d i c i n e si nm e d i u ma n d l o wv i s c o s i t y k e y w o r d s ：p e l l e t s ，d r o p p i n gp i l l i n gm a c h i n e ，r a y l e i g ht h e o r y ，d r i v i n gp o w e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特另u d l ：i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名嘉禾j 签字同期：细7 年多月尹同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：豢乔夕 签字日期：多 7 年石月垆日 导师签名矽以 签字日期：伊尸年多月罕日 ， o 第一章绪论 1 1 微丸制备技术概述 第一章绪论 微丸剂( p e l l e t s ) 又称小丸剂，指直径小于2 5n h n 的各类小球状1 2 1 服丸剂， 它能够大大增加药物的溶出速率，提高生物利用度，降低药物的毒副作用，还可 制成控释、缓释、肠溶微丸，具有改良的灵活性，可进一步装囊、压制成片剂或 包裹特定的衣膜等【l 】【2 】。由于微丸剂具有其它剂型无法比拟的优点，它的制备技 术备受医药界和研发单位的关注。目前制备微丸的方法有多种，主要有包衣锅滚 动制丸法、挤压滚圆法、离心造粒法、流化床制丸法、球型成型机制丸法、喷雾 干燥法、沸腾床制丸法等3 】【4 】【5 】【6 】。 包衣锅滚动制丸法，又称为滚动泛丸法，即将药物和辅料混合粉末或预制的 母丸置于包衣锅中，喷洒润湿剂或粘合剂( 水、稀醇等) ，滚动成丸。 挤压滚圆法，设备包括挤压装置和滚圆装置两大部分。将药物与辅料等混合 均匀加人水、醇或粘合剂溶液制成软材；然后采用适宜的挤压机将湿料通过具一 定孔径的孔或筛制成圆柱形颗粒或条状挤出物，再经滚圆机滚圆成丸。 离心造粒法，它的主机是一台同时具有流化作用的离心机，制丸时可将部分 药物与辅料的混合细粉或母核直接投入离心机流化床内并鼓风，粉料在离心力及 磨擦力的作用下，在定子和转子的曲面上形成回转运动的粒子流，通过喷枪喷射 入适量的雾化浆液，粉料凝聚成粒，获得球形母核，然后继续喷入雾化浆液并喷 洒含药粉料，使母核增大成丸。 流化床制丸法，设备由空气压缩系统动力加热系统喷雾系统及控制系统组 成。其方法是将物料置于流化室内，一定温度的空气由底部经筛网进人流化室， 使药物、辅料在流化室内悬浮混合，然后喷入雾化粘合剂，粉末开始聚结成均一 的球粒，当颗粒大小达到规定要求时，停止喷雾，形成的颗粒直接在流化室内干 燥。 振动破碎制丸法是国外发展起来的一种新型微丸制剂技术【7 1 ，它的理论依据 是r a y l e i g h 破碎理论，从成丸方式上看，属于滴制法制丸，因此具有滴制法的诸 多优点例，例如：设备简单，操作方便，成型效果好，生产效率高，剂量准确等。 弟一章绪论 1 2 振动破碎式微丸设备发展现状 射流破碎理论始于同外所以应用矗血也比较早，比较典型的振动破碎式微 丸设备也早有报道： 德瞬b r a c e 公司生产的s p h e r i s a t o r2 0 0 2 型徽丸机借助振动破碎技术制备 微丸，粒径范围为00 5 6 m m ，根据装配喷孔数量的不同药液流最范围从i o m l h 蛰j l o o o m l h 。适宜的药斜包括海藻酸、琼脂、热塑性蜡、金属氧化物、聚乙：醇 ( p e g ) 、聚乙烯醇( p v a ) 、聚丙烯、聚苯乙烯等ns 口h * r i s a t o rs 是b r a c e 公司2 0 0 8 年的新产品如图l i 所示，设备由p c 帆进行控制，在00 s 6 m m 之问 有2 0 种孔径的喷孔可以更换从而生产不同直径的微丸微丸直径大约为喷孔直 径的18 9 倍，适用于化学反应式制丸，具有搅拌嚣，可以加速化学反应。从而降 低滴丸之间的粘连。 图l 1s p h m s a t o r s 微丸机 瑞士的h b r a n d e n b e r g e r , 等人建讧了套振动破碎法生产海藻酸微丸的装置， 此装置由压力泵作为流速控制系统，滴头由1 3 个喷孔组成。利用这套装置可虬制 备直径范围为02 l m m 的微丸，并且次品率控制在4 以内，产量可以达到 5 0 0 0 m l h 。 美国伊利诺斯大学的c o p b e r l d a n d 1 等人还采i j 超声振动破碎方式建立了 一套微丸制备装置粒径可以更小，约为几十微米。 目前围内还没有基于破碎法制备微丸的设备上市，专利和文章中也未曾见 到天津大学化学工程研究所的何志敏教授和王康副教授基于破碎法原理研 制了一套小型微丸制备实验装置| 】”，并以海藻酸为制荆，进行，太量的试验研究， 积累r 很多的经验，并总结了大量规律，为本课题打下了坚实的基础，但只是小 型的试验设备，可控性和稳定性茬不能进行批量生产，效率比较低。 第一章绪论 1 3 课题背景 目前制备微丸的方法虽有多种，但能被接受的较常用的方法和设备是：包衣 锅滚微丸，流化床包衣机制微丸以及挤出滚圆法制微丸。锅包法设备简单，价格 低廉，目前被实验室较多采用【l 引。一般需要预制的丸心，才能滚出较好的微丸， 滚出的微丸质量与操作者的经验、水平有很大的关系，颗粒大小较难控制，粒度 分布不均，粉尘污染大，成品合格率低，批问重现性差等缺点，且生产效率低， 操作周期长，劳动强度大，不适应工业化大规模生产【l4 】；流化床包衣机是国外制 备微丸较常用的方法，系统较为复杂，由空气压缩系统，动力加热系统，喷雾系 统等组成。微丸成型效果受喷浆速度、转盘转速、供粉速度、鼓风量等因素影响， 操作复杂，对气流等参数大小的控制要求十分精确，价格也比较昂贵，如l a t t 公 司产品售价高达4 5 万美元；挤出滚圆法制微丸是目前应用最广的成丸方法，效率 高，粒径分布范围宽，粉尘飞扬少【l5 1 ，但如果制得的条状物较硬，则硬度好，圆 度差；如制得的条状物较软，圆度好，硬度差，并且由于余料需要再次挤压搓圆， 使微丸的崩解、溶出等性质出现较大变化。 振动破碎式微丸设备结构简单，成本低，粒径调整范围宽，只需要更换不同 孔径的滴头，配以合适的破碎频率和振幅，就可滴制几十微米到几毫米的微丸， 设备控制简单，滴丸成型效果好，效率高，即适用于实验室小批量生产，又适合 工业大批量生产，是非常具有应用前景的一种微丸设备。目前国内还没有此类产 品，相关研究也未见报道。在这种情况下，我们提出了振动破碎式滴丸机的研制， 采用滴制技术生产微丸，以此推动我国微丸制备技术与制丸设备的发展。 1 4 本文主要工作 为了推动药物微丸制备技术的开发进展，根据目前市场的需求和现有制丸设 备的特点和不足，本课题基于r a y l e i g h 破碎理论，研制了一台振动破碎式滴丸机， 采用滴制法制备微丸，设备简单，效率高，滴丸成型效果好。主要工作如下： 1 、总体方案确定：根据r a y l e i g h 破碎理论，确定滴丸机的整体组成方案， 主要完成了激振系统，流速控制系统，滴头系统和搅拌系统的设计制作。 2 、激振系统设计：根据电磁激振器的特点，设计了电磁激振器驱动电源。 电源频率和幅值连续可调，调节精度分别为1h z 和0 1v ，完全满足实验要求， 驱动电源使用液晶实现了参数的实时显示。 3 、流速控制系统：分析了压力控制流速的不稳定性，选取精密微型磁驱动 齿轮泵作为流速控制单元，并设计了流速检测与控制电路，采用液晶对流速实时 第一章绪论 显示，流速精度可稳定在1 c r n s ，流速稳定可靠。 4 、滴头部分设计：设计了拆装方便的可单独加热滴头和内外径比非常高的 喷孔，并完成了滴头、齿轮泵和储液罐之间的液路控制与连接，保证了药液的顺 利传输和射流的稳定流畅。 5 、搅拌系统：设计了合理的搅拌桨，并推导计算了所需搅拌器的最高转速 和最大搅拌功率，从而配置了合适的搅拌电机，并实现了搅拌速度的控制和显示。 6 、设计加工了放置激振器和储液罐的可微调升降平台，可以对滴距进行调 节，也可以通过微调保证滴头处于竖直方向。 7 、用设计制作的滴丸机进行了滴丸试验，用响应面法对实验数据进行了分 析，得出了各参数对滴丸效果的影响作用，结论与理论非常吻合。利用实验数据 进行了回归分析，得到的拟合系数与理论系数相差很小，说明实验是在最优条件 附近进行的。实验表明所研制的振动破碎式滴丸机操作控制方便、工作稳定，在 所选条件下制丸成形效果良好，适合应用于中、低粘度物系的中西药微丸制各。 4 第二章振动破碎式滴丸机的原理与基本组成 第二章振动破碎式滴丸机的原理与基本组成 振动破碎法制丸的理论依据是射流破碎理论中的r a y l e i g h 破碎理论，根据此 理论设计研制的振动破碎式滴丸机的工作原理是：药液在微型齿轮泵的吸力作用 下通过喷孔，在喷孔出口形成一定流速的射流，射流在外加激振器的特定频率和 振幅的作用下破碎形成均匀的液滴，液滴冷却收缩后就得到微丸。 2 1 振动破碎法制丸的理论依据 2 1 1r a y l e i g h 破碎理论 射流破碎是指液体从喷孔射入另一种流体介质后，由于气动力，惯性力，粘 性力和表面张力等各种力的相互作用，连续液柱分裂破碎的现象【1 6 】。按照射流速 度的不同将射流划分为两种不同的模式，t a y l o r 模式( 高速射流模式) 和r a y l e i g h 模式( 低速射流模式) 。t a y l o r 模式中，射流的惯性力在射流过程中起主导作用。 射流速度较高，气体密度相对较大，气体与液体之间的压力脉动和剪切脉动是射 流破碎的主要原因，射流破碎后形成的液滴尺寸要比射流半径小的多，通常称之 为雾化。r a y l e i g h 模式中，表面张力在射流过程中占据主导地位。射流速度和周 围气体密度相对较小，故气体对射流的影响可以忽略，这样表面张力成为射流破 碎的主要原因，射流破碎后形成液滴的尺寸与喷孔半径为同一数量级，但通常比 喷孔半径大。 本课题所依据的是r a y l e i g h 破碎理论，在不稳定表面波的发展作用下，射流 最终将破碎成一串液珠，其特点是随着射流速度的增加，破碎长度增加。液体射 流表面波破碎理论认为：液体射流的破碎是由于扰动在液体射流表面产生了表面 波，这种表面波是不稳定的。这些不稳定的表面波会随着时间或空间的发展而发 展，最终导致了液体射流的破碎。对于一种确定的液体射流系统，存在扰动增长 率最大、破碎效果最明显的波长，称为最不稳定波长，该波长所对应的频率称为 最不稳定破碎频率，也称为最佳破碎频率。液体射流系统在受到具有该频率的外 界激励作用时，液体射流的表面波发展速度加快，射流破碎加剧，这种现象类似 与机械振动中的强迫振动【1 7 j 。 理论上经常通过r e 数、w e 数及q - - 个无量纲数来研究影响射流破碎的因素。 r e 数表征的是液体的惯性力与粘性力的比值，r e 数的增加使得射流的最不稳定 第二章振动破碎式滴丸机的原珲与基本组成 频率增加，同时使得毋大扰动增眭辜增大，有利于射流的破碎。小于惯性力并不 能成为导致液体射流破碎的因素，因而r e 数的影响说明了枯性力是抑制射流破碎 的重要因素。w e 数表征的是液体的表面张力与液体惯性力的比值，在r a y l e i g h 模式下，w e 数的增加会使射流的最不稳定频率和屉大扰动增长率增加f l l l w e 数 的增加加速了射流的破碎。密度比o 反映了液体与气体介质的相互作用。当射流 处于瑞利模式下，密度比q 的改变既不能造成射流系统最不稳定频率的明显改 变，又不能造成最大扰动增长率的明显增加，返说明在这种模式下，液体与气体 之间的相互作用对于液体射流的破碎并没有起什么作用，液体在气体介质中的破 碎行为与其在真空的破碎行为相类似。 综上所述，在液体射流处于r a y l e i 曲模式下，液体的表面张力对射流的破碎 起着决定性的作用，液体的粘性力对液体射流的破碎起着抑制的作用，密度比q 对射流基本无影响。这三个无量纲数一般性地反映了务种实际射流参数对液体射 流的最不稳定频率及其扰动增长率的影响，而在实际射流中，它们是通过液体种 类、射流速度、喷 l 半径、液体粘度、液体密度、介质种类、介质压力等具体因 亲而起作用的。 2 1 2r a y l e i g h 破碎理论的定量分析 液体以一定流速通过喷孔时将形成一束光滑的圆柱形射流，射流在不稳定频 率的作用下破碎，形成一系列液漓定义图2 - 1 中所示五为破碎波长那么破碎 波长 药液的线速度y 和破碎频率r 的关系满足式川( 2 1 ) ： = y ，r( 2 一i ) 破碎后得到的液滴直径可根据一个波长高度的圆柱体 积与一个液滴体积相等进行计算，式( 2 - 2 ) 和( 2 - 3 ) 分别列出了体积守恒方程和液滴直径的计算公式， 巫：生皇( 2 64 d 。： 型尘】” ( 2 - 3 ) 式中：d ，。为破碎前射流直径约等于但略大于喷孔直 径，叱为液滴直径。 一l 罔l 为了寻找最佳破碎频率，科学家们苦苦探索，并取得了很大的成就。r a y l e i g h 最早推导出了无粘性圆柱形射流的不稳定性方程，并给出了最不稳定波长与未破 第二章振动破碎式滴丸机的原理与基本组成 碎时射流液柱直径的关系【l 】，如式( 2 4 ) ： = 4 5 0 8 d 皿 ( 2 4 ) 方程中，表示最不稳定破碎波长。同时r a y l e i 曲还给出了理论破碎波长范围： 7 屯 五 o o ，然而波长增大到一定值以后将被噪声湮没，从而起不到激励效果。 实践经验表明能够将液体射流破碎成均匀液滴的实际波长五值一般符合关系式 【l l 】( 2 5 ) ： 7 d 问 力 3 6 d 归 ( 2 - 5 ) 然而大部分液体是具有粘性的，有些液体的粘性还很大，所以必须考虑粘度 对射流破碎的影响。1 9 3 1 年，w e b e r 等人对粘性液体射流进行了研究，他们发现 粘度对液体射流的稳定性有着不可忽略的影响，并建立了考虑粘性的液体射流模 型。w e b e r 关于牛顿粘性流体的理论认为存在一个最优化破碎波长，使得液滴的 破碎过程最均一，此时各参数的关系如方程( 2 6 ) 所示【1 2 】： 1 ，气， k ，= = 4 4 4 d y e t ( 1 + i 告) ( 2 6 ) j z d j e t p o 方程中、p 和仃与分别表示药液的粘度、密度与表面张力。由方程可知，当设 备一定，液体体系固定，则有唯一的最优破碎波长。也可以说，在流速一定的条 件下，存在最优化破碎频率；在频率一定的条件下存在最优化的射流速度。值得 注意的是：公式对于粘度大于8 0 0c s 的液体体系是不适用的。 虽然两位科学家在方程中均未提到外加激励的能量，但是从表面波的特性 上说，激励幅值越大，表面波的发展越快，液体射流的破碎也越迅速；从图像上 看，在离喷孔同样距离的地方，激励幅值越大，破碎越完全。换言之，与机械系 统的共振现象一样，输人激励的幅值越大，系统的振动越强烈。在激励频率一定 的条件下，幅值越太，激励对液体射流破碎的影响越显著；在激励幅值一定的条 件下，激励频率越接近液体射流系统的最不稳定频率，则激励对液体射流破碎的 影响越大【l7 | 。所以，还应考虑激励振幅的影响。 第二章振动破碎式清丸机的原理与基本组成 2 2 破碎式滴丸机的基本组成及其功能 由振动破碎式滴丸机所依据的理论模型可知，控制外界激励的频率、振幅和 流速，并选择合适的喷孔半径，就可以使得射流药液均匀破碎，冷却收缩干燥后 便可获得粒径均一的滴丸。 振动破碎式滴丸机主要由储液罐、液流速度控制系统、振动系统( 包括激振 器和驱动电源) 、滴头和连接管路、搅拌系统、冷凝收集装置及循环系统等部分 组成，如图2 2 所示，各部分的组成和作用如f ： 储液罐与搅拌器1 ：储液罐是采用石英管制成的带有夹层结构的容器容积 约为2 升，内部盛放药液，夹层中设置加热棒、温度传感器和导热油。对于不同 药物，叮加热到不同温度使其达到熔融状态，并使药液保持恒温。搅拌器l 用来 搅拌药液，使主药均匀混台在基质中。 药液流速控制系统：由微型齿轮泵和驱动电机组成，作用是将熔融药液以特 定的流速输入滴头，在滴头的喷孔出口处形成射流，通过控制齿轮泵驱动电机的 转速就可以方便控制药液的射流速度。 l _ j 1 ，l 可_ 喻圆 争阿l 油箱 耀瑚 图2 - 2 振动破碎式滴丸机组成结构示意图 n 肿 一 第二章振动破碎式清丸机的原理与基本组成 振动系统：振动系统由电磁激振器和驱动电源两部分构成。激振器在驱动电 源的控制作用i - 产生一定频率和振幅的振动。驱动电源能够方便调节激振器的频 率和振幅，从而控制滴丸的半径和成型效果。 滴头：滴头是影响滴丸指标的又一关键因素。滴头由腔体和喷孔组成，可阻 单独加热，这样药液可以顺利喷射，不发生冷却堵塞现象，保证滴丸均匀光滑。 喷孔是滴头上的重要部分，它的直径直接决定滴丸粒径的大小，它的内外直径差 和长径比，内壁粗糙度等因素对滴丸的光滑度和圆整度具有很太的影响。 搅拌系统：由搅拌器2 和搅拌电机组成，作用是加速滴丸的分散。因为射流 而f 的药物液滴进入冷凝液时速度较快，不能骤然收缩冷凝形成药丸，所以会发 生互相粘连的现象。在搅拌的作用下，进入冷凝液的液滴迅速偏离原位，这就使 得相邻液滴不会砸在一起，形成子母粒或台为一个，从而能大大减小粘连现象的 发生，最终使得滴丸粒径更加均一。 冷凝收集装置及循环系统：由电磁泵，制冷采和循环管路组成的。冷凝剂一 方面在重力的作用下携带滴丸到过滤装置，进入油箱，另一方面，经制冷泵冷凝 后由电磁泵从冷凝柱底端入，这就保证了药丸源源不断的被收集，同时也维持了 冷凝液的高度。 为了缩短振动破碎式滴丸机的研制时间，我们购买了山东百药泰公司的 d w j 一2 0 0 0 s 型多功能滴丸试验机作为开发平台，该滴丸机是采用自然滴 制法制备大丸的设各，具有储液罐、滴丸收集系统、循环制冷系统等基 本部分，可以为我们所用，本文主要对流速控制系统，振动系统，滴头 部分和搅拌系统进行设计制作。试验样机如图2 - 3 所示： 图2 - 3 试验样机 o=笆务菡圈l。警 第二章振动破碎式滴丸机的原理与基本组成 2 3 本章小结 详细分析了振动破碎法制丸的理论依据r a y l e i 曲破碎理论，定量分析了 r a y l e i g h 破碎理论中液滴的直径与喷孔半径、破碎波长之间的关系。根据理论确 定了振动破碎式滴丸机的六个主要组成部分，并讲解了各部分的功能。后面章节 会对各个部分进行详细的阐述。 l o 第二章振动破碎式滴丸机系统设计 第三章振动破碎式滴丸机系统设计 根据振动破碎式滴丸机的原理可知，决定滴丸平均粒径，粒径偏差，圊整度 的主要因素有激励的频率和振幅、喷孔半径、射流速度等，除此之卦，加热与温 控，搅拌等因素也对滴丸效果有着重大影响。本章针对以上影响因素设计了各个 系统，主要包括：电磁激振器驱动电源系统、滴头和管路连接部分、流速控制系 统、搅拌系统、加热温控等部分，f 面将一一进行介绍。 3 1 电磁激振器驱动电源设计 3 1 1 驱动电源的重要性及组成 激励源是滴丸机最关键的部分之一，外界激励的频率和振幅同喷孔和射流速 度共同决定着滴丸的粒经，粒经偏差，圆整度等，只有当喷孔振动的频率、振幅 和喷孔直径流速相匹配时，才能达到比较理想的破碎效果，得到光滑，圆整，粒 径均一的滴丸。随着喷孔大小和射流速度的调节，激励的频率和振幅也要随2 变 化。激励的频率和振幅的稳定性也是同样重要的，只有这样，才能使射流药液均 匀的破碎，反之，激励源不稳定，必然造成滴丸粒径大小不一。 晟初选用扬州无线电二厂生产的j z k 1 0 型电磁激振器作为滴丸机的振动 源，但其驱动电源由信号发生器和功率放大器组成，如图3 1 所示，电源输出电 压和频率的调节精度低，分别为05 v 和5 h z ，而且选用指针式表头显示参数，如 “i i 互= 露飘_ 。? j 圈3 1 原驱动电源图3 - 2 原驱动电源电压表头 图3 2 所示，所以往往会引入较大的读数误差，不利于记录最佳破碎振幅与频率。 除此之外，它的体积与重量很大，不利于滴丸机的进一步集成开发。 第三章振动破碎式滴丸机系统设计 因此必须设计专用的电磁激振器驱动电源，要求输出电压与工作频率连续可 调，调节方便，调节精度分别达到o 1 v 和l h z ；稳定可靠，体积小，重量轻，便 于集成。电磁激振器驱动电源是一个大电流的调压调频逆变电源【l 引。电源控制系 统组成如图3 3 所示，主要包括：主控单元，脉宽调制( p w m ) 信号发生电路， 驱动及逆变电路，p w m 整流电路，电压、电流检测电路，过流保护电路和液晶 显示电路等部分。 图3 3 电源控制系统框图 电源的开关由按键控制，通过调节旋钮电阻改变电源的输出频率和电压，单 片机通过捕捉和a d 采集模块测量当前频率和电压，并控制液晶对电源参数进行 实时显示，实现了很好的人机对话。p v 泖v 整流电路实现了电源输出电压的线性 调节，从而方便调节激振器的振幅。如果发生过压过流情况，单片机控制电源软 关断，并报警。 3 1 2 电源转换电路及总控单元 电源转换电路的作用是将开关电源输出的电压转换成其他各个电路模块需 要的各种电压。由于不同电路部分需要不同的供电电平，单片机，液晶，光耦等 都是5 v 电压供电；p v n , i 信号发生芯片t l 4 9 4 和驱动芯片i r 2 1 0 4 需要1 5 v 电 压供电。根据电路需要，选择1 5 v 单电压输出开关电源作为电路的总电源。这 里需要一个电源转换电路将1 5 v 电压转换为5 v 电压。 本文选择n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的l m 2 5 7 6 a d j 转换芯片作为电源转 换电路。这是一款比较强大的三端线性稳压器，是同类产品中的佼佼者。输入电 压范围为8 v 4 0 v ，可调电压输出，输出电压可调的范围为1 2 3 v - - - - 3 7 v ，满载 电压的输出容差最大为4 - 4 ，可达3 a 的输出电流，转换效率极高，几乎不用考 虑散热问题。转换电路如图3 4 所示： 第三章振动破碎式滴丸机系统设计 图3 - 4 电源转换电路 输入旁路电容c p l 选择铝电解电容，防止在输入端出现大的瞬态电压；d 为肖特基二极管，开关速度快、正向压降低、反向恢复时间短，这里不能选择普 通二极管；储能电感l 的直流通量直接影响输出电流，为了达到最高3 a 的输出 电流，选择电感电流为6 a 。电路在长时间工作过程中，发现该芯片基本不发热， 而且输出电压很稳定，亦可作为a d 转换的参考电压。 本文选择m i e r o c h i p 公司的p i c l 8 f 4 4 3 1 单片机作为驱动电源的控制核心，它 具有很强的控制能力和丰富的模块资源，具有1 0 位高速a d 转换器和两个1 6 位的 捕捉( c c p ) 模块，c c p 最大分辨率为6 2 5n s ，完全满足系统电压和频率的检测 要求：其管脚灌电流拉电流可达2 5m a ，可直接驱动液晶显示模块；另外，它具 有1 4 位功率控制p w m 模块和方便的串行通讯模块，能够满足以后与p c 机通讯的 要求。单片机复位电路与时钟电路如图3 5 所示，时钟为1 0 m h z ，采用倍频设置 将时钟提高到4 0 m h z 。 + 5 v 卜r 1 巴i 一i x l o t m a l 卜_ l 氛产 图3 5 单片机复位与时钟电路 3 1 3p w m 信号生成电路 p w m 信号发生电路在电源中也常常称为p w m 控制电路，它的主要作用是 第三章振动破碎式滴丸机系统设计 向驱动电路提供一对边沿陡峭、互补对称、频率和脉宽可调的矩形脉冲列，通过 脉冲电平的高低，脉宽和频率变化来实现对逆变桥的控制。控制电路可用分立元 件搭建而成，也可采用单片集成控制电路。根据本课题具体实验的要求，驱动电 源的输出频率必须能够方便线性调节，故采用德州仪器公司生产t l 4 9 4 作为信 号发生电路，这是一款应用成熟，调节方便，控制功能完善的p w m 电路集成控 制芯片。它支持单端和推免两种输出方式，单端输出方式是指输出两路完全相同 的p w m 信号，推免输出方式是指输出两路互补对称的p w m 信号。 t l 4 9 4 内部集成了一个振荡器o s c 、两个误差放大器、两个比较器( 死区时 间控制比较器和p w m 比较器) 、脉冲同步触发器、精密基准电源以及输出控制 电路等【l9 】，其内部原理框图如图3 - 6 所示。 图3 - 6 t l 4 9 4 原理框图 引脚1 4 为基准电压输出端，该端输出一标准的5 v 士5 基准电压，其温度 稳定性很好，可用来作为给定信号或保护基准信号。引脚1 3 为输出状态控制端， 当1 3 脚其接地时，为单端工作方式，两个输出晶体管同时导通或截止，输出脉 冲频率等于振荡器频率；当引脚1 3 接片内基准电源时，即接1 4 脚，两个输出晶 体管交替导通或截止，输出脉冲频率等于振荡器频率的一半，为推免输出方式。 这里采用单端输出方式，引脚1 3 接地。 5 脚和6 脚为内部锯齿波振荡器的外接振荡电容和振荡电阻连接端。p w m 信 号的频率由外加振荡电容c 和振荡电阻r 决定，在电容不变的条件下，改变电阻r 的值，即可实现频率的连续调节。当在t l 4 9 4 的1 2 脚和7 脚接上直流辅助电源 ( 7 - - 4 0 v ) ，并在5 脚和6 脚分别接上振荡电容c 和振荡电阻r 后，就可在c 上得 11 到一个振荡频率为：f = 兰的锯齿波振荡电压。频率与电容、电阻的关系图 k l 如图3 7 所示，t l 4 9 4 信号发生电路及其外围电路如图3 8 所示，r 和c 用来调节频 率，本文选取电位器阻值范围为0 1 0 0 k ，电容大小为0 4 7 ，可输出2 0 3 0 0 0 h z 1 4 第三章振动破碎式滴丸机系统设计 的p w m 信号。电源和c 1 、c 2 之间采用了功率限流电阻，以保护内部场效应管， 一路p w m 信号通过6 n 1 3 7 送单片机进行频率测量。 3 1 4 逆变电路 图3 7 厂与r ，c 的关系图 图3 8p w m 信号发生电路 逆变主电路是由功率开关器件等组成的变换电路，有多种多样的形式，按开 关管的个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式。单端式仅用一 个开关管，推挽式和半桥式各采用两个开关管，全桥式则采用四个开关管。全 桥逆变电路结构简单，开关管所承受的电压、电流应力均相对较低，输出效率高， 且控制方式灵活，尽管所用的功率管数量较多，但易于进行多种组合，因而在各 第三章振动破碎式滴丸机系统设计 种场合尤其较高功率输出的情况得到了十分广泛的应用【2 1 1 。本驱动电源采用全桥 式逆变电路，逆变主电路如图3 9 所示。 逆变桥桥臂由功率开关器件构成。功率半导体器件技术的发展方向主要包括 三个方面：1 高电压强电流；2 低导通开关损耗；3 驱动技术简单。目前，开关 = 图3 - 9 全桥逆变电路原理图 器件的电气参数己得到了很大的提高，新类型的器件例如双极性功率管t r 、快 速晶闸管s c r 、可关断晶闸管g t o 、场效应晶体管m o s f e t 、绝缘栅双极性晶 体管i g b t 、绝缘栅整流晶体管i g c t 等层出不穷。在各种类型的开关器件中， 功率m o s f e t 是一种多子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频 性能好，开关频率可达1 m h z 、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二 次击穿问题、安全工作区宽、跨导线性度高以及日趋低廉的价格等显著特点越来 越适应高频中高功率逆变电源的应用。i g b t 是一种m o s 与双极管结合的产物， 既有m o s 管开关频率高、驱动简单等优点，也有双极管导通压降小、耐压高等 优点，功率可以达到5 0 0 0 w ，在大功率场合得到了广泛的应用。 本驱动系统功率不高，最大功率为1 5 0 w ，所以逆变桥采用了瓜公司生产 的i r f 5 4 0 n 功率场效应管，如图3 - 9 中v 1 、v 2 、v 3 、和v 4 ，漏源级最大电压 为1 0 0 v ，常温下最大电流可达3 3 a ，栅源电压。= 2 0 v ，开启电压。，掰、= 4 v ， 上升时间t o n = 1 0 0 n s ，栅极电荷总量q g = 7 9 n c ，关频率可达1 m h z ，抗击穿性能 好，完全满足电源要求。 缓存电路是并联在半导体开关管上起保护和改善开关性能的电路。主要作用 有降低或消除电压、电流尖峰；限制d l d t 或d v d t ；降低总的开关损耗等。常 用的缓冲电路有单电容缓冲电路，r c 缓冲电路和r c d 缓冲电路【2 2 】【2 3 】【2 4 】。最简单 的单电容电路，适用于小容量的m o s f e t 模块，对于抑制瞬变压非常有效且成本 较低，因此电路采用了简单的c 缓冲电路，c 的值取0 1 。 1 6 第三章振动破碎式滴丸机系统设计 3 1 5m o s f e t 驱动电路 功率m o s f e t 极间电容较大，因而工作速度与驱动源内阻抗有关。驱动电路 应具有提供较大瞬态电流的能力，这将减少处于线性区的时间，因而减少开关损 耗。另一方面，如果器件工作在线性模式，栅极驱动电路具有比较大的电流容量 将把与“密勒”效应相关的现象减至最小，从而改善本级带宽和减少谐波失真， m o s f e t 驱动不足将造成转换过程长、开关功率损耗大【2 5 1 。m o s f e t 驱动电路的 设计一般参考下列公式【2 6 】： ，1 7 = 丝 (1id)river d一。 ，：| h 。= ( ) g 矽岳( 掰) 厂1 ( 3 - 2 ) z d r 衙2v d r i v e r 一v g s ( 7 7 f ) ( 3 3 ) i d r i w k ，为所需驱动电流，。为所需驱动功率，q g 、( 分别为m o s f e t 的栅极电荷总量、上升时间和门极电压，厂为开关频率，z d r i v e r 为输入电阻。从 式中可以看出，对于一定的q 0 ，若要求f d 越小，则要求k ，应越大，在驱动 回路里，若驱动幅值越大，k 。也越大。因此减少f d 的关键是加大驱动幅值。 因此使用中要注意两个问题：一是驱动电压幅值不能超过功率m o s f e t 的栅极电 压额定值；二是由于栅极回路寄生电感和功率m o s f e t 输入电容会产生寄生振 荡，因此要防止这个振荡电压和驱动电压叠加超过功率m o s f e t 栅极电压额定 值。 对于驱动电路，为了使m o s f e t 的栅极控制信号具有通用性，则要求驱动信 号不仅保证m o s f e t 的可靠开通与关断，而且要保证控制信号间的正确逻辑关 系。对于桥式逆变器，为了保证同一桥臂元件的转换，遵循先关断后开通原则， 防止桥臂直通现象，则要求两组驱动信号之间不但相位相反，而且应保持必要的 死区时间间隔。 驱动电路除了由分立元件构成之外，目前常用集成化的m o s f e t 专用驱动 电路，其性能更好，整机的可靠性更高，体积更小。常见的有富士电机公司的 e x b 系列驱动器、日本英达的h r 0 6 5 、中国西安的h l 4 0 2 等。另外，目前市场 上还有一种专用驱动器，可驱动一个桥臂上的两只m o s f e t ，如美国瓜公司的 1 r 2 1 0 4 及德国西门康公司的s k h l 2 1 。驱动电路有多种形式，以驱动电路与栅极 的连接方式来分则有：直接驱动和隔离驱动。直接驱动分为t t l 和c m o s 两种 驱动方