一种中药冲压研磨机的设计与研究

◎游义富　吴泳达　雷发荣　宋　熠　韦海兰

（广西大学机械工程学院530003）

一种中药冲压研磨机的设计与研究

◎游义富吴泳达雷发荣宋熠韦海兰

（广西大学机械工程学院530003）

医学研究表明，人体胃肠道对颗粒达到最佳吸收细度约为15μm，一般中药微粉粒径为10～75μm，中药超微粉粒径为0.1～10μm，目前市场上应用得比较成熟的技术是超微粉碎。本文所研究的中药冲压研磨机结合了机械挤压和超微粉碎技术，能有效提高有效成分的溶出度，提高中药材的生物利用度以及药效的利用率。这类中药研磨设备具有无粉尘、自动化程度高、操作简单等特点，使药品的生产符合国家标准，达到GMP的要求。

中药；冲压研磨机；超微粉碎

超微粉碎技术对药材细胞的破壁率可达95%，从而使细胞中的有效成分充分地暴露出来并直接与提取溶剂接触，提高药物的溶解度；或者直接与机体的受体相结合后被吸收，以发挥更大的治疗效果。大量研究证实，超微粉碎可以使中药颗粒的粒径达到最佳的吸收细度水平，因而药物中的有效成分在人体胃肠道中的溶解度显著增加，可提高药物的起效时间以及生物利用度，还可发挥一些新的治疗效果。[1][2][3]但是传统超微粉碎过程中，所需要消耗的能量较大，因为药材不易受力，所以在药材研磨过程中，对其施加一些压力，会加快研磨进程，提高研磨效率。除此之外，我们知道在研磨过程中消耗的能量大约是冲压破碎同等物体所消耗能量的4.75倍，即在研磨过程中对药材进行一定的挤压是节约能源和提高研磨效率的有效措施。

一、中药冲压研磨机的设计思路

图1　中药冲压研磨机的整体结构示意图

（一）设计要求

1.精度保证；

2.工作时操作简单，稳定性高；

3.转速可调节。

（二）结构设计及工作原理

1.回路式传动机构

回路式传动冲压研磨机构，包括带轮传动机构、齿轮传动机构、曲柄连杆机构和冲压研磨组件，带轮传动机构包括方形轴、小带轮、皮带、大带轮和第三转轴等；齿轮传动机构包括相互啮合的圆柱齿轮和相互啮合锥齿轮以及转轴；曲柄连杆机构包括转盘、连杆和摆杆组件。动力传递路线为：电机—带轮传动机构—齿轮传动机构—曲柄连杆机构组件—冲压研磨组件。在方形轴和拨叉共同作用下，磨盘可作冲压运动，同时又能进行绕轴线旋转研磨。冲压研磨机能够将中药材快速冲压研磨成粉末，减轻劳动强度，提高工作效率。

图2　中药冲压研磨机的前视图和左视图

2.冲压研磨机整体机构

（1）冲压研磨机机构包括：带轮传动机构、齿轮传动机构、曲柄连杆机构和冲压研磨组件。其特征在于，具体结构和连接关系为：带轮传动机构包括方形轴、小带轮、皮带、大带轮和第三转轴等。小带轮、轴套与方形轴过盈配合，大带轮通过平键与第三转轴连接，第三转轴与机体上的圆孔间隙配合形成转动副，大带轮与小带轮之间通过皮带连接。

齿轮传动机构包括：相互啮合的圆柱齿轮和相互啮合的锥齿轮以及第一转轴、第二转轴。第一转轴和第二转轴均与机体上的圆孔间隙配合，第一转轴一端通过平键与第一锥齿轮连接，第二转轴分别通过平键与第二锥齿轮、第二圆柱齿轮连接，第一圆柱齿轮通过平键与第三转轴上端连接，第一圆柱齿轮与第二圆柱齿轮相互啮合，第一锥齿轮与第二锥齿轮相互啮合。

曲柄连杆机构包括：转盘、连杆和摆杆组件。转盘通过平键与第一转轴另一端连接，连杆一端与转盘上的第二铰链铰接，另一端与摆杆通过第一铰链铰接，摆杆和拨叉摆杆分别焊接在摆杆转轴两端，摆杆转轴与第一轴承、第二轴承间隙配合，拨叉焊接在拨叉摆杆上。

冲压研磨组件包括：方形轴套、顶盘和磨盘。方形轴套与方形轴间隙配合形成移动副，顶盘和磨盘分别焊接在方形轴套上。

（2）根据要求所述的一种回路式传动冲压研磨机构，其特征在于，所述方形轴套上焊接有顶盘和磨盘。

（3）根据要求所述的一种回路式传动冲压研磨机构，其特征在于，所述磨盘上端面有凹痕的粗糙摩擦面。

3.磨盘设计

为满足旋转与挤压相结合，设计了可上下移动的磨盘，在工作时，发动机通过驱动轴连接磨盘中间的轴来驱动磨盘高速旋转。另一边，发动机通过皮带轮、齿轮系、飞轮、转轴摆杆来驱动磨盘在旋转时通过下方的方轴上下来回移动。

图3　磨盘内部构造

挤压前后磨盘中物药物颗粒的状态：

图4　挤压前后磨盘中药物颗粒的状态

二、电子电路的控制设计

无极调速控制。采用电子控制部分由无极调速开关、中间继电器、电子控制器组成、电子调速器等组成。当需要调节旋转速度时，无极调速开关可以实现对发动机的调速控制。

三、能耗和效率的分析

粉碎过程中的能耗是比较复杂的问题，粉碎过程中的能耗与许多的因素有关。[4]

由经典的Lewis公式：粉碎工程粒径的减小所消耗的能量与粒径的n次方成反比，表达为：

dE：颗粒粒度减小时的粉碎能耗；

C、n：常数；

X：颗粒粒径；

所以对把药材研磨得越细所消耗的能量就越多。除此之外，我们知道在研磨过程中消耗的能量大约是冲压破碎同等物体所消耗能量的4.75倍，所以在研磨过程中把部分研磨的能量用于对药材的挤压，可适当减少能量的消耗。

四、应用前景

中药材细粉的粒径越小，其表面面积就越大，相应的有效成分的溶出更容易，在水中的溶解度较高，也更加易于人体吸收。但中药材的粉碎直径一般在10～100μm左右，最细的九号筛（200目）所得的细粉粒径在75μm左右，此时的药材粉体仍然是由数十乃至更多的细胞所组成，且大多数细胞都还比较完整，细胞中的活性成分需要穿过较多的细胞壁方能进入到溶剂之中。[5]较大的中药材及其粗粉的细胞中的活性成分几乎难以穿过诸多的细胞而到达溶媒中，因而提取率不高，无法最大限度地发挥药物的功效。[1]所以需要采用超微粉碎技术，使细胞壁破碎。细胞破壁后，胞内有效成分可充分暴露出来，使细胞内的有效成分直接与外部提取溶剂相接触，缩短提取时间，提高活性成分溶出度，特别是大分子成分提取率的增加更为明显。[2]同时，药物经超微粉化时，中药方剂在高强度冲击力作用下，各种活性成分混合均匀，而使得固态的物料实现了液相混合以及乳化的效果，且可增加微粉粒子在胃肠道壁上的附着面积，从而提高有效成分的释放、消化及吸收。此外，超细粒子的吸附能力很强，因而被排出体外的时间也相对延长，可提高活性成分的药效及生物利用度。[6]冲压研磨机可以使药粉粒达到超微中药粉径水平，同时提高了效率，降低了能耗。同时，药物经挤压超微粉化时，中药方剂在高强度冲击力作用下，各种活性成分混合均匀，使得固态的物料实现了液相混合以及乳化的效果。与此同时，中药材冲压研磨机可以达到超微粉碎，大大提升了中药制剂水平以及产品的科技含量，不仅丰富了中药剂型，提升了制剂水平，而且增加了产品的科技含量。常用中药大部分具备无毒、无害的特点，为中药发展提供了更加广阔的空间，也为中药超微粉碎技术的发展，对开展“绿色中药”、保护环境、节省药材资源、减轻运输压力、方便服用、降低成本等都具有重要意义。

参考资料：

［1］江一唱，刘云海.超微粉碎对复方中药药效的影响［J.］中国药师，2011，14（79）：1352-1355

［2］谷丽丽，张雪梅，田莉瑛，等.中药超微粉碎技术的应用及进展［J］.生命科学仪器，2008，6（8）：49-52.

［3］李德成，刘庆燕，韩传伟，等.中药超微粉碎技术在中药制剂中广泛应用的优越性［J］.世界中医药，2010，05（06）：430-431，439.

［4］黄晓东，中药黄连超细粉碎技术［D］.上海.华东理工大学，2011.

［5］国家药典委员会.中华人民共和国药典（一部）［M］.北京：中国医药科技出版社，2010：凡例9.

［6］耿亚，马永明.超微粉碎对中药方剂药效的影响［N］.中国医药学现代远程教育2013-5.