振動力場作用下牧草種子丸粒化包衣機試驗研究

邵志威，陳　智，侯占峰，弭龍凱，仇　義，牛文彩，陳利杰

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特　010018)

0　引言

種子丸粒化是草種改良的重要途徑，通過丸粒化可增加種子的流動性，提高機械化播種性能[1-6]。種子丸粒化是使某些作物的種子形狀和大小不規則、微小轉為大小均一、規則的小球體，可以實施機械化精量播種[7-11]。包衣質量的好壞集中反映在種子包衣合格率上，國產包衣機存在的最主要的問題就是包衣合格率達不到要求[12-17]。本文針對牧草種子輕小、形狀不一等問題，設計了一種基于振動、滾動混合力場作用下的牧草種子丸粒化包衣機，旨在提高牧草種子的包衣丸化合格率。

1　包衣機組成與實驗方法

1.1　丸粒化包衣機結構及工作原理

該丸粒化包衣機由機架、包衣鍋、驅動電機、傾角調整機構、電磁激振器、供料機構及控制系統等組成(如圖1所示)。丸粒化包衣作業時，種子經過稱重盤下落，分流板分流下落的種子，使粘合劑均勻地包裹在種子表面后落進包衣鍋；包衣鍋在驅動電機的作用下旋轉，同時激振器將振動作用于包衣鍋；包衣鍋在振動和旋轉復合作用下進行滾動包衣，使粉料更加均勻、牢固地粘附在種子表面，利用包衣鍋與種子之間及種子與種子之間的摩擦力來帶動鍋內種子進行周而復始的翻轉運動，同時種子也在自轉。如此不斷往復，種子逐漸被包裹的變大變圓，最后成為丸粒[18]。包衣鍋角度由傾角調整機構進行調節，激振器直接連接在驅動電機與包衣鍋之間，使振動效果更顯著。

1.傾角調整機構　2.驅動電機　3.激振器　4.包衣鍋　5.粘合劑噴頭 6.分流板　7.步進電機　8.種子料斗　9.稱重盤　10.控制面板 11.粉料料斗　12.喂料器　13.粘合劑閥門　14.液箱　15.液泵電機

種子在包衣鍋中受到重力、摩擦力、激振力、離心力等的作用(見圖2)，在包衣鍋內壁合力的作用下隨鍋旋轉，運動至包衣鍋高度3/4位置處，開始下落至最底處，往復運動。

供料機構可以實現種子和粘合劑按照一定的比例混合，種子在下落過程中噴粘合劑可以使種子表面更好地包衣成膜[19-20]。為進一步丸粒化奠定基礎，包衣鍋中丸粒化的過程分層進行[21]，粘合劑與粉料交替噴灑，不僅可以提高丸化硬度，而且丸化更加均勻。稱重盤稱料式結構可以實現精確供料及精確供粉[22]。

控制系統是以主控單片機控制4個單片機實現對包衣機的控制：單片機1控制種子料斗閥門打開，使種子下落，控制撥盤電機旋轉，采集并顯示稱重傳感器數據；單片機2采集液體噴頭流量計、粉料噴頭質量流量計的數據，控制包衣鍋內粘合劑閥門和粉料喂料器，使種子一層層地包裹上粉料，在包衣鍋內丸粒化；單片機3負責采集包衣鍋速度傳感器、噴頭溫度傳感器及包衣鍋角度傳感器的信號；單片機4負責控制激振器的振動頻率和幅度。

圖2　種子在包衣鍋中的受力方向

1.2　試驗方法

試驗時，使用種子100g，粉料500g，粘合劑90g，研究包衣鍋不同的傾斜角度、振動頻率和轉速對丸化包衣的影響。①對包衣鍋外的種子噴灑一層粘合劑和粉料，目的是避免種子在包衣鍋內遇粘合劑而粘結；②讓包裹了一層粉料的種子在包衣鍋內旋轉、振動；③在包衣鍋內持續噴粉、噴粘合劑數分鐘，使種子包上多層粉料，直至丸化；④使裹上粉料的種子在滾動、振動作用下數分鐘，目的是壓實種子表面蓬松的粉料。丸化包衣具體流程如圖3所示。

圖3　包衣流程圖

選定包衣機轉速的大致范圍為40～60r/min[23]，通過預試驗確定包衣鍋傾斜角度為30°～60°(包衣鍋鍋口平面與水平面之間的夾角)，振動頻率為20～40Hz。設計一個3水平3因素的正交試驗(以包衣鍋振動加速度9.1m/s2為不變因素)，傾斜角度A(A1為30°，A2為45°，A3為60°)，振動頻率B(B1為20Hz，B2為30Hz，B3為40Hz)，包衣鍋轉速C(C1為30r/min，C2為45r/min，C3為60r/min)。試驗如下：A1B1C1，A1B2C1，A1B3C1，A2B1C1，A2B2C1，A2B3C1，A3B1C1，A3B2C1，A3B3C1，A1B1C2，A1B2C2，A1B3C2，A2B1C2，A2B2C2，A2B3C2，A3B1C2，A3B2C2，A3B3C2，A1B1C3，A1B2C3，A1B3C3，A2B1C3，A2B2C3，A2B3C3，A3B1C3，A3B2C3，A3B3C3。

在以上試驗中選取以下因素與水平(見表1)進行分析。

表1　 試驗結果分析表

試驗用丸粒化包衣機如圖4所示，種子丸粒化包衣前后對比圖如圖5所示。

圖4　 丸粒化包衣機

圖5　 種子丸粒化包衣對比圖

2　結果分析與評價

2.1　二次通用旋轉設計分析方法

回歸旋轉設計分析方法是在正交設計的基礎上發展來的，二次回歸通用旋轉設計與二次回歸正交旋轉設計、二次正交設計一樣都是一種組合設計[24-25]，其目的是避免試驗次數太多。

正交試驗可以得到包衣鍋轉速、振動頻率、傾斜角度的較優組合，回歸分析可以確定兩種及兩種以上變量相互依賴的定量關系。

總的試驗處理數目N由3部分組成，即

N=mc+2P+m0

式中mc—所選用正交表中的全試驗數；

P—試驗因素的個數；

m0—各因素零水平組成的中心試驗點的重復數。

試驗因素水平的編碼表如表2所示。

表2　 因素水平的編碼表

查表可知，三因素的處理組合N=20，得到表3的20個處理結果。

表3　三因素二次通用旋轉組合設計方案及結果

續表3

計算各回歸系數，則

所以，得到百粒重的回歸方程為

y=2.42123-0.00659x1-0.021968x2+

0.00732x3-0.0125x1x2-0.0125x1x3+

2.2　驗證分析

利用MatLab軟件對試驗數據進行多元回歸驗證分析，得到丸化率y1、百粒重y2的回歸方程和決定系數R2、統計量F及F對應的概率P，如表4所示。由表4可知：丸粒化的決定系數為0.808， 但是P值為0.000 5，在5%的置信區間內，百粒質量的P值為0.016 3，也在置信區間內。說明模型是可信的。

表4　響應量模型分析表

圖6為影響因素傾角X3在回歸方程中為零時包衣鍋轉速X1、振動頻率X2對丸化率、百粒質量的影響曲面和等高線圖。對模型進行響應曲面分析，分別以包衣鍋轉速、振動頻率、丸化率(百粒質量)為x、y、z軸生成三維圖像，可以看出：振動頻率為25～35Hz、包衣鍋轉速為40～50r/min時，丸化率和百粒質量較好。包衣鍋轉速與振動頻率對丸化率和百粒質量的影響幅度相當，證明了振動對丸化率和百粒質量的影響力。

圖6　影響因素X1、X2對丸化率、百粒重的影響曲面圖

3　結論

由正交試驗下得到的較優組合可以看出：包衣鍋轉速為45r/min、振動頻率為30Hz、傾斜角度為45°時，包衣效果最好，丸化率最高。在回歸方程中，當最佳參數組合為X1=0、X2=0、X3=0時，丸化率為78%，百粒質量為2.4g(未丸化種子為0.28g)。試驗結果顯示：X2項系數與X1和X2項系數相近。因此，振動影響因素與傾斜角度和包衣鍋轉速同等重要，合理引入振動作用力可提高牧草種子丸粒化包衣機的丸化率。