牧草種子丸粒化包衣機種液實時混合系統的設計

弭龍凱，侯占峰，陳 智，邵志威，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

牧草種子丸粒化加工是為滿足牧草種子帶肥、帶藥噴播等需求而發展起來的一項新型種子加工方法，已成為現代牧草種子處理、研究的一個熱點[1]。采用丸粒化加工，不僅可改善種子形狀、強度等物理機械特性，為小粒種子、不規則種子的機械化精量噴播創造條件，同時對實現播前植保、促進草籽生長、節本增效和保護環境有著重要現實意義[2]。

目前，種子包衣機多采用在包衣鍋內進行種液混合，丸粒化程度較低、成本較高。同時，像牧草這種不規則的小粒種子包衣設備極少，自動化程度低，機械結構復雜，且包衣后種子單籽率低。因此，設計了一種自動化的種液實時混合系統[3]，可保證種子供給量和粘和劑供給量的精準化，實現實時控制種子和粘和劑的配比。種子和粘和劑的混合由原來在包衣鍋內進行移到包衣鍋外，不需要種子和粘和劑在包衣鍋內的混合，在種子進入包衣鍋的過程中就可以實現種子與粘和劑混合的過程，有效降低了種與種之間粘結的機率。

1 總體結構與工作原理

1.1 設計原理

目前，市面上可見的牧草種子丸化機種液混合多在包衣鍋內進行，需要人工參與的部分很多，其單籽率低，丸化效果不好。為此，設計了一種牧草種子丸粒化包衣機的種液實時混合系統，該系統在種子下落過程中將種子攤鋪成單片幕狀同時將藥液噴撒到牧草種子上，同時實現自動控制，有效減輕操作者的疲勞強度，提高牧草種子丸化效果和減少丸化時間。

1.2 整機結構及主要技術參數

牧草種子丸化機供種供藥系統主要由料斗、供料機構、供藥機構、分流盤、種液混合機構等組成[4]，如圖1所示。牧草種植丸粒化包衣機主要技術參數，如表1所示。

1.粉料進料口 2.進料口閥門 3.稱重系統 4.步進電機

項目單位參數外形尺寸(長×寬×高)mm×mm×mm1300×650×1200料斗容量(種子)kg5料斗容量(粉料)kg4.5藥箱容量L3生產率kg/h1.2機器質量kg45

1.3 工作原理

種子和粉料經提升機分別提升喂入到種子料斗和粉料料斗，按照不同種子通過調節閥調整到要求的喂入量，實現定量進料，種子經過稱重系統，進行稱重，精準下料；同時，藥液根據不同種子的要求按照一定比例混合好存放于藥液儲存罐，通過高壓泵在高壓泵電機的帶動下泵送到噴頭進行霧化；這時，種子經過種子分流板分流成單片幕狀，在種子下落過程中與霧化的藥液進行接觸，使藥液在種子表面成膜；然后，包好藥劑的種子進入到包衣鍋內，同時粉料根據種子的量進行稱重下料，粉料通過氣力粉料輸送管送到包衣鍋內，與種子進行混合。

2 關鍵部件設計與工作參數的確定

運用離散元仿真軟件EDEM對牧草種子通過分

流盤后與藥液的粘結過程進行仿真，分析牧草種子在分流板內的運動軌跡、經過每個下料口的種子量和進過下料口后種子和藥液的粘結過程，從而得到牧草種子與藥液的粘結運動規律[5]。

2.1 建立仿真模型

2.1.1 分流板模型建立

分流板由種子進口、分流槽和種子出口組成。分流槽如圖2所示。一共有4排分流導向槽，每一排分流導向槽的攤鋪長度為10cm，總共攤鋪長度為40cm，攤鋪面的形狀如圖3所示。分流導向槽攤鋪面總體呈現為圓心角為20°、半徑為115cm的圓弧。

圖2 分流導向槽

圖3 分流導向槽攤鋪面

2.1.2 牧草種子模型建立

本試驗所用的牧草種子為市場上常見的冰草種子，為了便于模擬和減少計算量，離散元顆粒系統建立時將冰草種子籽粒簡化為具有同體性質的均勻的彈性材料及三軸尺寸為6.5mm×2.5mm×2.4mm的橢球體，如圖4所示。冰草種子模型的物理參數[6]如表2所示。

2.2 種子和藥液運動仿真

2.2.1 試驗參數設定

為探究牧草種子在分流板內的運動規律，在分流板入口設置一個種子模型產生平面，大小為50mm×100mm，種子的初速度方向為Z軸負方向，大小為2m/s，種子生成速度為500g/s，時長為5s。種子生成模式選擇動態生成，種子顆粒間碰撞會在多粒種子間同時產生，因此選擇Hertz-Mindin(no slip)接觸模型作為種子顆粒與種子顆粒、種子顆粒與幾何體的接觸模型[7]。根據實驗修正設置種子顆粒與種子顆粒恢復因數、靜摩擦因數、滾動摩擦因數為0.65、0.396、0.015，種子顆粒與幾何體的恢復因數、靜摩擦因數、滾動摩擦因數為0.45、0.5、0.05[8]。

圖4 冰草種子模型

參數泊松比剪切模量/MPa密度/kg·m-3冰草種子0.31.1974

2.2.2 種子顆粒運動仿真

種子顆粒在分流板中的運動仿真模型如圖5所示。固定時間步長設置為0.000 15s，顆粒尺寸最小半徑為3。

(a) 0.84s

(b) 1.04s

(c) 1.78s

當時間為0.84s時，第1排分流導向槽已經有種子顆粒經過分流板出口，第2排分流導向槽面的種子已經接近分流板出口，第3排和第4排分流導向槽里的種子還沒有到達分流板出口。由圖5可以得出：種子在經過分流板后下落的時間不同，第1排分流導向槽內的種子顆粒先下落至種液混合處，以此類推，依次到達。根據種子到達藥液噴射面的時間分別控制每一個噴射面噴射開啟時間[9-10]。

2.2.3 種子與藥液粘結過程仿真

種子進過分流板后成幕狀下落分局每一排下落時間不同，分別啟動對應排的噴頭進行噴射霧化的藥液。種液混合運動仿真如圖6所示。

(a) 種液粘結分布圖 (b) 種液粘結微觀圖

為得到種子與藥液的混合情況，選取856號種子顆粒，在藥液噴射量分別為0.12、0.24、0.36、0.48L/min時，建立該顆粒在1～3.5s中質量的變化曲線，如圖7所示。

2.3 仿真結果分析

在0～1.47s時，種子經過分流板還未到達藥液噴射面，種子顆粒未與藥液進行粘結，故種子顆粒質量沒有變化。當藥液的噴射量為0.12L/min時，被標記顆粒的質量在1.4～3s中增加的比較快，在3s以后質量維持在3.22mg左右。當藥液噴射量為0.24L/min時，被標記顆粒的質量在1.4～2.7s中增加迅速，在2.7s之后質量維持在3.3mg左右。當藥液的噴射量為0.36L/min時，被標記顆粒質量在1.4～2.5s中增加較快，在2.5s之后維持在3.4mg左右。當藥液噴射量為0.48L/min時，被標記顆粒的質量變化和藥液噴射量為0.36L/min時的變化相近。

圖7 856號顆粒在不同條件下的重量變化

由圖7分析可得：當藥液噴射量為0.36L/min、藥液噴射時間為1.1s時，種子顆粒可以粘結上最多的藥液(0.6mg藥液)。分析原因，當藥液噴射量低于0.36L/min時藥液與種子顆粒接觸的機會相對較少。當藥液噴射量大于0.36L/min時，由于種子顆粒的表面積是有限的，當種子表面粘結到0.6mg的藥液后將沒有空間去粘結更多的藥液。

3 試驗與分析

依據仿真分析得到的藥液噴射量流量Q和噴射時間t，選取牧草種子(冰草)分別以藥液噴射速度Q和噴射時間t為變量進行牧草種子丸化效果正交實驗。

表3 因素水平

試驗過程中，每組進行5次，分別記錄種子的單籽率和丸化率，并計算出平均值。總共進行16組試驗，試驗結果如表4所示。

表4 實驗結果分析表

4 結論

正交試驗下可以得到較優組合，可以看出藥液噴射量為0.36L/min、藥液噴射時間為1s時，單籽率相對較高，丸化率最高，試驗結果與EDEM仿真結果一致。在包衣丸化設備中安裝分流板，然后對種子和藥液的混合進行實時控制可以有效提高種子丸化的單籽率和丸化率，并可以有效節省時間和藥液，達到了節能的目的。