番茄種子包衣丸粒化裝置的設計與試驗

孫 正，李樹君，苑嚴偉，張俊寧，董 鑫

(中國農業機械化科學研究院 土壤植物機器系統技術國家重點實驗室，北京 100083)

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番茄種子包衣丸粒化裝置的設計與試驗

孫 正，李樹君，苑嚴偉，張俊寧，董 鑫

(中國農業機械化科學研究院 土壤植物機器系統技術國家重點實驗室，北京 100083)

為解決番茄種子扁圓輕薄、人工播種效率低及無法機械化播種等問題，設計了一種番茄種子自動包衣丸粒化裝置，并利用該裝置進行了試驗。該裝置主要由喂料器、轉盤、滾筒、供液設備、控制箱及支座組成。在5g番茄種子與400 r/min的供液泵轉速條件下，以滾筒轉速、包衣時間、包衣劑質量及膠懸液體積為試驗因素進行了正交與回歸試驗，并通過DPS數據處理軟件對試驗數據進行統計分析，得出試驗范圍內試驗因素對丸粒化后種子抗壓強度、有仔率和單仔率等指標的影響規律。同時，優化確定了包衣裝置包衣丸粒化番茄種子的最佳參數組合：在滾筒轉速為500r/min、包衣時間為300s、包衣劑質量為55g及膠懸液體積為40mL時，抗壓強度、有仔率、單仔率分別為316.8 g、87%、93%。該研究可為番茄、辣椒等茄果科種子包衣丸粒化的研究提供參考。

番茄種子；包衣；丸粒化

0 引言

番茄味道鮮美，營養豐富，維生素C的含量較高，被稱為“蔬菜水果之王”。截止2014 年，我國番茄種植面積高達100萬hm2，是世界三大主要種植區域之一[1-3]。番茄種子千粒質量只有2.5～3.5g，單粒種子直徑不到1 mm，種皮表面布滿微絨毛，播種時容易相互粘連，且播種后發苗困難，成苗質量差。此外，我國番茄種植面積大，因此每年播種時造成的種量浪費也很大，特別是近年番茄種子價格上漲，由此帶來了巨大的經濟損失[4-7]。因此，通過種子丸粒化技術獲得顆粒大小均勻一致、飽滿健壯、可實現大面積精細化直播作業的優質商品種子已成為一種趨勢與必然。

國外研究者對種子丸粒化技術研究較早，從重型丸粒到結殼包衣，技術已相對成熟，加上國外一些發達國家的機械化程度高，不論在大田作物，還是在蔬菜、花卉作物上都廣泛地應用了種子丸化技術，且逐步建立了規范的丸粒化標準，如美國、西歐地區的甜菜種子都已實現丸化標準，特別在蔬菜、花卉等高成本種子上應用廣泛。目前，萵苣種子、甜菜種子等在歐美基本上都已實現丸粒化[3]。英國Germains公司的Spectracota旋轉式全系列包衣設備，包衣效率高，包衣劑混合均勻，但其喂料裝置結構復雜、整機尺寸偏大。美國Universal Coating Systems公司CCS系列離心種子包衣機直徑范圍為300～1 200mm，適合各類型種子的包衣丸粒化；但將喂料裝置設計在整體設備頂端，導致縱向尺寸過大，不利于操作。我國種子包衣技術起步晚，開始于20世紀80年代，先后對油菜、牧草種子進行了研究。中國農機院生產的5BW-50型種子丸粒包衣一體機在小麥、玉米及油菜種子包衣丸粒化效果較好，但無獨立的供液裝置。農業部農業機械試驗鑒定總站和農業部南京農業機械化研究所共同研制的5WH-150型種子丸粒化設備，加工能力強，自動化程度較高，但該機構結構復雜，并不適合番茄種子的包衣丸粒化[8-12]。

基于以上分析，本文提出了適用于番茄種子包衣丸粒化的裝置，并利用該裝置進行包衣丸化試驗。在包衣滾筒轉速、包衣時間、包衣劑質量和膠懸液體積試驗因素下，對抗壓強度、有仔率和單仔率進行試驗研究，并建立試驗因素與抗壓強度、有仔率、單仔率的數學模型，為開展番茄種子包衣丸粒化裝置研究提供參考。

1 設計原理及機構

1.1 總體設計與工作原理

番茄種子包衣丸粒化裝置主要由喂料器、滾筒、控制箱及支座等組成，如圖1所示。主要技術參數如表1所示。

工作時，種子和包衣劑由喂料器依次進入包衣機滾筒，電機驅動轉盤轉動，種子在揚料板作用下在滾筒內不斷升高落下；噴涂泵開始工作，源源不斷地呈霧狀往滾筒噴灑膠懸液，番茄種子與包衣劑、膠懸液充分接觸，形成包覆層；番茄種子質量逐漸增大，逐漸完成包衣丸化過程。

1.控制箱 2.支座 3.出料口 4.滾筒 5.喂料器圖1 包衣裝置結構簡圖Fig.1 Structure diagram of coating equipment表1 包衣機結構參數和工作參數Table 1 Structural and working parameters of coating machine

參數單位數值外形尺寸mm400×450×1200整機質量kg85最大種子包衣質量kg0.5供液量mL/min0～500滾筒轉速r/min0～800

1.2 葉輪精量喂料器設計

包衣劑是由不同物料混制而成的，顆粒度小。喂料裝置的設計要求是能夠將包衣劑均勻、定量地喂入滾筒。傳統攪龍喂料器易造成出料口阻塞，并不適合顆粒度細小的包衣劑，所以采用葉輪喂料器。喂料器主要由葉輪、電機、聯軸器及料斗等組成，如圖2所示。葉輪每一小格喂入包衣劑約為15mL，理論上葉輪每轉可喂入包衣劑150mL。

1.3 包衣機機械結構設計

包衣機主要由滾筒、電機、轉盤及揚料板等組成，如圖3所示。滾筒直徑為320mm，高度250mm,電機提供動力，功率為0.55kW，采用無級變速，轉速范圍為0～900r/min。

圖2 葉輪喂料器結構圖Fig.2 Structure diagram of impeller feeder

1.控制箱 2.電機 3.支架 4.轉盤 5.揚料板 6.滾筒圖3 包衣機結構簡圖Fig.3 Structure diagram of roller coating

揚料板結構簡圖如圖4所示。揚料板將種子揚起到一定高度，增加種子與包衣劑的接觸，由于揚料板的作用，并根據試驗中觀察到的軌跡，物料在滾筒內并不做圓周運動，而是做類似橢圓運動，物料運動軌跡如圖5所示。種子在滾筒內受到摩擦力、筒壁對種子的支反力及自身重力的共同作用，使得種子不斷地沿著筒壁做圓周運動；同時，種子也在筒壁處做自轉運動[13-16]。

圖4 揚料板結構簡圖Fig.4 Structure diagram of lifting panels

現對種子將要脫離揚料板時進行受力分析，A點上的種子所受作用力有自身重力G、法向支反力FN及摩擦力f，方向如圖5所示。

圖5 番茄種子包衣原理圖Fig.5 Schematic diagram of tomato seeds coating

滾筒轉速方向如圖5所示。假設種子在該點的速度達到最大，則種子受到的離心力達到最大值。在此臨界狀態下，種子處于相對平衡的狀態，則各個力在揚料板A點處切向和法向上投影的代數和為0，則

Fc-FN-Gcosθ=0

(1)

f-Gsinθ=0

(2)

式中 θ—重力G與支反力FN的夾角。

(3)

式中 r—A點的曲率；

v—瞬時線速。

番茄種子在脫離揚料板瞬間時法向支反力FN=0，則

(4)

又根據平拋運動得

(5)

s=vt

(6)

式中 t—種子在空中運動時間；

H—種子在空中運動高度；

s—種子在空中水平運動距離。

根據滾筒直徑和高度，估算出各參數最大值：r=0.09m，H=0.2m，s=0.17m。

由式(4)得出：瞬時線速度在曲率r確定時只與夾角θ有關；番茄種子離開揚料板后做近似平拋運動，瞬時線速度大，水平位移大，種子與包衣劑接觸機會大。但是，瞬時速度過大，則種子容易貼壁運動，不利于包衣丸化。根據式(4)～式(6)算出θ≈36°，圓整取θ=30°。

1.4 控制系統設計

控制系統的結構示意圖如圖6所示。該系統包括物料喂入的精量控制、膠懸液的精量喂入控制及包衣滾筒轉速的控制。

葉輪喂料器由直流電機驅動，可在一定時間內依次連續的喂入物料。減速電機型號為WS-60GA775F-5000，電壓DC24V，總長約為40mm，質量約為700g，額定轉速為15r/min。

圖6 控制系統結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of control system

膠懸液的精量控制采用多個獨立的計量泵連續供液來實現，可調節每秒喂入膠懸液的體積。選用蘭格精密蠕動泵，型號為BT300-2J，能提供0.07～1 140mL/min的流量范圍;控制方式有旋鈕控制，也支持RS485通訊功能及外控模擬量和脈沖控制；具有3位LED轉速顯示功能，轉速范圍為1～300r/min 正反轉可逆；工作電源為AC220V，并且此蠕動泵還具有掉電記憶功能。

丸化包衣時，滾筒轉速可由變頻器無級調速，即可預先設定好轉速，也可在包衣過程中隨時改變轉速。驅動轉盤轉動電機的功率為0.55kW，ABB變頻器的ACS355系列適用功率范圍為0.37～22kW，廣泛應用于食品加工行業，具有傳動和調速更加快速容易、占據空間更小的特點，提升了機柜的利用率。噴涂泵將由蠕動泵提供的膠懸液旋轉噴灑到滾筒內。

包衣機安裝有急停按鈕，當出現轉盤卡住或其他意外時可按此按鈕，包衣裝置立即停止工作。

2 試驗條件與方法

2.1 試驗條件與儀器

試驗材料為經過處理的番茄種子、自配的包衣劑,以及由水和聚乙二醇配制的膠懸液。

儀器包括秒表、大電子稱、精密電子稱、計算機、放大器等。

2.2 試驗方法

試驗前稱量番茄種子，用5 g番茄種子試驗，并按一定比例配制好包衣劑與膠懸液，噴涂泵轉速固定為400r/min。

試驗時，首先啟動電機，滾筒轉動；然后喂入番茄種子；噴涂泵開始呈霧狀往桶內噴射膠懸液，秒表計時3s后開始喂入包衣劑，滾筒高速轉動，種子、包衣劑將會隨之做離心運動，并逐漸丸化成丸。

試驗后，打開出料口，丸化后的種子將會從出料口流出，關掉包衣機開關，清理滾筒，為下一次試驗做準備。

2.3 試驗指標測定方法

1)有仔率：選用同一批次丸化后的番茄種子，隨機抽出50粒，人工碾碎丸化后的種子，統計有仔的粒數，重復取樣10次，取其平均值。

2)發芽率：選用同一批次丸化后的番茄種子，隨機抽出50粒，在相同的自然環境下，統計發芽的粒數，重復取樣10次，取其平均值。

3)單粒抗壓強度：選取4粒同一批次丸化后的番茄種子，放在水平工作臺上，4粒種子連線構成邊長為60mm的正方形；然后在種子上面放置一個厚度為2mm、邊長為80mm的正方形亞克力板，使正方形的邊與4粒種子構成的正方形的邊平行；在正方形亞克力板上以中心為對稱點均勻放置砝碼。當觀察到丸化后種子開裂時，統計砝碼與亞克力板的質量，除以4，即得到本次單粒抗壓強度。重復取樣測量10次，取其平均值，即為該批次丸化后種子的單粒抗壓強度。

3 試驗結果及分析

3.1 包衣丸化效果

番茄種子包衣前體積小、質量輕、表面粗糙不平；丸化后形狀規則、適合機械化播種。包衣前后效果如圖7所示。

圖7 番茄種子包衣前后對比圖Fig.7 Comparison diagram before and after coating of tomato seeds

3.2 正交試驗

本包衣裝置適用于番茄種子包衣丸化，其滾筒直徑和長度固定。包衣丸化性能主要由滾筒轉速A、包衣時間B、包衣劑質量C、膠懸液體積D決定。本試驗主要研究這4個參數對番茄種子包衣丸化性能的影響規律，并確定其取值。

采用正交試驗方法進行參數選優，正交試驗各因素編碼如表2所示。各因素的零水平是根據現有機型參數值和經驗值確定的。選用L9(34)正交表，試驗方案及試驗結果如表3所示。

表2 因素水平編碼表

表3 正交試驗方案及試驗結果表

利用DPS軟件對正交試驗數據進行極差分析，根據極差大小排出4個因素分布對3個指標影響的重要性的主次順序如下：抗壓強度ACDB;有仔率DBCA;發芽率DBCA。

用加權評分法對各性能指標進行加權評分，當抗壓強度、有仔率、發芽率的加權系數分別取0.3、0.3、0.4時，較優組合為：滾筒轉速500r/min，包衣時間300s，包衣劑質量60g，膠懸液體積50mL。

3.3 回歸試驗

回歸試驗設計能夠減少試驗次數，簡化回歸計算，獲得適用、可靠且質量高的回歸方程，為以后大量包衣丸粒化提供一個理論依據。本研究采用二次通用旋轉組合設計回歸試驗，以進一步提高預測精度。

正交試驗給出了滾筒轉速、包衣時間、包衣劑質量、膠懸液體積的較優組合。本試驗旨在建立包衣裝置各性能指標與試驗參數的關系模型，優化確定最佳參數組合。試驗因素編碼如表4所示，試驗方案及試驗結果如表5所示。

用加權評分法進行統計分析，當滾筒轉速、包衣時間、包衣劑質量、膠懸液體積的加權系數分別取0.3、0.3、0.4時，最佳參數組合為x1=0,x2=-2,x3=0,x4=0(即滾筒轉速為500r/min、包衣時間為300s、包衣劑質量為55g、膠懸液體積為40mL)，抗壓強度、有仔率、發芽率分別為316.8g、87%、93% 。

表4 回歸試驗編碼表

表5 回歸試驗方案與試驗結果

續表5

抗壓強度為

y1=318.21429+0.10417x1-1.35417x2-

0.93750x3-0.31250x4-2.28795x12-

1.03795x22-0.72545x32-1.97545x42+

0.15625x1x2-0.78125x1x3+2.03125x1x4+

2.65625x2x3+0.46875x2x4+0.78125x3x4

(7)

有仔率為

y2=0.89714-0.00792x1-0.00292x2-0.00708x3-

0.00042x4-0.00356x12-0.00731x22+

0.00019x32-0.00231x42+0.00437x1x2-

0.00187x1x3+0.00562x1x4+0.00687x2x3+

0.00312x2x4-0.00187x3x4

(8)

發芽率為

y3=0.89286+0.00042x1+0.00125x2-

0.00542x3-0.00125x4-0.00124x12+

0.00126x22-0.00374x32-0.00124x42+

0.00063x1x2+0.00063x1x3+0.00188x1x4+

0.00438x2x3+0.00313x2x4+0.00313x3x4

(9)

其中，x1為滾筒轉速；x2為包衣時間；x3為包衣劑質量；x4為膠懸液質量；y1為抗壓強度；y2為有仔率；y3為發芽率。

3.4 抗壓強度影響因素分析

抗壓強度是番茄種子丸化包衣的重要性能指標之一。由表5可知：不同的試驗參數下，抗壓強度值不同。借助抗壓強度回歸方程(7)，將4個變量中的3個固定于最優值，分析另一變量對抗壓強度的影響。

當x2=-2、x3=0、x4=0時，則

y1=316.76589-0.2083x1-2.28795x12

(10)

由式(10)可知：當x1在[-2 2] 變化時，抗壓強度y1值域為[308.03 316.77]。

當x1=0、x3=0、x4=0時，則

y1=318.21429-1.3542x2-1.03795x22

(11)

由式(11)可知：當x2在[-2 2]變化時，抗壓強度y1值域為[311.25 318.66]。

當x1=0、x2=-2、x4=0時，則

y1=316.74589-6.25x3-0.72545x32

(12)

由式(12)可知：當x3在[-2 2]變化時，抗壓強度y1值域為[301.34 330.21]。

當x1=0、x2=-2、x3=0時，則

y1=316.74589-1.2475x4-1.97545x42

(13)

由式(13)可知：當x4在[-2 2]變化時，抗壓強度y1值域為[306.35 316.94]。

由以上分析可知：當包衣劑質量變化時，抗壓強度變化最大。

3.5 有仔率影響因素分析

有仔率是番茄種子包衣丸化另一個重要的性能指標。根據有仔率回歸方程(8)，將4個變量中的3個固定于最優值，分析另一變量對有仔率的影響。

當x2=-2、x3=0、x4=0時，則

y2=0.87374-0.01666x1-0.00356x12

(14)

由式(14)可知：當x1在[-2 2]變化時，有仔率y2值域為[0.826 0.893]。

當x1=0、x3=0、x4=0時，則

y2=0.89714-0.00292x2-0.00731x22

(15)

由式(15)可知：當x2在[-2 2]變化時，有仔率y2值域為[0.862 0.897]。

當x1=0、x2=-2、x4=0時，則

y2=0.87374-0.02048x3+0.00019x32

(16)

由式(16)可知：當x3在[-2 2]變化時，有仔率y2值域為[0.833 0.915]。

當x1=0、x2=-2、x3=0時，則

y2=0.87374-0.00668x4-0.00124x42

(17)

由式(17)可知：當x4在[-2 2]變化時，有仔率y2值域為[0.855 0.883]。

由以上分析可知：包衣劑的質量變化對有仔率的影響最大。

4 結論

1) 研究了一種適合番茄種子包衣丸粒化試驗裝置，對其結構及特點進行了分析，并驗證了其可對番茄種子進行包衣丸粒化。

2) 分析了番茄種子包衣丸粒化技術特點及原理，結合試驗，得出在滾筒轉速為滾筒轉速為500 r/min、包衣時間為300s、包衣劑質量為55g、膠懸液體積為40mL時番茄種子包衣效果最優，且主要性能指標抗壓強度、有仔率、發芽率分別為316.8g、87%、93%。

3) 包衣機理論分析及試驗結果驗證了機構的準確性與合理性，且建立了因素與指標變化關系的數學模型，為以后進一步研究奠定基礎。

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Design and Experiment on Coating Granulation Equipment for Tomato Seeds

Sun Zheng, Li Shujun, Yuan Yanwei , Zhang Junning , Dong Xin

(Chinese Academy of Agriculture Mechanization Sciences, China State Key Laboratory of Soil Plant Machinery System Technology, Beijing 100083, China)

Coating granulation plays an important role in the process of seeds treatment, coating seeds can reduce the labor intensity, improve the production efficiency and ensure the germination rate. Tomato planting area is very large in China, and is one of three major planting area over the world. In 2014, the planting area was one million square hectare in China. However, at present, there is no proven technology available in tomato seeds coating, which brought about huge waste of seeds and caused a lot of economic losses. Therefore, it is very important and urgent to study the coating granulation technology for the tomato seeds. Based on the situation above, and in order to realize the mechanical sowing of the tomato seeds, the coating equipment was designed, suited for tomato seeds. The mechanism consisted of the feeder, roller, liquid supply device, a control box and support devices. The feeder transported regularly the tomato seeds and the coating agents into the roller, at the same time, the spray pump sprayed the liquid into the roller, and then the machine started coating granulation. Compared with the existing coating machine for tomato seeds, the mechanism proposed in this paper was simplified and its stability was improved. The whole structure was more compact and the roller speed was easier to control. Based on the analysis of structure features and working condition, its experiment model was established, and the compressive, containing seed rate and germination rate was analyzed. In order to obtain the best test parameters, quantitative coating experiment of tomato seeds was carried out. In the case of 5 g tomato seeds and 400r/min spray pump speed, the roller speed, coating time, coating agent weight and liquid suspension volume, which were supposed to be the main influence experiment factors, were researched in the orthogonal mesh size experiment. The orthogonal experiment provided the better combination of the four experiment factors. After the orthogonal mesh size experiment, the roller speed, coating time, coating agent weight and liquid suspension volume were researched in the regression testing. Then by using the DPS and other software, the statistical analysis of the experiment data was got. The influence of the roller speed, coating time, coating agent quality and liquid suspension volume on the compressive strength, the containing seed rate and the germination percentage was obtained. The optimal parameter combination is the roller speed of 500 r/min, the coating time of 300 s, the coating weight 55g, and the liquid suspension volume of 40mL.Accordingly, the compressive strength is 316.8g, the containing seed rate was 87%, and the germination percentage was 93%, which indicated that coating mechanism met the requirement of actual testing. The coating granulation experiment further proved that the mechanism could not only satisfy the demands of tomato seeds coating granulation, but also apply to other vegetable seeds, such chili seeds. The research method was also proved to be accurate. The study for the tomato seeds coating granulation provides very important theoretical basis and reference for the design, analysis and further study on other micro seeds.

tomato seeds; coating; coating granulation

2016-04-25

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAD19B03)

孫 正(1989-),男，江蘇宿遷人，碩士研究生，(E-mail) sqsz6@126.com。

李樹君(1963-)，男，北京人，研究員，博士生導師，(E-mail)lisj@caams.Org.cn。

S223.1+2

A

1003-188X(2017)06-0162-08