基于振動力場下牧草種子丸粒化包衣機的設計

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

草原是我國重要的植被類型之一，也是重要的可更新資源和草地畜牧業基地。在我國內蒙古地區，當地牧民過度放牧，導致草原退化嚴重。因此，人工保護草原，噴播種子很有必要。種子是植物成活的基礎，對種子的處理成為噴播前的重要準備工作，設計一種適合輕小型牧草種子的丸粒化包衣機具有實用價值。

我國現有的牧草種子包衣機普遍存在丸化率低及多籽率高的缺點[1]，且目前大多數的種子包衣機不適合小粒牧草種子的包衣，有部分小粒種子的牧草包衣機，包衣率極其低下[2]，不適合包衣機的推廣應用。所以，本設計增加了混料室和振動力場，旨在提高牧草種子包衣的單籽率和丸化率。

種子丸粒化是在種子包衣技術基礎上發展起來的一項適應精細播種需要的農業高新技術，是用特制的丸粒化材料通過機械加工，制成表面光滑、大小均勻、顆粒增大的丸粒化種子，以便人工與機械化精量播種技術進行數量的掌握[3-5]。

1 總體結構及工作原理

1.1 整體結構

該機總體結構包括機架、供料裝置、稱重裝置、混料室、包衣裝置及除塵裝置等機構，如圖1所示。

1.供液系統 2.除塵裝置 3.混料室 4.稱重裝置 5.供種料斗 6.供粉料斗 7.控制面板 8.丸化裝置

1.2 工作原理

供料部分為丸粒化包衣機提供種子、粉料和粘合劑。為了實現精量供種，設計了稱重供料機構。混料室可以實現在種子未進入丸化室前包裹一層粉料，大大提高丸化效率，又可以吹散粘在一起的種子，提高種子包衣的單籽率。種子出了混料室后進入丸化包衣鍋，激振器將振動力傳遞給鍋體，使種子在包衣鍋粉料內蠕動。振動可以使粘結在種子上的粉料壓實，提高丸化種子的抗壓強度。除塵器可以清除包衣鍋內被氣送漂浮在空中的粉塵。各系統連續工作，實現種子包衣機的丸化包衣。

1.3 主要技術參數

主要技術參數如下：

外形尺寸(長×寬×高)/mm：1 200×650×1 300

丸化率/%：78

生產率/ t·h-1：0.000 6

破損率/%：8

種料比：1∶5

2 主要工作部件設計

2.1 丸化包衣鍋的設計

丸粒化包衣鍋構成包衣機的主要部分，主要由驅動電機、傾角調整機構、激振器和包衣鍋組成，如圖2所示。為了更好地傳遞振動，把激振器安裝在驅動電機和包衣鍋之間，減震裝置為倒置的減震彈簧，對激振器產生的激振力起緩沖作用。傾角調整機構的電機減速器采用蝸輪蝸桿減速，可以對包衣鍋角度進行自鎖，避免在工作時角度改變，影響丸化率。包衣鍋主要的工作參數如表1所示。利用ansys中的workbench軟件對機架進行受力分析，機架主要受到包衣鍋整體重力的作用，對機架兩側施加重力作用，觀察材料的變形情況(見圖3)，可以發現機架所受到最大的力在機架的底部，且小于材料的許用應力，機架結構強度滿足要求。

1.包衣鍋 2.激振器 3.驅動電機 4.傾角調整機構 5.機架

(a) 機架應力分布圖

(b) 機架變形圖

項目單位設置包衣鍋轉速r/min45包衣鍋傾斜角度(°)45包衣鍋振動頻率Hz30包衣鍋最大直徑mm400包衣鍋口徑mm200包衣鍋振動加速度m/s29.1

2.2 混料室的設計

混料室如圖4所示。

1.撥盤步進電機 2.稱重盤 3.風機扇葉 4.噴頭 5.混料室 6.風機電機

種子從稱重盤落下，當種子落進混料室時，風機會吹著噴頭噴出的藥液粘附在種子表面(噴頭采用霧化噴頭)，由于種子比藥液要重，所以在混料室內會與藥液充分地混合；包裹了藥液的種子被風傳送到混料室的盡頭，此處，粉料由另一端開口處下落，與種子混合，多余的粉料與包裹了一層粉料的種子一起從下端落進丸化包衣鍋進行丸化處理。

混料室滾筒直徑300mm，長度500mm，可連續噴藥供粉。混料室做成臥式，避免了傳統的立式滾筒噴藥時，藥液順滾筒內壁滑進包衣鍋內，增加包衣無籽率。立式混料室設計中，種子由于自身重力在混料室內時間較短，導致接觸藥液不充分，所以將混料室設計成橫置。

2.3 除塵器的設計

除塵分離器由3級分離器組成(分離器內正壓輸送)，如圖5所示。含塵氣體由1處進入分離器，進口速度約為8m/s[6]，氣體遇擋板后，較大的粉塵及種子會在重力作用下下落，較小的粉塵微粒會進到下一級分離器，粉塵進入旋風分離器2，可以分離5～10μm以上的微粒。設置第1級分離器的目的：把粉粒按粒徑分離開，就可以設置合理的進口氣速，恰好分離該粒徑的粉塵，氣速過小時分離效率不高；而氣速過高時，易產生渦流和返混現象。粉塵在A處導流旋起，在離心力的作用下，進入倒錐型部分B，半徑越來越小，則旋轉速度逐漸增加，受到的離心力增大；到達底處，濃度大的氣體下沉，濃度小的氣體在渦流罩C的作用下上揚(旋風分離器內的氣流以內旋旋轉時，會在錐底形成升力，如果下部密封不好，氣體會竄入容器內使分離效果不好，所以設計渦流罩)，濃度大的氣體會有少量氣體進入下一回流腔D；在這里氣體會擴容降速釋放粉塵顆粒，濃度低的氣體會上起進入下一布袋分離器，布袋分離器可以分離小于5μm的微粒(前兩級除塵，過濾較大粒徑，減輕布袋分離器負擔，否則，空氣比較潮濕，或者在粉塵與濾布之間、粉塵與粉塵之間粘結。因此，可以減少堵袋的可能性，大大提高除塵效率)；布袋掛在掛鉤E處，與出氣口有一定的距離供粉塵下落，粉塵粘結在布袋上，達到一定質量后會下落到斜滑板上，由F口處排出，其余氣體則有G口處排出，G口處裝有農藥過濾器(顆粒較小不會出現堵袋)。對除塵器進口用fluent軟件進行分析(見圖6)，可以看到氣固兩相流根據預設的軌道進行運動，隨即進入離心力分離器，實現氣固的分離。

圖5 除塵分離器

(a) 氣體在分離器中的矢量圖

(b) 氣體在分離器中的云圖

3 樣機實驗及分析

對該樣機進行試驗分析，試驗安排在室內，該試驗一共分為6組，保持包衣鍋轉速和包衣鍋傾斜角度不變，改變振動強度做對照試驗，得出具體數據如表2所示。

表2 包衣丸化率對照試驗

分析6組試驗的丸化率、有籽率和單籽率的平均值，如圖7所示。

圖7 對照試驗圖

本設計的創新點：①對種子進行預包衣處理，加入混料室，大大提高了包衣效率。②混料室內對種子進行風送處理，吹散粘結在一塊的種子，大大提高了單籽率；混料室橫置，解決了無籽率高的問題。③對丸化室加入振動力場，使包衣種子抗壓強度提高，提高包衣丸化效率。

4 結論

1)針對牧草種子設計的這種輕小型牧草種子丸化包衣機大大提高了包衣效率，并以合理的結構清除了粉塵、農藥等對人體的危害。

2)通過6組振動強度但因素對照試驗，可以清晰地看出：合理加入振動的牧草種子包衣機會大大提高種子丸化率。即振動強度為21%時(振動加速度約為9m/s2)，丸化率接近80%。