牧草種子丸粒化包衣機(jī)種液實時混合系統(tǒng)的設(shè)計

弭龍凱，侯占峰，陳 智，邵志威，仇 義，牛文彩，陳利杰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(fā)展起來的一項新型種子加工方法，已成為現(xiàn)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(qiáng)度等物理機(jī)械特性，為小粒種子、不規(guī)則種子的機(jī)械化精量噴播創(chuàng)造條件，同時對實現(xiàn)播前植保、促進(jìn)草籽生長、節(jié)本增效和保護(hù)環(huán)境有著重要現(xiàn)實意義[2]。

目前，種子包衣機(jī)多采用在包衣鍋內(nèi)進(jìn)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(guī)則的小粒種子包衣設(shè)備極少，自動化程度低，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且包衣后種子單籽率低。因此，設(shè)計了一種自動化的種液實時混合系統(tǒng)[3]，可保證種子供給量和粘和劑供給量的精準(zhǔn)化，實現(xiàn)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(nèi)進(jìn)行移到包衣鍋外，不需要種子和粘和劑在包衣鍋內(nèi)的混合，在種子進(jìn)入包衣鍋的過程中就可以實現(xiàn)種子與粘和劑混合的過程，有效降低了種與種之間粘結(jié)的機(jī)率。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)計原理

目前，市面上可見的牧草種子丸化機(jī)種液混合多在包衣鍋內(nèi)進(jìn)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(shè)計了一種牧草種子丸粒化包衣機(jī)的種液實時混合系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(xiàn)自動控制，有效減輕操作者的疲勞強(qiáng)度，提高牧草種子丸化效果和減少丸化時間。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

牧草種子丸化機(jī)供種供藥系統(tǒng)主要由料斗、供料機(jī)構(gòu)、供藥機(jī)構(gòu)、分流盤、種液混合機(jī)構(gòu)等組成[4]，如圖1所示。牧草種植丸粒化包衣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

1.粉料進(jìn)料口 2.進(jìn)料口閥門 3.稱重系統(tǒng) 4.步進(jìn)電機(jī)

項目單位參數(shù)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(chǎn)率kg/h1.2機(jī)器質(zhì)量kg45

1.3 工作原理

種子和粉料經(jīng)提升機(jī)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(diào)節(jié)閥調(diào)整到要求的喂入量，實現(xiàn)定量進(jìn)料，種子經(jīng)過稱重系統(tǒng)，進(jìn)行稱重，精準(zhǔn)下料；同時，藥液根據(jù)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(jī)的帶動下泵送到噴頭進(jìn)行霧化；這時，種子經(jīng)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(jìn)行接觸，使藥液在種子表面成膜；然后，包好藥劑的種子進(jìn)入到包衣鍋內(nèi)，同時粉料根據(jù)種子的量進(jìn)行稱重下料，粉料通過氣力粉料輸送管送到包衣鍋內(nèi)，與種子進(jìn)行混合。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與工作參數(shù)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(jié)過程進(jìn)行仿真，分析牧草種子在分流板內(nèi)的運動軌跡、經(jīng)過每個下料口的種子量和進(jìn)過下料口后種子和藥液的粘結(jié)過程，從而得到牧草種子與藥液的粘結(jié)運動規(guī)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(jìn)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(dǎo)向槽，每一排分流導(dǎo)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(dǎo)向槽攤鋪面總體呈現(xiàn)為圓心角為20°、半徑為115cm的圓弧。

圖2 分流導(dǎo)向槽

圖3 分流導(dǎo)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(tǒng)建立時將冰草種子籽粒簡化為具有同體性質(zhì)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(shù)[6]如表2所示。

2.2 種子和藥液運動仿真

2.2.1 試驗參數(shù)設(shè)定

為探究牧草種子在分流板內(nèi)的運動規(guī)律，在分流板入口設(shè)置一個種子模型產(chǎn)生平面，大小為50mm×100mm，種子的初速度方向為Z軸負(fù)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(tài)生成，種子顆粒間碰撞會在多粒種子間同時產(chǎn)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(jù)實驗修正設(shè)置種子顆粒與種子顆粒恢復(fù)因數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動摩擦因數(shù)為0.65、0.396、0.015，種子顆粒與幾何體的恢復(fù)因數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動摩擦因數(shù)為0.45、0.5、0.05[8]。

圖4 冰草種子模型

參數(shù)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(shè)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(dāng)時間為0.84s時，第1排分流導(dǎo)向槽已經(jīng)有種子顆粒經(jīng)過分流板出口，第2排分流導(dǎo)向槽面的種子已經(jīng)接近分流板出口，第3排和第4排分流導(dǎo)向槽里的種子還沒有到達(dá)分流板出口。由圖5可以得出：種子在經(jīng)過分流板后下落的時間不同，第1排分流導(dǎo)向槽內(nèi)的種子顆粒先下落至種液混合處，以此類推，依次到達(dá)。根據(jù)種子到達(dá)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(jié)過程仿真

種子進(jìn)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(yīng)排的噴頭進(jìn)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(jié)分布圖 (b) 種液粘結(jié)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(zhì)量的變化曲線，如圖7所示。

2.3 仿真結(jié)果分析

在0～1.47s時，種子經(jīng)過分流板還未到達(dá)藥液噴射面，種子顆粒未與藥液進(jìn)行粘結(jié)，故種子顆粒質(zhì)量沒有變化。當(dāng)藥液的噴射量為0.12L/min時，被標(biāo)記顆粒的質(zhì)量在1.4～3s中增加的比較快，在3s以后質(zhì)量維持在3.22mg左右。當(dāng)藥液噴射量為0.24L/min時，被標(biāo)記顆粒的質(zhì)量在1.4～2.7s中增加迅速，在2.7s之后質(zhì)量維持在3.3mg左右。當(dāng)藥液的噴射量為0.36L/min時，被標(biāo)記顆粒質(zhì)量在1.4～2.5s中增加較快，在2.5s之后維持在3.4mg左右。當(dāng)藥液噴射量為0.48L/min時，被標(biāo)記顆粒的質(zhì)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(dāng)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(jié)上最多的藥液(0.6mg藥液)。分析原因，當(dāng)藥液噴射量低于0.36L/min時藥液與種子顆粒接觸的機(jī)會相對較少。當(dāng)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(dāng)種子表面粘結(jié)到0.6mg的藥液后將沒有空間去粘結(jié)更多的藥液。

3 試驗與分析

依據(jù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行16組試驗，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 實驗結(jié)果分析表

4 結(jié)論

正交試驗下可以得到較優(yōu)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(jié)果與EDEM仿真結(jié)果一致。在包衣丸化設(shè)備中安裝分流板，然后對種子和藥液的混合進(jìn)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(jié)省時間和藥液，達(dá)到了節(jié)能的目的。