小顆粒種子顆粒化裝置設計

王道明WANG Dao-ming

（河南省南陽工業學校機電技術專業，南陽473003）

0 引言

種子是農業的“芯片”，其質量對農作物的發芽率至關重要，影響種子的發芽率因素有種子自身質量以及后期的處理和培育環境等。種子后期處理在天然的培育環境通常不是很好，種子的生長發育，往往需要人工追肥來提供后續所需營養成分，也需要定期打藥防蟲保苗，增加“免疫抵抗力”。而把種子用養料、農藥和一系列生長激素以及一些助黏材料包裹成顆粒，能夠較好地解決天然環境下直接培育種子養分不足需定期追肥，打藥防蟲保苗等問題。又因為種子顆粒化以后體積增大數倍，有利于提高種子機械化播種的精準精量程度。最終實現節約播種時的用種數量、提高種子的發芽率、降低生產成本、增加農業生產效益的目的[1-3]。

通過實驗對經過顆粒化包衣加工處理和未經過顆粒化包衣加工處理的小茴香、上海青的同產量下種子播種數目、種子發芽率以及后期植保情況對比分析，得到如下結果：①同等產量下經過顆粒化包衣加工處理的種子可以節約30%以上；②經過顆粒化包衣加工處理的種子可以提高25%以上；③經過顆粒化包衣加工處理的種子可降低農作物幼苗期周期內植保次數1～2 次[4-6]。

針對當前國內外現有的小型顆粒化設備生產過程不連續，顆粒化規格不均勻，能耗高；大型顆粒化設備雖然可以連續化生產，但生產工序繁瑣，體積龐大，不適用于中小型企業等現狀，并針對種子顆粒化設備易出現多空籽率、空籽率高，供粉不均、噴霧不勻、滴漏嚴重，能耗高，出料不順等問題，借鑒國內外已有種子顆粒化加工相關研究經驗，研究開發出適宜于目前我國農業生產發展實際的連續型小顆粒種子（蔬菜、煙草、牧草級）顆粒化加工技術裝備[7-12]。

1 方案設計

借鑒吸收與自主創新結合，吸取甩盤式顆粒化包衣機的優點—顆粒化包衣層效果更好，加工更快耗時短；改良傾斜轉釜式顆粒化包衣機的缺點—效率低，規格不均勻，且不易操作，針對性設計了一款螺旋缸式連續型小顆粒種子顆粒化裝備如圖1 所示。小顆粒種子顆粒化裝置主要由顆粒化模塊、供料模塊、振動篩選模塊、傳動模塊、平衡模塊等組成。

圖1 整體方案圖

在顆粒化的過程中，如果提前達到規格的種子不能及時排出，長時間既會導致顆粒化規格超標，浪費原材料，又增加了機器的能耗。為實現能即時篩選排除已達到規格的顆粒化種子，并在排出已達標顆粒化種子的同時又能加入新的種子進行顆粒化加工，從而實現顆粒化過程連續性，考慮利用離心力和重力讓種子滾動起來，并在其過程中進行篩選。設計結構原理圖如圖2。

圖2 顆粒化原理圖

其工作原理：上缸蓋通過吊環與機架柔性連接，篩子通過百葉與上缸蓋連接，都是不作旋轉運動的，只有螺旋缸作高速旋轉運動。工作時，電機驅動螺旋缸高速旋轉；包衣劑、膠懸液、農藥以及熱風由螺旋缸中軸部供給；種子由儲料倉喂料器定量不間斷進入包衣機螺旋缸，在離心力作用下種子沿著螺旋翻板（如圖3 所示）被送到頂部，由慣性沿著缸蓋內壁從螺旋缸中軸線部分落下，途徑振動篩選篩，最終落回缸底部，以此反復循環，此過程中供給源源不斷地霧狀膠懸液、包衣劑以及熱風，小顆粒種子與包衣劑、膠懸液充分接觸，形成包覆層；小顆粒種子顆粒直徑逐漸增大，當顆粒直徑達到震動篩選篩的孔徑時被篩選出缸，完成顆粒化過程。

圖3 種子顆粒化加工路線圖

Ostwald Ripening 是一種材料生長的機理，簡單點說就是材料從分子階段開始，首先形成一定尺寸的晶核，然后所有的分子都依附于晶核生長，晶核會生長的越來越大。小顆粒種子顆粒化加工過程就類似于Ostwald Ripening，小顆粒種子可以看作“晶核”，包衣劑和膠懸液可以看作“分子”，包衣劑和膠懸液“分子”依附于種子“晶核”生長，種子“晶核”會生長的越來越大，達到顆粒化。為了避免新加入的小顆粒種子充當“分子”依附于已有一定顆粒化程度的種子“晶核”形成多“晶核”種子的現象，即降低多籽率。采用分級的方法，即將最終要達到的規格尺寸劃分成多次顆粒化，根據顆粒化規格，可分2~3 級。

2 關鍵功能裝置設計

2.1 供粉裝置設計

粉劑塵埃的供粉裝置，主要有粉倉、支撐架、過濾器、調整閥芯和專用鼓風機組成如圖4 所示，過濾器通過支撐架固定在粉倉底部中間，上端通過軟管與專用鼓風機吸氣口鏈接，下端穿過粉倉底部暴露于空氣中，過濾閥芯由過濾網底部進入，并可通過扣環螺母人工調整位置。同時為防止架粉，粉倉側壁可設置電磁振蕩器。

圖4 供粉裝置原理圖

其原理就是在專用鼓風機的吸氣端提供粉劑，使專用鼓風機吹進螺旋杠內的空氣夾帶著包衣粉劑的粉塵，實現供粉的功能。由于鼓風機功率一定，即單位時間內吸氣端吸入體積一定，吸氣端口過濾器進粉口數量又一定，調整過濾器內閥芯的位置，改變專用鼓風機吸氣端口進氣口的數量，方可實現調整排出的空氣中粉劑含量，即供粉量可調。

讓粉劑懸浮于空氣中，以輸送空氣塵埃的方式實現供粉，可確保供粉均勻，有效避免空籽顆粒。工作時，粉倉中倒入包衣粉劑材料，通上電源專用鼓風機得電，在鼓風機的吸引作用下可將包衣粉劑粉塵通過輸送管道送至螺旋缸中，調整專用鼓風機吸氣端口調整閥芯的位置改變供粉量。

2.2 供液裝置設計

供液系統主要由儲液桶、液壓泵、電磁閥、過濾器、排壓閥、超聲波霧化噴頭以及銜接管件等組成。其工作原理為采用超聲波霧化噴頭將膠懸液、農藥和液肥等原料超霧化后均勻的噴在種子表面，以利于后續包裹原料均勻附著。其供液裝置示意圖如圖5 所示。

圖5 供液裝置示意圖

該小顆粒種子顆粒化裝置的供液系統設有3 個儲液桶，分別用于存放膠懸液、農藥、養料等液體。其系統工作時，3 個電磁閥控制分別控制3 個儲液，液體在液壓泵的作用下，經過電磁閥控制沿著管道流至超聲波防滴噴頭霧化后噴至螺旋缸內。

2.3 振動篩選模塊設計

因為在整個顆粒化過程中，種子在缸內每一次的循環，都要經過篩子篩選，靜止不動的篩子在篩選過程中極易出現種子堵塞、架種等現象。故給篩子提供一定頻率的振動是必須的。可以在篩子上安裝一個電磁振蕩器，由電磁振蕩器來提供一定頻率的震動，或者通過一個機械結構來滿足要求，原理如圖6。

圖6 振動篩選原理圖

其工作原理：上缸蓋通過吊環與機架柔性連接，篩子通過百頁與上缸蓋連接，都是不作旋轉運動的，只有螺旋缸高速旋轉，且其外圍均勻分布焊接了幾個突起棒料。傳震桿一端套于篩柄上，一端接觸于螺旋缸外壁，這樣螺旋缸高速旋轉以后，傳震桿就會以一定周期頻率作上下小幅震動，即可給篩子提供震動，實現振動篩選。

3 其他裝置設計

3.1 傳動裝置設計

軸固定用兩個角接觸球軸承軸承采用背對背安裝，增加軸承受熱膨脹軸向游隙間距，防止工作時間過長，軸承受熱膨脹，出現卡死現象。

設備轉速相對較高，傳動比要求不精確，也沒有別的特殊要求，故采用V 帶傳動。其工作狀態平穩，噪音低，結構簡單，制造容易，維護方便，成本低。而且V 帶良好的彈性既能吸振緩沖又具有過載保護作用。

電機選型，該設備空載狀態啟動，從開始到結束整個工作過程電機一直處于單向、連續運轉，而且系統載荷平穩，故選擇Y 系列三相異步電動機。電機帶動第一級螺旋缸，第一級螺旋缸帶動第二級螺旋缸，故計算電動機輸出功率時，在先不考慮第二級螺旋缸的基礎上，以第一級螺旋缸來校核計算電動機輸出功率Pd1，再將第一級螺旋缸看作空載，以第二級螺旋缸來校核計算電動機輸出功率Pd2，則電動機輸出功率即為Pd=Pd1+Pd2。選擇電機額定功率Ped為5.5kW，轉速為1500r/min，選定電動機型號為Y132S-4，其滿載轉速nm=1440r/min。

3.2 平衡模塊設計

由于第一級螺旋缸的空心軸較長，在顆粒化加工過程中，整個旋轉系統的質心不一定在回轉軸線上，將導致旋轉擺動，系統不穩定，如果不加以制止，擺動會愈加劇烈，影響顆粒化加工效果，又極大降低了裝備的使用壽命，故需對第一級螺旋缸徑向限位。

3.3 烘干模塊設計

烘干方式采用低溫熱風，可以單獨設置烘干裝置模塊，考慮整體設計結構緊湊性，本課題采用將烘干裝置模塊融入供粉模塊里面，可在專用鼓風機的吸氣端進氣口前端設置電阻絲加熱器，風管與粉劑輸送為同一管道，在管內可安裝溫度傳感器，將出風口溫度限制在60℃以下。且為了防止風管管道被氧氣氧化腐蝕，需在風管外表面需進行鍍鉻電化學處理。這樣熱風與粉劑同時進入螺旋缸內，既實現供粉功能，又得以烘干加速顆粒化進程。

4 結語

適用于中小型企業等現狀，設計適宜于我國農業生產實際的小顆粒種子顆粒化加工處理設備。利用高速旋轉產生的離心力和自身的重力，讓種子在充滿著顆粒化粉劑的粉塵和懸浮霧狀膠懸液、農藥、液肥的螺旋缸內上下不停翻滾，并在其下落過程中進行篩選，將其已達標的種子即時排出，進入下一級的顆粒化加工過程，直至達到最終的顆粒化規格要求，完成整個顆粒化加工過程。

與現有技術設備相比，該設備實現了種子顆粒化加工的連續性，極大地降低了機器的能耗，減少原材料的浪費，并且種子包裹原料供粉噴霧均勻、顆粒空種率低、種子包裹材料黏著度質量高以及生產效率高等優點。種子顆粒化的質量與很多因素有關，如丸衣劑的選擇和配比，螺旋缸的轉速和翻板的螺旋角度，烘干溫度和時間等。如何進一步優化種子顆粒化加工工藝，提高設備加工處理能力，研究以上因素對顆粒化效果的影響程度是今后繼續提升完善的重點內容。