基于振動(dòng)作用的牧草種子丸化包衣參數(shù)的試驗(yàn)研究

陳利杰，陳 智，侯占峰，仇 義，邵志威，弭龍凱，牛文彩

(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

種子是作物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，是農(nóng)業(yè)豐收的重要保證[1]。隨著農(nóng)業(yè)新技術(shù)的推進(jìn)，大量?jī)?yōu)良的種子已經(jīng)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的豐收奠定了很好的基礎(chǔ)。當(dāng)前，為了更好發(fā)揮種子的優(yōu)勢(shì),防止種子播入土壤后受到土壤中病蟲的侵蝕而影響種子發(fā)芽出苗[2]，并使作物能適應(yīng)不同地區(qū)的土壤條件，還需要為種子提供所需的微量元素。所以，現(xiàn)已大量采用種子包衣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)種子優(yōu)良工程。

種子丸化是一種新型種子加工技術(shù)，是將農(nóng)藥、肥料、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、殺菌劑、保水劑及成膜劑等有效成分[3]利用種子丸化設(shè)備均勻地包裹到種子表面。種子丸化技術(shù)使質(zhì)量較輕或表面不規(guī)則的種子具有一定強(qiáng)度、形狀、質(zhì)量，從而達(dá)到小種子大粒化、輕種子重?；⒉灰?guī)則種子規(guī)則化的效果，并顯著提高了種子對(duì)不良環(huán)境的抵抗能力。采用丸化加工是實(shí)現(xiàn)小粒種子、不規(guī)則種子精量播種的重要措施，對(duì)實(shí)現(xiàn)播前植保、保證播種質(zhì)量的提高及播后種子的生長(zhǎng)發(fā)育能力具有重要作用。

目前，種子包衣機(jī)多采用滾筒旋轉(zhuǎn)或螺旋攪拌的方式對(duì)種子進(jìn)行包衣，適合大粒的田間種子，包衣、上光率高[4]，但丸化率低。目前，針對(duì)牧草這種不規(guī)則的小粒種子的包衣設(shè)備極少。為此，設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)加旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的種子丸化包衣裝置[5]，對(duì)加濕后的種子進(jìn)行丸化包衣，通過改變包衣鍋的轉(zhuǎn)速、傾斜角及振動(dòng)加速度來找到最佳的包衣參數(shù)，以提高丸化包衣率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

1.1.1 整體結(jié)構(gòu)

丸化包衣裝置主要由振動(dòng)源、支撐裝置、包衣鍋、旋轉(zhuǎn)電機(jī)及傾角可調(diào)裝置組成[6]，如圖1所示。

1.振動(dòng)源 2.支撐裝置 3.包衣鍋 4.旋轉(zhuǎn)電機(jī) 5.傾角可調(diào)裝置

包衣鍋呈平底圓柱形，底部設(shè)有出料口，支撐裝置由3根支撐桿、支撐軸及支撐軸承組成；旋轉(zhuǎn)電機(jī)與變頻器相連[7]，能夠使包衣鍋實(shí)現(xiàn)無極變速；通過改變振動(dòng)源的振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度，可以調(diào)節(jié)包衣鍋的振動(dòng)加速度，傾角可調(diào)裝置能夠使包衣鍋的傾斜角發(fā)生變化。

1.1.2 傾角調(diào)節(jié)裝置

傳統(tǒng)包衣機(jī)的傾角只能通過轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠小角度調(diào)節(jié)，不能適應(yīng)各類種子對(duì)不同角度的要求[8]。本設(shè)計(jì)的包衣鍋傾角可調(diào)裝置能夠使包衣鍋的傾角在0°～90°之間改變，以滿足各類種子對(duì)角度的需求,如圖2所示。

1.直角板 2.導(dǎo)軌滑板 3.圓柱銷 4.導(dǎo)向銷塊

支撐裝置中的支撐軸與支撐桿之間距離一定，當(dāng)導(dǎo)向滑塊沿支撐桿向下滑動(dòng)時(shí)，使導(dǎo)軌滑板繞圓柱銷轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)直角板沿導(dǎo)軌滑板向下滑動(dòng)一定的距離，帶動(dòng)電機(jī)和包衣鍋繞支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。當(dāng)導(dǎo)向銷塊向下移動(dòng)81.6mm時(shí)，包衣鍋傾斜30°；向下移動(dòng)99.1mm時(shí)，包衣鍋傾斜35°；向下移動(dòng)118.7mm時(shí)，包衣鍋傾斜40°；向下移動(dòng)141.5mm時(shí)，包衣鍋傾斜45°。以此類推，可以得到各個(gè)角度時(shí)導(dǎo)向滑塊移動(dòng)的距離。

1.2 試驗(yàn)材料與條件

1.2.1試驗(yàn)材料

由于凈度為99%的牧草冰草種子，丸化的粉料是500目的硅藻土、鈉基、滑石粉、膨潤(rùn)土的混合物[8]，丸化的液劑是質(zhì)量濃度為1.5%的羧甲基纖維素、聚乙烯醇的水溶液[9]。

1.2.2 試驗(yàn)條件

在本文設(shè)計(jì)的基于振動(dòng)作用的牧草種子丸化包衣裝置上，對(duì)50g的牧草冰草種子進(jìn)行丸化包衣，由預(yù)試驗(yàn)和實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)確定出種子和營(yíng)養(yǎng)土的比例、種子和黏合劑的比例[10]，以及丸化包衣的振動(dòng)加速度、傾斜角、速度的范圍[11]。

1.3 試驗(yàn)方法

將稱量后的牧草冰草種子放入包衣鍋內(nèi)，包衣鍋在電機(jī)的帶動(dòng)下開始旋轉(zhuǎn)；調(diào)節(jié)包衣鍋的轉(zhuǎn)速和傾斜角，選擇合適的振動(dòng)加速度，加入適量的高壓霧化種衣劑，使種子的表面形成一層種衣膜[12]，加入一定量的營(yíng)養(yǎng)土[13]，種子、營(yíng)養(yǎng)土隨著包衣鍋旋轉(zhuǎn)、翻滾、摩擦、滑移，在振動(dòng)源的作用下振動(dòng)、碰撞，最終在種子的表面形成包衣膜；如此往復(fù)進(jìn)行數(shù)次,種子逐漸包裹變大,成為丸粒[14]。

1.4 種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

種子在包衣鍋內(nèi)依靠鍋體的摩擦力，隨著鍋體上升到一定的高度，在重力的作用下下落，增加了種子與種衣劑接觸的機(jī)會(huì)[15]；種子與種子之間摩擦、翻滾，種子與營(yíng)養(yǎng)土之間滑移、碰撞，在振動(dòng)力場(chǎng)的作用下增加了摩擦、翻滾、碰撞、滑移的次數(shù)，使得營(yíng)養(yǎng)土更加充分地粘附在種子表面，形成包衣層，提高丸化包衣率，如圖3所示。

圖3 種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

2 結(jié)果與分析

2.1 振動(dòng)加速度的確定

不同振動(dòng)加速度下的丸化包衣情況和折線圖如表1和圖4所示。由表1和圖4可以看出：當(dāng)鍋體的轉(zhuǎn)速為49r/min、傾斜角為45°時(shí)，丸化率隨著振動(dòng)加速度先增大后減小。振動(dòng)加速度太小時(shí)，種子與營(yíng)養(yǎng)土之間摩擦、滑移的次數(shù)就少，營(yíng)養(yǎng)土不易包裹在種子表面，種子與種子之間碰撞、摩擦小，容易形成大顆粒[16]；振動(dòng)加速度過大時(shí)，種子與種子之間摩擦、碰撞嚴(yán)重，營(yíng)養(yǎng)土反而不能包裹在種子表面。

表1 不同振動(dòng)加速度下的丸化包衣情況

圖4 不同振動(dòng)加速度下的丸化包衣折線圖

沒有振動(dòng)時(shí)，丸化率僅為44.9%；加入振動(dòng)后，丸化率依次為64.9%、70.9%、77.5%、67.9%、55.7%，分別提高了20%、26%、32.6%、23%、10.8%，最少提高了10.8%，最大提高了32.6%。所以，加入振動(dòng)后，種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)良好，丸化率明顯上升。當(dāng)振動(dòng)加速度為11.3mm/s2時(shí)，丸化率達(dá)到最大值77.5%。 由此可知，加入振動(dòng)是非常必要的。

2.2 傾斜角的確定

不同傾斜角下的丸化包衣情況和折線圖如表2和圖5所示。由表2和圖5可以看出：當(dāng)鍋體的轉(zhuǎn)速為49r/min、振動(dòng)加速度為11.3mm/s2時(shí)，丸化率隨著傾斜角先增大后減小；包衣鍋的傾斜角太大時(shí)，種子都很難隨著鍋體上升到一定高度[17]，減少了種子與種衣劑的接觸及種子與種子之間的摩擦、碰撞，種子容易形成大顆粒[18]；太小時(shí)，減少了種子與營(yíng)養(yǎng)土之間摩擦、滑移，不易形成包衣層，使丸化率降低；當(dāng)傾斜角為45°時(shí)，丸化率達(dá)到最大值77.5%，比傾斜角為35°時(shí)提高了22%。

表2 不同傾斜角下的丸化包衣情況

圖5 不同傾斜角下的丸化包衣折線圖

2.3 轉(zhuǎn)速的確定

不同轉(zhuǎn)速下的丸化包衣情況和拆線圖如表3和圖6所示。由表3和圖6可以看出：當(dāng)鍋體的傾斜角為45°、振動(dòng)加速度為11.3mm/s2時(shí)，丸化率隨著轉(zhuǎn)速先增大后減??；速度太小時(shí)，種子不隨著鍋體上升拋下，而是在鍋體底部旋轉(zhuǎn)；速度太大時(shí)，種子隨鍋體一起旋轉(zhuǎn)[19]，種子與種衣劑的接觸減少，種子與種子之間的摩擦、碰撞減少，種子與營(yíng)養(yǎng)土之間摩擦、滑移減少，不易在種子表面形成包衣層，種子的丸化包衣率就會(huì)降低；當(dāng)轉(zhuǎn)速為49r/min時(shí),丸化率達(dá)到最大值77.5%，比59r/min時(shí)提高了18.3%。

表3 不同轉(zhuǎn)速下的丸化包衣情況

續(xù)表3

圖6 不同轉(zhuǎn)速下的丸化包衣折線圖

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)速、傾斜角、振動(dòng)加速度對(duì)丸化包衣率都有一定的影響。丸化率隨著振動(dòng)加速度、傾斜角、轉(zhuǎn)速先增大后減??；加入振動(dòng)后，丸化率明顯提高，最大提高了32.6%；當(dāng)包衣鍋的振動(dòng)加速度為11.3mm/s2、傾斜角為45°、轉(zhuǎn)速為49r/min時(shí)，種子的丸化包衣率最高，達(dá)到77.5%。

圖7為丸化包衣前的種子，圖8為丸化包衣后的種子。丸化包衣后的種子粒徑增大，質(zhì)量增加，近圓度變大；包衣后種子的質(zhì)量是包衣前種子質(zhì)量的5倍，粒徑增大4倍，絨毛和芽肧處也均勻地包裹著營(yíng)養(yǎng)土，不僅為機(jī)械化精密播種創(chuàng)造了有利條件，而且發(fā)芽出苗率也大幅提高。

圖7 丸化包衣前的種子

圖8 丸化包衣后的種子

3 結(jié)論

1)引入振動(dòng)源，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速、傾斜角、振動(dòng)加速度可調(diào)的牧草種子丸化包衣裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)包衣鍋的傾斜角在0°～90°度之間變化。

2)加入振動(dòng)力場(chǎng)的作用，增加了種子與種子之間、種子與粉料之間的摩擦、碰撞、滑移，使種子與粉料更加充分地混合，提高丸化包衣率。

3)通過振動(dòng)加速度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加入振動(dòng)后丸化率明顯提高，最少提高10.8%，最大提高32.6%，說明加入振動(dòng)是非常有必要的。

4)通過3組單因素試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)振動(dòng)加速度、傾斜角、轉(zhuǎn)速對(duì)丸化率的影響趨勢(shì)，丸化率隨著振動(dòng)加速度、傾斜角、轉(zhuǎn)速先增大后減小。

5)通過3組單因素試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，確定了丸化包衣的最佳參數(shù)：包衣鍋的振動(dòng)加速度為11.3mm/s2、傾斜角為45°、轉(zhuǎn)速為49r/min時(shí)，種子的丸化包衣率最高，達(dá)到77.5%。

4 展望

1)該試驗(yàn)裝置的傾角可調(diào)裝置需手動(dòng)調(diào)節(jié)，還需進(jìn)一步改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

2)部分種子和營(yíng)養(yǎng)土?xí)辰Y(jié)在包衣鍋上，應(yīng)加入葉片，清理鍋內(nèi)的種子和粉料。