5 BY型種子包衣機最佳工藝參數(shù)研究

李建軍, 史春梅2, 孟慶祥, 單琪凱, 王 巖, 華秀萍, 姜永成

(1.佳木斯大學(xué)智能檢測與控制研究所， 黑龍江 佳木斯 154007；2.黑龍江省水利學(xué)校， 黑龍江 大慶 163000)

種子丸?；狗N子流動性增加，便于機械化播種，是種子生產(chǎn)中一個重要步驟[1-4]。種子包衣機作為主要的種子包衣裝備，是種子商品化關(guān)鍵技術(shù)手段，其技術(shù)完備性直接決定種子包衣質(zhì)量與合格率[5-7]。當(dāng)前，瑞典、美國、法國等歐美發(fā)達(dá)國家所研發(fā)的種子包衣機在結(jié)構(gòu)設(shè)計、種藥配比、電氣控制等方面均處于世界先進(jìn)水平[8-10]。2014年，法國特納(Turner)公司設(shè)計并提出流體屏障包衣機及包衣方法，并獲得專利(Coating machine and method with fluid barrier)，其利用相關(guān)機械機構(gòu)使藥液形成液體屏障，種子或藥丸等通過屏障時，形成包衣薄膜，再進(jìn)行粘粉工藝，此設(shè)計可通過調(diào)節(jié)藥液屏障厚度精準(zhǔn)控制包衣膜厚度，從根本上避免了復(fù)雜的種藥計量、配比問題，能夠精確、方便地控制種藥配比，大大提高包衣合格率，當(dāng)前此技術(shù)居于世界先進(jìn)行列[11]。我國包衣機技術(shù)與歐美發(fā)達(dá)國家相比存在以下問題[8,12-13]：機型種類多，各機型行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)繁雜，技術(shù)參數(shù)設(shè)計不合理，噴槍位置、滾筒內(nèi)壓力對于包衣質(zhì)量影響較小，依靠人工經(jīng)驗設(shè)定即可，而噴霧速度、滾筒角度、滾筒轉(zhuǎn)速對包衣質(zhì)量影響較大，且三者存在明顯交互作用，滾筒轉(zhuǎn)速太低或噴霧壓力過大時，易出現(xiàn)種子粘結(jié)，轉(zhuǎn)速過高時，導(dǎo)致種衣剝落或種子損傷，另外，滾筒角度與轉(zhuǎn)速交互作用對滾筒內(nèi)壁壓力產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響種衣緊實度。對此，相關(guān)科研、工程技術(shù)人員投入大量研究，并取得一定成果。邵志威等[14]研究了基于振動力場作用下小粒牧草種子丸?；Ч绊懸蛩兀ㄟ^正交試驗探明了包衣鍋傾斜角度、包衣鍋轉(zhuǎn)速、振動頻率三因素及其交互作用對包衣效果的影響；與本研究內(nèi)容有重合之處，但其只針對所設(shè)計帶有震蕩功能包衣機，當(dāng)前主流包衣機不具備震蕩包衣功能，適用性不夠全面。田耀華[15]針對藥物包衣機和薄膜包衣質(zhì)量提出相關(guān)操作參數(shù)和影響參數(shù)，基于“高效包衣”理念，對包衣滾筒轉(zhuǎn)速與包衣質(zhì)量關(guān)系進(jìn)行探討，同時對薄膜包衣質(zhì)量影響因素及對策提出了看法；唐紅軍[13]對包衣機滾筒結(jié)構(gòu)、計量藥箱設(shè)計等方面存在的問題進(jìn)行分析并給出改進(jìn)意見，為包衣機更新?lián)Q代，提供技術(shù)參考。馬榮朝等[16]研制輕小型種子包衣機，以適應(yīng)南方丘陵地區(qū)、不同種子包衣需求，對最佳滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行研究和改進(jìn)，大大提高種子包衣質(zhì)量。類似上述研究還有很多，大多從影響包衣質(zhì)量的單個因素進(jìn)行探究，未考慮各因素間交互作用影響，所得工藝參數(shù)并非最佳參數(shù)。本研究以提高種子包衣合格率為目標(biāo)，以5 BY型包衣機作為試驗樣機，設(shè)計正交試驗，探究包衣機滾筒傾斜角、滾筒轉(zhuǎn)速、噴霧速度三因素及其交互作用對玉米種包衣合格率和包衣質(zhì)量的影響。得出丸化率影響因素模型及最佳工藝參數(shù)，以期為種子生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備工藝問題提供參考。

1 5 BY型包衣機的組成及原理

5 BY型包衣機由機架、供料機構(gòu)、滾筒機構(gòu)、供藥機構(gòu)、供粉機構(gòu)及控制系統(tǒng)等功能模塊構(gòu)成(如圖1所示)[17]。種子由提升器裝滿料斗后，投料機構(gòu)開始向自動計量稱投料，為減少投料誤差，根據(jù)投料量多少設(shè)計大投、中投和小投三級變量調(diào)節(jié)機制，分別由各氣缸和電磁閥控制；首先，大投和中投同時工作，投入量到達(dá)設(shè)定量90%(可修改)時，大投停止，到達(dá)設(shè)定量97%(可修改)時，中投停止，小投開始，直到完成全部設(shè)定量，小投停止；種子開始經(jīng)由分流板均勻下落，同時供藥機構(gòu)開始工作，藥液霧化后均勻噴灑在種子表面，種子落入滾筒，滾筒在電機驅(qū)動作用下旋轉(zhuǎn)使種子滾動，此時開始供粉，粉料粘附在種子表面形成包裹，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)運動，種子變大變圓，形成丸粒。此時再次啟動供藥機構(gòu)，形成第2層包衣膜，再次供粉以提高丸粒硬度和均勻程度。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

龍高L 2玉米種30 000粒，粉料2 000 g(硅藻土40%，膨潤土43%，滑石粉17%)，種衣粘合劑水溶液300 g(羧甲基纖維素8%，聚丙烯酸樹脂Ⅱ5%)[18]。

2.2 參數(shù)設(shè)計

滾筒傾角(筒口平面與水平面夾角)、滾筒轉(zhuǎn)速(單位時間內(nèi)滾筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù))和噴霧速度(霧化量，單位時間噴出藥液總量)作為影響包衣效果3個主要因素，根據(jù)以往經(jīng)驗確定各因素范圍：滾筒傾角40°～60°，滾筒轉(zhuǎn)速40～100 r·min-1，噴霧速度1.5～3.2 mL·min-1；丸化標(biāo)準(zhǔn)：種丸烘干后，距離硬質(zhì)地面1 m處下落無脫塊為優(yōu)級，脫塊直徑小于1.8 mm為合格，合格丸數(shù)與種?？倲?shù)比值為丸化率。即設(shè)計三因素A：滾筒傾角(°)，B：滾筒轉(zhuǎn)速(r·min-1)，C：噴霧速度：(mL·min-1)，單目標(biāo)：丸化率(%)正交組合試驗，試驗實際值和編碼值見表1。試驗共20組(中心點重復(fù)6組)，每組做3次，取均值。試驗在佳木斯大學(xué)智能檢測與控制研究所進(jìn)行，樣機由黑龍江佳木斯融華機械制造有限公司設(shè)計提供，為盡快取得樣機試驗數(shù)據(jù)，先為其裝配簡易控制系統(tǒng)(僅具有滾筒調(diào)速功能，其他參數(shù)手動設(shè)定)，滿足試驗基本需求，待日后進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

表1 因素水平表

編碼A:滾筒傾角/°B:滾筒轉(zhuǎn)速/(r·min-1)C:噴霧速度/(mL·min-1)-γ(-1.68)33.1819.550.92-140401.5050702.351601003.2γ(1.68)66.82120.453.78

注：為全面考察各因素對目標(biāo)值的影響，增加星號臂γ水平，以保證試驗結(jié)果全面性。

注：1為進(jìn)料機構(gòu)，2為機架，3為滾筒機構(gòu)，4為供藥機構(gòu)，5為供粉機構(gòu)，6為控制系統(tǒng)。圖1 包衣機結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)果分析

3.1 丸化率模型

試驗結(jié)果見表2，由Design Expert(Version 8.0.6 Copyright ?2010 Stat-Ease,Inc.All rights reserved)軟件[19-20]，得出方差結(jié)果(表3)，經(jīng)方差分析和回歸驗證，得出丸化率影響模型(回歸方程)。

表2 試驗結(jié)果

編號A:滾筒傾角水平B:滾筒轉(zhuǎn)速水平C:噴霧速度水平Z:丸化率/%1-1.680071.4921-1152.04301.68087.33411163.95500095.206-11-165.74700096.6181.680070.1091-1-152.511000-1.6838.33110-1.68088.5612-11164.611300096.7714-1-1179.541500097.5616-1-1-178.091700094.191811-153.9319001.6838.182000094.98

Z=95.89-4.97×A-1.17×B+0.7×C+5.08×AB+1.15×AC+0.99×BC-8.88×A2-2.81×B2-20.38×C2

(1)

決定系數(shù)R2=0.89，統(tǒng)計量F的概率值p小于0.001，在可信區(qū)間(p≤0.05)內(nèi)，模型擬合程度高，數(shù)據(jù)接近真實情況，能夠進(jìn)一步分析各因素及其交互作用對目標(biāo)值影響并預(yù)測最優(yōu)因素組合。因素滾筒傾角(A)和噴霧速度(C)一次項p值均在可信區(qū)間內(nèi)，說明二者對丸化率有極顯著影響，滾筒轉(zhuǎn)速(B)也存在影響，但不顯著。其主次因素排序：C>A>B，所選因素合理。AB、AC交互作用明顯，其p值小于0.05，說明對目標(biāo)有影響，交互作用BC作用不明顯，變異系數(shù)=14.67%(小于15%)，再次說明模型擬合程度好。

表3 方差分析

方差來源平方和自由度均方F值p值模型515.9467957.327413.3979<0.0001A33.3704133.37047.79890.0125B39.7837139.78379.29780.0787C0.920410.92040.21510.0073AB21.8556121.85565.10780.0372AC3.330613.33060.77830.0489BC1.890611.89060.44180.5151失擬67.625513.52531.73020.7R2(確定)0.89信噪比11.89變異系數(shù)/%14.67

3.2 單因素分析

將丸化率模型方程其他2個因素置為零水平，分別考慮單因素滾筒傾角(A)、滾筒轉(zhuǎn)速(B)和噴霧速度(C)對丸化率影響，得出單因素回歸模型：

A：Z1=95.89-4.97×A-8.88×A2

(2)

B：Z2=95.89-1.17×B-2.81×B2

(3)

C：Z3=95.89+0.7×C-20.38×C2

(4)

由圖2可知，曲線C：A、B置為零水平，丸化率隨著噴霧速度變化先升后降，噴霧速度較低時，粘合劑液量少，粘著粉料較少，大部分種子能完成第1層包衣，第2層包衣時出現(xiàn)粉料脫落，丸化率下降，噴霧速度過高時，種子出現(xiàn)粘連，無法播種使用；曲線A：B、C置為零水平，滾筒傾角在-0.3水平附近丸化率達(dá)到最高點，-0.3水平兩側(cè)丸化率下降；曲線B：相比之下，滾筒速度對丸化率影響不大，曲線趨于平緩。

3.3 交互作用

3.3.1AB交互作用

AB響應(yīng)曲面(圖3)呈凸弧，弧度小，存在交互作用，但影響較小，滾筒傾角在低水平(40°～46°)時，丸化率隨滾筒速度升高而降低，滾筒傾角在中間水平(40°～46°)時，滾筒速度變化對丸化率無較大影響，滾筒傾角處于高水平(53°～60°)時，丸化率受滾筒加速有細(xì)微升高趨勢；無論滾筒轉(zhuǎn)速在何階段，丸化率都隨著滾筒傾角變化呈先增后降趨勢，幅度較小，滾筒轉(zhuǎn)速低水平曲線(40～60 r·min-1)高于滾筒轉(zhuǎn)速高水平曲線(80～100 r·min-1)，最優(yōu)滾筒轉(zhuǎn)速在低水平區(qū)間。

注：橫坐標(biāo)為各因素水平值。圖2 單因素對丸化率的影響

圖3 AB交互作用影響曲面

3.3.2AC交互作用

如圖4所示，AC交互作用明顯，二者均受對方影響，曲線先增后降，噴霧速度在中水平(2～2.6 mL·min-1)、滾筒傾角在低水平(40°～46°)時，丸化率出現(xiàn)最高點，此區(qū)域易出現(xiàn)尋優(yōu)區(qū)間；滾筒傾角在中水平(46°～53°)或高水平(53°～60°)時，噴霧速度對丸化率影響曲線整體低于滾筒傾角低水平曲線，原因是滾筒越陡(料口平面與水平面角度越大)，玉米種越接近滾筒外壁滾動，面積狹小，導(dǎo)致種丸堆積，丸化率降低；當(dāng)滾筒傾角處于低水平時，料口平面與水平面夾角小，玉米種分散面積大，粘合劑與粉料能夠均勻粘著在種子表面，丸化率提高，在設(shè)定包衣機工作參數(shù)時，噴霧速度和滾筒傾角應(yīng)作為重要因素考慮。

圖4 AC交互作用影響曲面

BC交互作用影響曲面幾近平面，說明其對丸化率無顯著影響，不予分析。

3.4 模型優(yōu)化

啟動Design Expert軟件模型優(yōu)化功能，優(yōu)化→數(shù)值→優(yōu)化項，選擇丸化率最大目標(biāo)，輸入最高值100，點擊解決，得出最優(yōu)因素組合：滾筒傾角43.61°，滾筒轉(zhuǎn)速51.28 r·min-1，噴霧速度2.34 mL·min-1，丸化率97.39%，期望值0.89，可信度高。

4 控制系統(tǒng)完善說明

樣機及控制系統(tǒng)如圖5和圖6，為盡快取得試驗數(shù)據(jù)，本次試驗樣機僅裝配簡易控制系統(tǒng)，其功能完備性和智能化程度相對較低，尤其種子供給和藥液供給精度較差，系統(tǒng)尚未完善，有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

圖5 包衣機樣機

圖6 包衣機控制系統(tǒng)

5 結(jié) 論

以5 BY型包衣機為試驗樣機，通過正交試驗，探明了包衣機滾筒傾斜角、滾筒轉(zhuǎn)速、噴霧速度三因素及其交互作用對玉米種包衣合格率和包衣質(zhì)量的影響，試驗結(jié)果表明：

1) 三者對丸化率有極顯著影響，其影響主次因素排序：噴霧速度>滾筒傾角>滾筒轉(zhuǎn)速，噴霧速度和滾筒傾角二者交互作用對包衣合格率也有極顯著影響，在設(shè)定包衣機工作參數(shù)時，噴霧速度和滾筒傾角應(yīng)作為重要因素考慮，滾筒轉(zhuǎn)速對目標(biāo)有細(xì)微影響，其設(shè)定范圍可根據(jù)包衣機作業(yè)效率適當(dāng)擴大。

2) 對包衣合格率進(jìn)行模型優(yōu)化，得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合：滾筒傾角43.61°，滾筒轉(zhuǎn)速51.28 r·min-1，噴霧速度2.34 mL·min-1，丸化率97.39%，最大限度提高種子包衣合格率和質(zhì)量。

3) 噴霧速度與滾筒傾角交互作用對丸化率有顯著影響：噴霧速度中水平(2～2.6 mL·min-1)、滾筒傾角低水平(40°～46°)時，丸化率最高，滾筒傾角在中水平(46°～53°)或高水平(53°～60°)時，噴霧速度對丸化率的影響程度低于滾筒傾角在低水平時對其的影響。

4) 滾筒轉(zhuǎn)速與滾筒傾角也存在交互作用，但影響較?。簼L筒傾角處于高水平(53°～60°)時，丸化率受滾筒加速有小幅升高趨勢，無論滾筒轉(zhuǎn)速在何階段，丸化率都隨著滾筒傾角變化呈先增后降趨勢，變化幅度較小。

5) 滾筒轉(zhuǎn)速與噴霧速度交互作用影響曲面幾近平面，其對丸化率無顯著影響。

6) 樣機裝配簡易控制系統(tǒng)，功能完備性和智能化程度相對較低，種子和藥液供給精度較差，有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。