邵志威，陳　智，侯占峰，弭龍凱，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

種子丸粒化是草種改良的重要途徑，通過丸粒化可增加種子的流動(dòng)性，提高機(jī)械化播種性能[1-6]。種子丸?；鞘鼓承┳魑锏姆N子形狀和大小不規(guī)則、微小轉(zhuǎn)為大小均一、規(guī)則的小球體，可以實(shí)施機(jī)械化精量播種[7-11]。包衣質(zhì)量的好壞集中反映在種子包衣合格率上，國產(chǎn)包衣機(jī)存在的最主要的問題就是包衣合格率達(dá)不到要求[12-17]。本文針對牧草種子輕小、形狀不一等問題，設(shè)計(jì)了一種基于振動(dòng)、滾動(dòng)混合力場作用下的牧草種子丸?；聶C(jī)，旨在提高牧草種子的包衣丸化合格率。

1　包衣機(jī)組成與實(shí)驗(yàn)方法

1.1　丸?；聶C(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

該丸?；聶C(jī)由機(jī)架、包衣鍋、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)、電磁激振器、供料機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)等組成(如圖1所示)。丸?；伦鳂I(yè)時(shí)，種子經(jīng)過稱重盤下落，分流板分流下落的種子，使粘合劑均勻地包裹在種子表面后落進(jìn)包衣鍋；包衣鍋在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用下旋轉(zhuǎn)，同時(shí)激振器將振動(dòng)作用于包衣鍋；包衣鍋在振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)復(fù)合作用下進(jìn)行滾動(dòng)包衣，使粉料更加均勻、牢固地粘附在種子表面，利用包衣鍋與種子之間及種子與種子之間的摩擦力來帶動(dòng)鍋內(nèi)種子進(jìn)行周而復(fù)始的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)種子也在自轉(zhuǎn)。如此不斷往復(fù)，種子逐漸被包裹的變大變圓，最后成為丸粒[18]。包衣鍋角度由傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，激振器直接連接在驅(qū)動(dòng)電機(jī)與包衣鍋之間，使振動(dòng)效果更顯著。

1.傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)　2.驅(qū)動(dòng)電機(jī)　3.激振器　4.包衣鍋　5.粘合劑噴頭 6.分流板　7.步進(jìn)電機(jī)　8.種子料斗　9.稱重盤　10.控制面板 11.粉料料斗　12.喂料器　13.粘合劑閥門　14.液箱　15.液泵電機(jī)

種子在包衣鍋中受到重力、摩擦力、激振力、離心力等的作用(見圖2)，在包衣鍋內(nèi)壁合力的作用下隨鍋旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)至包衣鍋高度3/4位置處，開始下落至最底處，往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

供料機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)種子和粘合劑按照一定的比例混合，種子在下落過程中噴粘合劑可以使種子表面更好地包衣成膜[19-20]。為進(jìn)一步丸粒化奠定基礎(chǔ)，包衣鍋中丸?；倪^程分層進(jìn)行[21]，粘合劑與粉料交替噴灑，不僅可以提高丸化硬度，而且丸化更加均勻。稱重盤稱料式結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)精確供料及精確供粉[22]。

控制系統(tǒng)是以主控單片機(jī)控制4個(gè)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對包衣機(jī)的控制：單片機(jī)1控制種子料斗閥門打開，使種子下落，控制撥盤電機(jī)旋轉(zhuǎn)，采集并顯示稱重傳感器數(shù)據(jù)；單片機(jī)2采集液體噴頭流量計(jì)、粉料噴頭質(zhì)量流量計(jì)的數(shù)據(jù)，控制包衣鍋內(nèi)粘合劑閥門和粉料喂料器，使種子一層層地包裹上粉料，在包衣鍋內(nèi)丸?；?；單片機(jī)3負(fù)責(zé)采集包衣鍋速度傳感器、噴頭溫度傳感器及包衣鍋角度傳感器的信號；單片機(jī)4負(fù)責(zé)控制激振器的振動(dòng)頻率和幅度。

圖2　種子在包衣鍋中的受力方向

1.2　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，使用種子100g，粉料500g，粘合劑90g，研究包衣鍋不同的傾斜角度、振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速對丸化包衣的影響。①對包衣鍋外的種子噴灑一層粘合劑和粉料，目的是避免種子在包衣鍋內(nèi)遇粘合劑而粘結(jié)；②讓包裹了一層粉料的種子在包衣鍋內(nèi)旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)；③在包衣鍋內(nèi)持續(xù)噴粉、噴粘合劑數(shù)分鐘，使種子包上多層粉料，直至丸化；④使裹上粉料的種子在滾動(dòng)、振動(dòng)作用下數(shù)分鐘，目的是壓實(shí)種子表面蓬松的粉料。丸化包衣具體流程如圖3所示。

圖3　包衣流程圖

選定包衣機(jī)轉(zhuǎn)速的大致范圍為40～60r/min[23]，通過預(yù)試驗(yàn)確定包衣鍋傾斜角度為30°～60°(包衣鍋鍋口平面與水平面之間的夾角)，振動(dòng)頻率為20～40Hz。設(shè)計(jì)一個(gè)3水平3因素的正交試驗(yàn)(以包衣鍋振動(dòng)加速度9.1m/s2為不變因素)，傾斜角度A(A1為30°，A2為45°，A3為60°)，振動(dòng)頻率B(B1為20Hz，B2為30Hz，B3為40Hz)，包衣鍋轉(zhuǎn)速C(C1為30r/min，C2為45r/min，C3為60r/min)。試驗(yàn)如下：A1B1C1，A1B2C1，A1B3C1，A2B1C1，A2B2C1，A2B3C1，A3B1C1，A3B2C1，A3B3C1，A1B1C2，A1B2C2，A1B3C2，A2B1C2，A2B2C2，A2B3C2，A3B1C2，A3B2C2，A3B3C2，A1B1C3，A1B2C3，A1B3C3，A2B1C3，A2B2C3，A2B3C3，A3B1C3，A3B2C3，A3B3C3。

在以上試驗(yàn)中選取以下因素與水平(見表1)進(jìn)行分析。

表1　 試驗(yàn)結(jié)果分析表

試驗(yàn)用丸粒化包衣機(jī)如圖4所示，種子丸?；虑昂髮Ρ葓D如圖5所示。

圖4　 丸粒化包衣機(jī)

圖5　 種子丸粒化包衣對比圖

2　結(jié)果分析與評價(jià)

2.1　二次通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)分析方法

回歸旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)分析方法是在正交設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，二次回歸通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)與二次回歸正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)、二次正交設(shè)計(jì)一樣都是一種組合設(shè)計(jì)[24-25]，其目的是避免試驗(yàn)次數(shù)太多。

正交試驗(yàn)可以得到包衣鍋轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率、傾斜角度的較優(yōu)組合，回歸分析可以確定兩種及兩種以上變量相互依賴的定量關(guān)系。

總的試驗(yàn)處理數(shù)目N由3部分組成，即

N=mc+2P+m0

式中mc—所選用正交表中的全試驗(yàn)數(shù)；

P—試驗(yàn)因素的個(gè)數(shù)；

m0—各因素零水平組成的中心試驗(yàn)點(diǎn)的重復(fù)數(shù)。

試驗(yàn)因素水平的編碼表如表2所示。

表2　 因素水平的編碼表

查表可知，三因素的處理組合N=20，得到表3的20個(gè)處理結(jié)果。

表3　三因素二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

續(xù)表3

計(jì)算各回歸系數(shù)，則

所以，得到百粒重的回歸方程為

y=2.42123-0.00659x1-0.021968x2+

0.00732x3-0.0125x1x2-0.0125x1x3+

2.2　驗(yàn)證分析

利用MatLab軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸驗(yàn)證分析，得到丸化率y1、百粒重y2的回歸方程和決定系數(shù)R2、統(tǒng)計(jì)量F及F對應(yīng)的概率P，如表4所示。由表4可知：丸粒化的決定系數(shù)為0.808， 但是P值為0.000 5，在5%的置信區(qū)間內(nèi)，百粒質(zhì)量的P值為0.016 3，也在置信區(qū)間內(nèi)。說明模型是可信的。

表4　響應(yīng)量模型分析表

圖6為影響因素傾角X3在回歸方程中為零時(shí)包衣鍋轉(zhuǎn)速X1、振動(dòng)頻率X2對丸化率、百粒質(zhì)量的影響曲面和等高線圖。對模型進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，分別以包衣鍋轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率、丸化率(百粒質(zhì)量)為x、y、z軸生成三維圖像，可以看出：振動(dòng)頻率為25～35Hz、包衣鍋轉(zhuǎn)速為40～50r/min時(shí)，丸化率和百粒質(zhì)量較好。包衣鍋轉(zhuǎn)速與振動(dòng)頻率對丸化率和百粒質(zhì)量的影響幅度相當(dāng)，證明了振動(dòng)對丸化率和百粒質(zhì)量的影響力。

圖6　影響因素X1、X2對丸化率、百粒重的影響曲面圖

3　結(jié)論

由正交試驗(yàn)下得到的較優(yōu)組合可以看出：包衣鍋轉(zhuǎn)速為45r/min、振動(dòng)頻率為30Hz、傾斜角度為45°時(shí)，包衣效果最好，丸化率最高。在回歸方程中，當(dāng)最佳參數(shù)組合為X1=0、X2=0、X3=0時(shí)，丸化率為78%，百粒質(zhì)量為2.4g(未丸化種子為0.28g)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：X2項(xiàng)系數(shù)與X1和X2項(xiàng)系數(shù)相近。因此，振動(dòng)影響因素與傾斜角度和包衣鍋轉(zhuǎn)速同等重要，合理引入振動(dòng)作用力可提高牧草種子丸?；聶C(jī)的丸化率。