韓 豹，劉 俏，高英玲，楊書(shū)婕，郭 暢，董小偉，李?lèi)偯?/p>

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150080；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣總站，哈爾濱 150001）

種子包衣可驅(qū)避害蟲(chóng)對(duì)已播種子及幼苗侵害，有利于苗期病蟲(chóng)害防治及有效增產(chǎn)[1]。但種子包衣均勻性影響種子水分吸收、藥劑釋放及微生物活動(dòng)等，影響種子出苗時(shí)間、芽率、整齊度和藥劑持效期與病菌侵染進(jìn)程[2]?，F(xiàn)代種子包衣處理利用種子包衣設(shè)備將種子與特制種衣藥劑按比例混合均勻，在種子表面包裹一層均勻藥膜，達(dá)到播種后發(fā)揮種衣成分作用。

西歐和北美等國(guó)家研制種子包衣設(shè)備、型號(hào)多、功能全，包衣合格率超過(guò)95%，藥種調(diào)節(jié)范圍較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和種藥配比、電氣控制等方面均于世界領(lǐng)先水平[3]。美國(guó)Germains 公司Spectracota旋轉(zhuǎn)式全系列包衣設(shè)備采用流水作業(yè)方式，具有較高包衣效率，控制成本同時(shí)可保證包衣劑混合均勻[4]。丹麥CIMBRIA HEID CC20型旋轉(zhuǎn)式種子包衣機(jī)采用可編程控制器控制，供料與供藥均自動(dòng)協(xié)調(diào)，避免供藥和供料之間脫節(jié)現(xiàn)象[5]。德國(guó)PETKUS CT2-10 型種子包衣機(jī)采用先進(jìn)變頻控制技術(shù)，種子包衣成膜率和均勻度好，具有數(shù)據(jù)掉電存儲(chǔ)功能[6-7]。我國(guó)20世紀(jì)90年代初開(kāi)始推廣應(yīng)用種子包衣技術(shù)，研發(fā)包衣機(jī)種藥混合裝置多為雙盤(pán)（勻種盤(pán)與藥液霧化甩盤(pán)）式結(jié)構(gòu)，其工藝參數(shù)主要針對(duì)小麥和一些蔬菜等小粒種子設(shè)計(jì)，包衣作業(yè)時(shí)根據(jù)種子品種適當(dāng)調(diào)整作業(yè)參數(shù)即可滿(mǎn)足工廠化生產(chǎn)要求[8-9]。雙盤(pán)式種藥混合裝置無(wú)需壓縮藥液，通過(guò)邊緣帶有波紋結(jié)構(gòu)甩盤(pán)高速（2 800～3 000 r·min-1）旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)藥液超細(xì)霧化，均勻噴涂到幕狀下落種子表面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，種藥混合均勻。但大豆種子包衣過(guò)程中，由于大豆粒大皮薄，勻種盤(pán)與藥液霧化甩盤(pán)同軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，種子幕狀拋撒均勻性變差、種子包敷成膜不均，導(dǎo)致種皮出現(xiàn)褶皺，無(wú)法滿(mǎn)足大豆種子包衣要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，在已有研究基礎(chǔ)上[10]，根據(jù)薄膜包衣大豆種子合格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[11]，改進(jìn)設(shè)計(jì)種藥混合裝置。為研究其工作參數(shù)（料口高度、勻種盤(pán)直徑和勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速）與勻種性能關(guān)系，獲得適合大豆種子包衣機(jī)勻種要求理想工作參數(shù)組合，本文以種藥混合裝置為研究對(duì)象，采用離散元法及EDEM分析軟件，對(duì)其勻種性能作數(shù)值模擬，并在自制種藥混合裝置試驗(yàn)臺(tái)上作勻種性能驗(yàn)證試驗(yàn)，以期為現(xiàn)有種子包衣機(jī)雙盤(pán)式種藥混合裝置改進(jìn)提供參考。

1 種藥混合裝置結(jié)構(gòu)及顆粒模型創(chuàng)建

1.1 種藥混合裝置結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后種藥混合裝置主要由上下殼體、種箱、料管、料管調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、勻種與藥液霧化機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。其中，喂入量通過(guò)料管調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變料口高度實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

工作時(shí)，通過(guò)料管調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)逐漸調(diào)增料口高度h，料管內(nèi)大豆種子沿導(dǎo)流錐表面流到勻種盤(pán)上種子流量（喂入量）加大，隨勻種盤(pán)與導(dǎo)流錐旋轉(zhuǎn)，種子在離心力作用下向勻種盤(pán)邊緣連續(xù)、成幕狀均勻拋撒下落；種衣劑由進(jìn)液管進(jìn)入藥液管座，流入高速旋轉(zhuǎn)藥液霧化甩盤(pán)，使藥液超細(xì)霧化，并噴涂到呈幕狀均勻下落種子表面，實(shí)現(xiàn)霧化后種衣劑和均勻拋撒下落種子在種藥混合裝置內(nèi)充分混合，完成第一道種子包衣程序。工作過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整料管調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可改變料口高度，控制種子喂入量。

1.2 勻種與藥液霧化機(jī)構(gòu)

勻種與藥液霧化機(jī)構(gòu)是種藥混合裝置核心部件，原設(shè)計(jì)中，勻種與藥液霧化機(jī)構(gòu)為同軸雙盤(pán)式，上盤(pán)為勻種盤(pán)，下盤(pán)為藥液霧化甩盤(pán)，由一臺(tái)調(diào)速電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)。改進(jìn)后勻種與藥液霧化機(jī)構(gòu)為異軸同心雙盤(pán)式，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要包括調(diào)速電機(jī)、同步傳動(dòng)帶、勻種盤(pán)、導(dǎo)流錐、藥液霧化甩盤(pán)以及由圓筒護(hù)罩、圓柱齒輪、驅(qū)動(dòng)軸等構(gòu)成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，勻種盤(pán)主要解決種箱中物料由料管中流出后空間分布不均問(wèn)題；藥液霧化甩盤(pán)邊緣為波浪形設(shè)計(jì)，在高速旋轉(zhuǎn)（3 000 r·min-1）下可使藥液超細(xì)霧化均勻，提高種子包衣均勻度。

圖1 雙盤(pán)式種藥混合裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of double disc type of seed and medicine mixing device

圖2 勻種與藥液霧化機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of seeding and liquid atomization mechanism

1.3 顆粒模型創(chuàng)建

大豆顆粒模型采用四面構(gòu)型方法構(gòu)建并使之成為橢球體顆粒模型，如圖3所示。材料選取為全局變量中所設(shè)置大豆顆粒并自動(dòng)獲取其余屬性。顆粒屬性設(shè)置為百粒質(zhì)量18.625 g，剪切模量為1.04×106Pa，密度1 228 kg·m-3，泊松比為0.25。由于顆粒表面無(wú)粘附力，選擇Hertz-Mindlin接觸力學(xué)模型。

1.4 種子運(yùn)動(dòng)特性分析

以大豆種子為研究對(duì)象并視其為質(zhì)點(diǎn)，忽略種子落到勻種盤(pán)上產(chǎn)生反彈及種子間相互作用力，設(shè)作業(yè)過(guò)程中勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速恒定，種子從導(dǎo)流錐滑落到勻種盤(pán)上，即獲得相同轉(zhuǎn)速。種子在勻種盤(pán)上運(yùn)動(dòng)及受力分析如圖4所示。

圖3 大豆種子顆粒模型Fig.3 Model of soybean seed particle

圖4 種子在勻種盤(pán)上運(yùn)動(dòng)及受力分析Fig.4 Analysis of movement and force of seed on the seeding tray

m 為種子質(zhì)量（kg）；t 為種子運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s）；a為種子加速度為（m·s-2）；μ為種子與勻種盤(pán)摩擦系數(shù)；tR為種子從r=r0運(yùn)動(dòng)到r=R 時(shí)所用時(shí)間（s）。根據(jù)牛頓第二定律，當(dāng)種子運(yùn)動(dòng)到離勻種盤(pán)中心距離為r時(shí)，可得

將式（2）代入式（1），整理得

在r（t=0）=r0，dr/dt（t=0）=0 初始條件下解方程（3）可得

式中，λ1、λ2是特征方程λ2+2μωλ-ω2=0根。

對(duì)式（4）作求導(dǎo)，可求得種子速度vt，將t=tR代入，可得種子離開(kāi)勻種盤(pán)速度為

故根據(jù)圖4(a)運(yùn)動(dòng)分析及式（5）可得種子離開(kāi)勻種盤(pán)時(shí)絕對(duì)速度v為

可見(jiàn)，大豆種子離開(kāi)勻種盤(pán)時(shí)速度與其落入勻種盤(pán)初始半徑、勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速、大豆種子與勻種盤(pán)間摩擦系數(shù)以及勻種盤(pán)直徑相關(guān)。

2 EDEM離散元建模與仿真分析

2.1 三維仿真模型及仿真試驗(yàn)指標(biāo)

為便于仿真分析，將殼體等與種子顆粒不直接接觸相關(guān)部件去掉。簡(jiǎn)化后種藥混合裝置三維模型如圖5 所示。其中料管內(nèi)徑為100 mm，勻種盤(pán)直徑為300 mm。為便于分析種藥混合裝置勻種性能，設(shè)計(jì)計(jì)種裝置，其下端包含多個(gè)封閉計(jì)種盒，在三維模型導(dǎo)入EDEM后，在各計(jì)種盒上設(shè)置Grid Bin Group。

圖5 種藥混合裝置三維模型Fig.5 Three-dimensional model of seed and medicine mixing device

根據(jù)勻種作業(yè)要求，將均勻性變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算方法如下：

式中，Cv-均勻性變異系數(shù)（%）；S-標(biāo)準(zhǔn)差（粒）；Cˉ-每個(gè)計(jì)種盒中顆粒數(shù)量平均值（粒）。

根據(jù)前期試驗(yàn)研究[12]，該種藥混合裝置處理能力（勻種能力）受料口高度和勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速影響，并受二者交互作用影響，當(dāng)處理能力（1.5 t）一定時(shí)，料口高度和勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速呈反比。故本文將料口高度、勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速與勻種盤(pán)直徑作為勻種均勻性影響因素作單因素與多因素試驗(yàn)及分析。

2.2 單因素仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.2.1 料口高度與均勻性關(guān)系

根據(jù)前期研究，保持勻種盤(pán)直徑300 mm、轉(zhuǎn)速300 r·min-1，料口高度0～18 mm 變化，增量2 mm。均勻性變異系數(shù)變化規(guī)律如圖6(a)所示，料口高度導(dǎo)致由各位置顆粒數(shù)量差異變大，均勻性降低，不利于平穩(wěn)勻種。

2.2.2 勻種盤(pán)直徑與均勻性關(guān)系

保持勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速300 r·min-1、料口高度14 mm，勻種盤(pán)直徑280～320 mm 變化，增量10 mm。均勻性變異系數(shù)變化規(guī)律如圖6(b)所示，勻種盤(pán)直徑在小于290 mm 或大于310 mm 時(shí)，變異系數(shù)變化較大。原因是直徑過(guò)小時(shí)，顆粒在勻種盤(pán)上運(yùn)動(dòng)范圍受限，顆粒未作勻種作業(yè)即進(jìn)入包衣環(huán)節(jié)，導(dǎo)致均勻性降低；直徑過(guò)大時(shí)，顆粒與殼體碰撞概率增大，同時(shí)少量顆粒碰撞殼體后直接反彈回勻種盤(pán)，打亂勻種盤(pán)上顆粒均勻分布規(guī)律。

2.2.3 勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速與均勻性關(guān)系

保持勻種盤(pán)直徑300 mm、料口高度14 mm，勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速240～360 r·min-1變化，增量30 r·min-1。均勻性變異系數(shù)變化規(guī)律如圖6(c)所示，勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速在240～300 r·min-1時(shí)，變異系數(shù)隨轉(zhuǎn)速上升呈近似線性減少；大于330 r·min-1時(shí)，變異系數(shù)急速變化。原因?yàn)檗D(zhuǎn)速過(guò)高，顆粒離心力增大，顆粒間碰撞加劇，顆粒與殼體碰撞性增大，導(dǎo)致部分顆粒彈跳、亂流。

圖6 各因素對(duì)勻種性能影響Fig.6 Influence of various factors on the seeding performance

2.3 回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)

為研究種藥混合裝置勻種性能，以均勻性變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)作正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)。

2.3.1 多因素仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以料口高度、勻種盤(pán)直徑、勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速為因素設(shè)計(jì)3 因素5 水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，星號(hào)臂γ =1.682，因子區(qū)域中心試驗(yàn)點(diǎn)個(gè)數(shù)為9，通過(guò)綜合分析單因素仿真試驗(yàn)結(jié)果，選取較優(yōu)參數(shù)作為二次回歸試驗(yàn)編碼0水平，并設(shè)計(jì)因素水平編碼表見(jiàn)表1，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 因素水平編碼Table 1 Coding table of factors and levels

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 2 Results and design of tests

2.3.2 多因素仿真試驗(yàn)結(jié)果方差分析

采用Design-Expert 8.0.6 對(duì)表5 中試驗(yàn)結(jié)果作二次回歸擬合分析，得到均勻性變異系數(shù)方差分析見(jiàn)表3，二次回歸模型高度顯著（P<0.0001），失擬項(xiàng)（P=0.1762>0.05）不顯著，回歸方程未失擬。因系數(shù)間不存在線性相關(guān)性，經(jīng)逐步回歸法剔除不顯著因素得各因素與變異系數(shù)Cv回歸響應(yīng)曲面方程為

表3方差分析結(jié)果表明影響因子料口高度、勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速、料口高度與勻種盤(pán)直徑及勻種盤(pán)直徑與勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)均勻性變系數(shù)影響高度顯著，因此料口高度、勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)變異系數(shù)有重要影響，雖然勻種盤(pán)直徑對(duì)變異系數(shù)影響不顯著，但其平方項(xiàng)高度顯著，因此不可忽略該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響。各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響顯著性由大到小依次為勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速、料口高度、勻種盤(pán)直徑，并且料口高度與勻種盤(pán)直徑及勻種盤(pán)直徑與勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速交互作用影響不可忽視。

2.3.3 響應(yīng)曲面分析

為直觀分析試驗(yàn)指標(biāo)和各因素之間關(guān)系，利用Design-Expert 8.0.6 軟件得到交互作用顯著因素間響應(yīng)曲面，如圖7所示。

表3 變異系數(shù)方差分析Table 3 Variance analysis for variation coefficient

Note：“P ≤0.01”means highly significant(**);“0.01

0.05”means not significant.

當(dāng)勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速為300 r·min-1時(shí)，勻種盤(pán)直徑與料口高度交互作用響應(yīng)曲面如圖7(a)所示，表明料口高度為10～14 mm，變異系數(shù)隨勻種盤(pán)直徑增大緩慢減小，當(dāng)大于14 mm時(shí)，影響規(guī)律相反。勻種盤(pán)直徑為280～300 mm，變異系數(shù)隨料口高度增大而減小，當(dāng)大于300 mm 時(shí)，影響規(guī)律相反；當(dāng)料口高度為14 mm 及勻種盤(pán)直徑為300 mm 時(shí)有最小凹點(diǎn)，此時(shí)勻種性能較好。

當(dāng)料口高度為14 mm時(shí)，勻種盤(pán)直徑與轉(zhuǎn)速交互作用響應(yīng)曲面如圖7(b)所示，表明勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨直徑增大變異系數(shù)先減后增；勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速為240～300 r·min-1時(shí)隨轉(zhuǎn)速增大變異系數(shù)減小，大于300 r·min-1時(shí)影響規(guī)律相反。勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速和直徑共同決定種子離開(kāi)勻種盤(pán)位置和速度，影響勻種效果與種子分布規(guī)律。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果目標(biāo)優(yōu)化

為尋求各因素最優(yōu)組合，以表1中各因素范圍為約束條件，以均勻性變異系數(shù)回歸模型為目標(biāo)函數(shù)，利用Design-Expert 對(duì)其參數(shù)作優(yōu)化求解，得到最佳參數(shù)組合為料口高度14.96 mm（取15 mm），勻種盤(pán)直徑303.48 mm（取303 mm），勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速292.74 r·min-1（取293 r·min-1），此時(shí)變異系數(shù)為9.49%。將優(yōu)化參數(shù)作仿真驗(yàn)證，得均勻性變異系數(shù)為9.72%，與優(yōu)化結(jié)果接近。

圖7 變異系數(shù)雙因素響應(yīng)曲面Fig.7 Response surface of two factors for coefficient of variation

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證種藥混合裝置勻種性能數(shù)值模擬結(jié)果正確性，根據(jù)最佳參數(shù)組合加工種藥混合裝置核心部件，于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心自行研制試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖8所示。在最優(yōu)參數(shù)組合下作3次重復(fù)試驗(yàn)，變異系數(shù)均值為9.86%，與優(yōu)化結(jié)果接近，優(yōu)化結(jié)果可信。

圖8 種藥混合裝置試驗(yàn)臺(tái)Fig.8 Test bench of seed and medicine mixing device

4 結(jié) 論

a.針對(duì)包衣大豆種子因包敷成膜不均而致種皮褶皺問(wèn)題，在已研發(fā)種子包衣機(jī)基礎(chǔ)上，改進(jìn)其雙盤(pán)式種藥混合裝置設(shè)計(jì)。改進(jìn)后種藥混合裝置實(shí)現(xiàn)勻種盤(pán)與藥液霧化甩盤(pán)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，既保留原設(shè)計(jì)中高速旋轉(zhuǎn)藥液霧化甩盤(pán)可對(duì)種衣藥劑超細(xì)霧化優(yōu)點(diǎn)，又滿(mǎn)足勻種盤(pán)幕狀拋撒大豆種子轉(zhuǎn)速要求。

b. 以大豆種子和改進(jìn)設(shè)計(jì)種藥混合裝置為研究對(duì)象，采用EDEM 和Creo 軟件分別建立大豆種子和種藥混合裝置仿真模型。結(jié)合單因素仿真試驗(yàn)確定各因素取值范圍：料口高度為10～18 mm，勻種盤(pán)直徑為280～320 mm，勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速為240～360 r·min-1。

c.完成二次回歸正交旋轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)和目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，各因素影響主次順序?yàn)閯蚍N盤(pán)轉(zhuǎn)速、料口高度、勻種盤(pán)直徑；在處理能力為1.52 t·h-1條件下，獲得最佳優(yōu)化組合為料口高度15 mm，勻種盤(pán)直徑303 mm，勻種盤(pán)轉(zhuǎn)速為293 r·min-1，此時(shí)均勻性變異系數(shù)為9.49%。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，加工種藥混合裝置核心部件并在試驗(yàn)臺(tái)架上驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果吻合。