侯占峰，馬學(xué)杰，薛晶，戴念祖，劉敏

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,呼和浩特市,010018)

0 引言

種子丸?；菫榱藵M足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精量化播種需求、提高種子品質(zhì)及價(jià)值的種子處理技術(shù)[1]。20世紀(jì)90年代歐美等一些國家的種子丸?；夹g(shù)發(fā)展較快且工藝逐漸成熟,其丸化后的合格率高達(dá)90%以上[2-4],種子丸?；略O(shè)備研究向智能化、精細(xì)化的方向發(fā)展。

中國對丸?；夹g(shù)的研究起步較晚,20世紀(jì)90年代起國內(nèi)眾多高等院校及科研院所逐漸開展了丸?；聶C(jī)相關(guān)技術(shù)的研究,丸?；滦屎唾|(zhì)量都有所提高,取得了較大進(jìn)步[5-9]。如胡志超等[10]為了提高5B-5型種子包衣設(shè)備的包衣質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)種藥均勻供給和精確計(jì)量,研發(fā)了種子計(jì)量校正計(jì)算和控制方法。韓豹等[11]設(shè)計(jì)研制了適用于玉米、小麥、水稻、大豆蔬菜、花卉等種子的包衣設(shè)備。桑杰等在BY-150型種子包衣機(jī)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套包衣流程總體方案,提高了種子包衣機(jī)的自動化和精細(xì)化程度。胡志超等[12]研制了一款回轉(zhuǎn)釜式種子包衣機(jī),并用油菜種子進(jìn)行了丸?；略囼?yàn)研究。馬榮朝等[13]研制了一款輕小型種子包衣設(shè)備,并對輕小型種子包衣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)研究,為種子包衣機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。邵志威[14]、仇義[15]、戴念祖[16]等針對牧草種子振動丸?；聶C(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究,主要針對種子丸?；潞细衤蔬M(jìn)行了工作參數(shù)的優(yōu)選,沒有涉及牧草種子綜合性能的多目標(biāo)工作參數(shù)優(yōu)化。

綜上所述,國內(nèi)研究者所研發(fā)的種子丸?；略O(shè)備主要采用包衣鍋旋轉(zhuǎn)方式,且丸粒化包衣主要應(yīng)用在花卉、蔬菜及農(nóng)作物種子,針對小粒牧草種子設(shè)計(jì)的丸?；略O(shè)備應(yīng)用較少。多數(shù)種子丸粒化包衣設(shè)備對于不同種子的適應(yīng)能力不夠,針對不同類型種子需要開展種子丸?；伦罴压ぷ鲄?shù)的選取與匹配試驗(yàn)研究,一定程度上限制了種子丸粒化包衣設(shè)備的大面積推廣使用。

因此,本文以自行設(shè)計(jì)的牧草種子振動丸粒化包衣機(jī)為研究對象,利用多目標(biāo)優(yōu)化方法對紅三葉種子丸?；鹿ぷ鲄?shù)進(jìn)行優(yōu)選研究,為開發(fā)牧草種子丸?；略O(shè)備及類似工作效率高、丸?；|(zhì)量高的新型設(shè)備提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與評價(jià)指標(biāo)

針對內(nèi)蒙古地區(qū)廣泛種植的營養(yǎng)價(jià)值高的豆科牧草紅三葉作為試驗(yàn)對象,丸?；浞讲捎么蠖狗圩鳛楣腆w粘結(jié)劑,硅藻土作為填充劑,大豆粉與硅藻土配比為3∶7。根據(jù)牧草種子噴播要求,丸?；路N子與粉料質(zhì)量比為1∶3。

1.1 丸化包衣機(jī)整體結(jié)構(gòu)組成及工作原理

試驗(yàn)裝置主要由種子供給系統(tǒng)、粉料供給系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、丸?；b置、振動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 種子丸?；聶C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

丸粒化包衣開始前,先將種子、丸化粉料和粘結(jié)劑分別置于種子、粉料和藥液儲存桶中。啟動控制系統(tǒng)后,種子首先供入丸?；洛佒?粘結(jié)劑以霧狀噴入丸?；洛佒胁櫇穹N子表面,此時(shí)按照一定種子、粉料比將丸化粉料供入包衣鍋中,牧草種子在丸?；洛伒男D(zhuǎn)與振動復(fù)合作用下實(shí)現(xiàn)內(nèi)外層間的擴(kuò)散、混合、粘結(jié),丸化包衣粉料在運(yùn)動過程中均勻地黏附于種子表面,重復(fù)進(jìn)行定量供液和供粉,直到種子增重比達(dá)到要求后,丸粒化包衣結(jié)束。

1.2 試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)

為了檢驗(yàn)?zāi)敛莘N子丸粒化包衣機(jī)工作性能,參照中華人民共和國煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 141—1998《煙草包衣丸化種子》、中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7730—2011《種子包衣機(jī)試驗(yàn)方法》中關(guān)于種子丸?；|(zhì)量性能指標(biāo),提出采用單籽丸化合格率J和單籽抗壓強(qiáng)度P作為牧草種子丸?；伦鳂I(yè)質(zhì)量的考核指標(biāo)。

(1)

式中:Zh——牧草種子完全被粉料包敷且只有1粒草種的粒數(shù);

Zb——草種未完全包敷與草種數(shù)目大于1粒的粒數(shù)之和。

單籽抗壓強(qiáng)度P為平均每粒丸化牧草種子所能承受的最大壓力,其計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中:Pi——被測試第i粒丸化種子的抗壓強(qiáng)度,N;

N——測試種子粒數(shù)。

為了降低丸?；履敛莘N子的破碎率,避免種子在播種過程中出現(xiàn)破損,使丸化種子更加適合飛播與噴播播種。設(shè)計(jì)要求丸?；聶C(jī)針對不同類型的小粒牧草種子均能達(dá)到單籽丸化合格率≥90%,牧草種子丸?；聠巫芽箟簭?qiáng)度≥25 N。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)因素及試驗(yàn)結(jié)果

為了研究丸?；略O(shè)備工作參數(shù)對丸?；滦阅苜|(zhì)量的影響規(guī)律,以丸?；聶C(jī)關(guān)鍵工作參數(shù)包衣鍋轉(zhuǎn)速、振動頻率、包衣鍋傾角為試驗(yàn)因素,單籽丸化合格率、單籽抗壓強(qiáng)度為試驗(yàn)響應(yīng)指標(biāo),采用三因素三水平Box-Behnken響應(yīng)面分析法進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)因素水平根據(jù)預(yù)試驗(yàn)進(jìn)行選取,如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Tab. 1 Factor level table of orthogonal test

每組性能試驗(yàn)進(jìn)行3次,每次間隔時(shí)間分別為10 min,試驗(yàn)結(jié)果取平均值。試驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)計(jì)紅三葉種子單籽丸化合格率,烘干后測取紅三葉種子單籽抗壓強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 紅三葉種子二次回歸正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Quadratic regression orthogonal test scheme and experimental results of red clover

2.2 紅三葉種子單籽丸化合格率和單籽抗壓強(qiáng)度響應(yīng)模型

利用Design軟件對試驗(yàn)因素與響應(yīng)指標(biāo)間不同種類模型進(jìn)行建模對比分析,表3為單籽丸化合格率和單籽抗壓強(qiáng)度各種回歸模型的方差分析。

表3 紅三葉單籽丸化合格率和單籽抗壓強(qiáng)度多種回歸模型方差分析Tab. 3 Variance analysis of multiple fitting regression models of red clover seeds

由表3可以看出,采用線性模型、2FI模型、二次方程模型和三次方程模型均可對紅三葉單籽丸化合格率及單籽抗壓強(qiáng)度的模型進(jìn)行擬合,其中二次方程模型的P值<0.000 1,二次方程模型擬合呈現(xiàn)非常顯著的特性,表明二次方程模型進(jìn)行擬合具有準(zhǔn)確度高、與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果一致性好的特點(diǎn)。因此,對于紅三葉種子單籽丸化合格率及單籽抗壓強(qiáng)度采用二次方程模型進(jìn)行擬合。

通過Design-Expert 11.0對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合得到紅三葉種子單籽丸化合格率及單籽抗壓強(qiáng)度的二階回歸方程分別為

J=96.28-1.2A-3.45B-2.35C+0.05AB-

0.15AC-1.35BC-9.69A2-3.39B2-3.28C2

P=27.82+1.31A-1.46B+2.63C-0.225AB+

0.65AC+0.8BC

(3)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證回歸模型的準(zhǔn)確性,采用軟件分析得到單籽丸化合格率及單籽抗壓強(qiáng)度實(shí)際值與模型預(yù)測值的關(guān)系曲線如圖2所示。

(a) 單籽丸化合格率

(b) 單籽抗壓強(qiáng)度

從圖2可以發(fā)現(xiàn),散點(diǎn)分布全部集中在直線周圍,誤差較小,表明紅三葉種子單籽丸化合格率及單籽抗壓強(qiáng)度實(shí)際值與預(yù)測值之間具有高度相關(guān)性,模型可靠性較高,可用于紅三葉種子丸粒化包衣過程中響應(yīng)指標(biāo)的預(yù)測分析。

3 紅三葉丸?；滦阅苤笜?biāo)單目標(biāo)優(yōu)化

分別以紅三葉單籽丸化合格率最大值、單籽抗壓強(qiáng)度目標(biāo)值大于25 N為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化,同時(shí)為了驗(yàn)證二次回歸模型的準(zhǔn)確性,利用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行丸粒化包衣試驗(yàn)驗(yàn)證,單目標(biāo)工作參數(shù)優(yōu)化結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如表4所示。

表4 紅三葉種子參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Tab. 4 Optimized variable result of red clover seeds

觀察表4可以看出,單籽抗壓強(qiáng)度與單籽丸化合格率對應(yīng)的最佳工作參數(shù)不一致,選取參數(shù)時(shí)無法實(shí)現(xiàn)兩者性能均達(dá)到最佳。同時(shí)可以看出,紅三葉種子的單籽丸化合格率試驗(yàn)值與回歸模型預(yù)測值間的相對誤差為0.15%,紅三葉種子單籽抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與回歸預(yù)測值間的相對誤差僅為5.85%,證明回歸模型的準(zhǔn)確性與可靠性。

4 丸?；鹿ぷ鲄?shù)多目標(biāo)優(yōu)化

帶精英策略的非支配排序的遺傳算法(NSGA-Ⅱ)是一種基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化算法,它通過對各個(gè)目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析與協(xié)調(diào),找出能使各個(gè)目標(biāo)函數(shù)都達(dá)到理想目標(biāo)值的最優(yōu)解集。圖3所示為NSGA-Ⅱ算法運(yùn)算流程圖[17]。

圖3 NSGA-Ⅱ算法運(yùn)算流程

進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時(shí),根據(jù)建立的單籽丸化合格率、單籽抗壓強(qiáng)度二次回歸模型,確定兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)。

(4)

式中:JO——單籽丸化合格率目標(biāo)函數(shù);

J(A,B,C)——單籽丸化合格率回歸模型函數(shù);

PO——單籽抗壓強(qiáng)度目標(biāo)函數(shù);

P(A,B,C)——單籽抗壓強(qiáng)度回歸模型函數(shù)。

在目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上建立多目標(biāo)丸?；聶C(jī)工作參數(shù)優(yōu)化模型,同時(shí)滿足下述約束條件。

(5)

應(yīng)用Matlab軟件編寫NSGA-Ⅱ多目標(biāo)優(yōu)化程序,算法中選擇種群規(guī)模為100,交叉率與變異概率分別設(shè)置為0.8和0.2,迭代次數(shù)設(shè)定為500。多目標(biāo)優(yōu)化變量結(jié)果如表5所示。

表5 多目標(biāo)優(yōu)化變量結(jié)果Tab. 5 Multiple target optimized variable result

根據(jù)表5所示的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果選擇第一組參數(shù)既可以確保最佳的單籽丸化合格率,又能滿足單籽抗壓強(qiáng)度的要求。根據(jù)丸?；聶C(jī)操作實(shí)際情況,對表5中數(shù)據(jù)進(jìn)行取整后得到紅三葉種子多目標(biāo)優(yōu)化最佳參數(shù)組合為:振動頻率15 Hz、包衣鍋轉(zhuǎn)速59 r/min、包衣鍋傾角35°。為了驗(yàn)證多目標(biāo)優(yōu)化最佳參數(shù)組合的可靠性,以最優(yōu)參數(shù)組合作為試驗(yàn)因素進(jìn)行3次紅三葉種子丸?；略囼?yàn),得到紅三葉種子單籽丸化合格率平均值為97.1%,與優(yōu)化結(jié)果的相對誤差僅為0.80%,單籽抗壓強(qiáng)度平均值為27.8 N,與優(yōu)化結(jié)果的相對誤差僅為1.11%,優(yōu)化參數(shù)組合下的單籽丸化合格率與單籽抗壓強(qiáng)度均達(dá)到目標(biāo)期望值,滿足丸?；率褂靡?。

5 結(jié)論

1) 通過物理試驗(yàn)值獲取了紅三葉種子單籽丸化合格率、單籽抗壓強(qiáng)度的二次回歸模型,二次回歸模型的方差分析及優(yōu)化參數(shù)組合驗(yàn)證試驗(yàn),均顯示紅三葉種子單籽丸化合格率及單籽抗壓強(qiáng)度模型用于種子丸化包衣性能預(yù)測分析的準(zhǔn)確性,單籽丸化合格率預(yù)測值與物理試驗(yàn)值相對誤差為0.15%,單籽抗壓強(qiáng)度預(yù)測值與物理試驗(yàn)值相對誤差為5.85%。

2) 通過對紅三葉種子單籽丸化合格率和單籽抗壓強(qiáng)度二次回歸模型進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化求解,結(jié)果顯示優(yōu)化參數(shù)存在明顯差異,對紅三葉種子的單籽丸化合格率和單籽抗壓強(qiáng)度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析,綜合得到紅三葉種子最佳工作參數(shù)為包衣鍋振動頻率15 Hz、包衣鍋轉(zhuǎn)速59 r/min、包衣鍋傾角35°。