5 BY型種子包衣機最佳工藝參數研究

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，是種子商品化關鍵技術手段，其技術完備性直接決定種子包衣質量與合格率[5-7]。當前，瑞典、美國、法國等歐美發達國家所研發的種子包衣機在結構設計、種藥配比、電氣控制等方面均處于世界先進水平[8-10]。2014年，法國特納(Turner)公司設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)，其利用相關機械機構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，再進行粘粉工藝，此設計可通過調節藥液屏障厚度精準控制包衣膜厚度，從根本上避免了復雜的種藥計量、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，當前此技術居于世界先進行列[11]。我國包衣機技術與歐美發達國家相比存在以下問題[8,12-13]：機型種類多，各機型行業標準繁雜，技術參數設計不合理，噴槍位置、滾筒內壓力對于包衣質量影響較小，依靠人工經驗設定即可，而噴霧速度、滾筒角度、滾筒轉速對包衣質量影響較大，且三者存在明顯交互作用，滾筒轉速太低或噴霧壓力過大時，易出現種子粘結，轉速過高時，導致種衣剝落或種子損傷，另外，滾筒角度與轉速交互作用對滾筒內壁壓力產生影響，進而影響種衣緊實度。對此，相關科研、工程技術人員投入大量研究，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?，通過正交試驗探明了包衣鍋傾斜角度、包衣鍋轉速、振動頻率三因素及其交互作用對包衣效果的影響；與本研究內容有重合之處，但其只針對所設計帶有震蕩功能包衣機，當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量提出相關操作參數和影響參數，基于“高效包衣”理念，對包衣滾筒轉速與包衣質量關系進行探討，同時對薄膜包衣質量影響因素及對策提出了看法；唐紅軍[13]對包衣機滾筒結構、計量藥箱設計等方面存在的問題進行分析并給出改進意見，為包衣機更新換代，提供技術參考。馬榮朝等[16]研制輕小型種子包衣機，以適應南方丘陵地區、不同種子包衣需求，對最佳滾筒轉速進行研究和改進，大大提高種子包衣質量。類似上述研究還有很多，大多從影響包衣質量的單個因素進行探究，未考慮各因素間交互作用影響，所得工藝參數并非最佳參數。本研究以提高種子包衣合格率為目標，以5 BY型包衣機作為試驗樣機，設計正交試驗，探究包衣機滾筒傾斜角、滾筒轉速、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量的影響。得出丸化率影響因素模型及最佳工藝參數，以期為種子生產企業設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、滾筒機構、供藥機構、供粉機構及控制系統等功能模塊構成(如圖1所示)[17]。種子由提升器裝滿料斗后，投料機構開始向自動計量稱投料，為減少投料誤差，根據投料量多少設計大投、中投和小投三級變量調節機制，分別由各氣缸和電磁閥控制；首先，大投和中投同時工作，投入量到達設定量90%(可修改)時，大投停止，到達設定量97%(可修改)時，中投停止，小投開始，直到完成全部設定量，小投停止；種子開始經由分流板均勻下落，同時供藥機構開始工作，藥液霧化后均勻噴灑在種子表面，種子落入滾筒，滾筒在電機驅動作用下旋轉使種子滾動，此時開始供粉，粉料粘附在種子表面形成包裹，經過旋轉運動，種子變大變圓，形成丸粒。此時再次啟動供藥機構，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 參數設計

滾筒傾角(筒口平面與水平面夾角)、滾筒轉速(單位時間內滾筒旋轉圈數)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，根據以往經驗確定各因素范圍：滾筒傾角40°～60°，滾筒轉速40～100 r·min-1，噴霧速度1.5～3.2 mL·min-1；丸化標準：種丸烘干后，距離硬質地面1 m處下落無脫塊為優級，脫塊直徑小于1.8 mm為合格，合格丸數與種?？倲当戎禐橥杌?。即設計三因素A：滾筒傾角(°)，B：滾筒轉速(r·min-1)，C：噴霧速度：(mL·min-1)，單目標：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6組)，每組做3次，取均值。試驗在佳木斯大學智能檢測與控制研究所進行，樣機由黑龍江佳木斯融華機械制造有限公司設計提供，為盡快取得樣機試驗數據，先為其裝配簡易控制系統(僅具有滾筒調速功能，其他參數手動設定)，滿足試驗基本需求，待日后進一步研究和改進。

表1 因素水平表

編碼A:滾筒傾角/°B:滾筒轉速/(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值的影響，增加星號臂γ水平，以保證試驗結果全面性。

注：1為進料機構，2為機架，3為滾筒機構，4為供藥機構，5為供粉機構，6為控制系統。圖1 包衣機結構圖

3 結果分析

3.1 丸化率模型

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

表2 試驗結果

編號A:滾筒傾角水平B:滾筒轉速水平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R2=0.89，統計量F的概率值p小于0.001，在可信區間(p≤0.05)內，模型擬合程度高，數據接近真實情況，能夠進一步分析各因素及其交互作用對目標值影響并預測最優因素組合。因素滾筒傾角(A)和噴霧速度(C)一次項p值均在可信區間內，說明二者對丸化率有極顯著影響，滾筒轉速(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，說明對目標有影響，交互作用BC作用不明顯，變異系數=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/%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層包衣時出現粉料脫落，丸化率下降，噴霧速度過高時，種子出現粘連，無法播種使用；曲線A：B、C置為零水平，滾筒傾角在-0.3水平附近丸化率達到最高點，-0.3水平兩側丸化率下降；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微升高趨勢；無論滾筒轉速在何階段，丸化率都隨著滾筒傾角變化呈先增后降趨勢，幅度較小，滾筒轉速低水平曲線(40～60 r·min-1)高于滾筒轉速高水平曲線(80～100 r·min-1)，最優滾筒轉速在低水平區間。

注：橫坐標為各因素水平值。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，丸化率出現最高點，此區域易出現尋優區間；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，導致種丸堆積，丸化率降低；當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，在設定包衣機工作參數時，噴霧速度和滾筒傾角應作為重要因素考慮。

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 模型優化

啟動Design Expert軟件模型優化功能，優化→數值→優化項，選擇丸化率最大目標，輸入最高值100，點擊解決，得出最優因素組合：滾筒傾角43.61°，滾筒轉速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 控制系統完善說明

樣機及控制系統如圖5和圖6，為盡快取得試驗數據，本次試驗樣機僅裝配簡易控制系統，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，系統尚未完善，有待進一步研究和改進。

圖5 包衣機樣機

圖6 包衣機控制系統

5 結 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量的影響，試驗結果表明：

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，在設定包衣機工作參數時，噴霧速度和滾筒傾角應作為重要因素考慮，滾筒轉速對目標有細微影響，其設定范圍可根據包衣機作業效率適當擴大。

2) 對包衣合格率進行模型優化，得出最優工藝參數組合：滾筒傾角43.61°，滾筒轉速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，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，有待進一步研究和改進。