紅三葉種子丸?；ぷ鲄刀嗄繕藘灮?

侯占峰，馬學杰，薛晶，戴念祖，劉敏

(內蒙古農業大學機電工程學院,呼和浩特市,010018)

0 引言

種子丸?；菫榱藵M足現代農業精量化播種需求、提高種子品質及價值的種子處理技術[1]。20世紀90年代歐美等一些國家的種子丸?；夹g發展較快且工藝逐漸成熟,其丸化后的合格率高達90%以上[2-4],種子丸?；略O備研究向智能化、精細化的方向發展。

中國對丸?；夹g的研究起步較晚,20世紀90年代起國內眾多高等院校及科研院所逐漸開展了丸?；聶C相關技術的研究,丸?；滦屎唾|量都有所提高,取得了較大進步[5-9]。如胡志超等[10]為了提高5B-5型種子包衣設備的包衣質量,實現種藥均勻供給和精確計量,研發了種子計量校正計算和控制方法。韓豹等[11]設計研制了適用于玉米、小麥、水稻、大豆蔬菜、花卉等種子的包衣設備。桑杰等在BY-150型種子包衣機的基礎上,設計了一套包衣流程總體方案,提高了種子包衣機的自動化和精細化程度。胡志超等[12]研制了一款回轉釜式種子包衣機,并用油菜種子進行了丸?；略囼炑芯?。馬榮朝等[13]研制了一款輕小型種子包衣設備,并對輕小型種子包衣機的設計參數進行了理論分析與試驗研究,為種子包衣機的設計提供了理論基礎。邵志威[14]、仇義[15]、戴念祖[16]等針對牧草種子振動丸?；聶C進行了結構設計及性能研究,主要針對種子丸?；潞细衤蔬M行了工作參數的優選,沒有涉及牧草種子綜合性能的多目標工作參數優化。

綜上所述,國內研究者所研發的種子丸?；略O備主要采用包衣鍋旋轉方式,且丸?；轮饕獞迷诨ɑ?、蔬菜及農作物種子,針對小粒牧草種子設計的丸?；略O備應用較少。多數種子丸?；略O備對于不同種子的適應能力不夠,針對不同類型種子需要開展種子丸?；伦罴压ぷ鲄档倪x取與匹配試驗研究,一定程度上限制了種子丸?；略O備的大面積推廣使用。

因此,本文以自行設計的牧草種子振動丸?；聶C為研究對象,利用多目標優化方法對紅三葉種子丸?；鹿ぷ鲄颠M行優選研究,為開發牧草種子丸?；略O備及類似工作效率高、丸?；|量高的新型設備提供理論基礎與技術依據。

1 試驗裝置與評價指標

針對內蒙古地區廣泛種植的營養價值高的豆科牧草紅三葉作為試驗對象,丸?；浞讲捎么蠖狗圩鳛楣腆w粘結劑,硅藻土作為填充劑,大豆粉與硅藻土配比為3∶7。根據牧草種子噴播要求,丸?；路N子與粉料質量比為1∶3。

1.1 丸化包衣機整體結構組成及工作原理

試驗裝置主要由種子供給系統、粉料供給系統、供液系統、丸?；b置、振動系統、控制系統等組成。其結構如圖1所示。

圖1 種子丸?；聶C結構示意圖

丸?；麻_始前,先將種子、丸化粉料和粘結劑分別置于種子、粉料和藥液儲存桶中。啟動控制系統后,種子首先供入丸?；洛佒?粘結劑以霧狀噴入丸?；洛佒胁櫇穹N子表面,此時按照一定種子、粉料比將丸化粉料供入包衣鍋中,牧草種子在丸?；洛伒男D與振動復合作用下實現內外層間的擴散、混合、粘結,丸化包衣粉料在運動過程中均勻地黏附于種子表面,重復進行定量供液和供粉,直到種子增重比達到要求后,丸?；陆Y束。

1.2 試驗評價指標

為了檢驗牧草種子丸?；聶C工作性能,參照中華人民共和國煙草行業標準YC/T 141—1998《煙草包衣丸化種子》、中華人民共和國行業標準JB/T 7730—2011《種子包衣機試驗方法》中關于種子丸?；|量性能指標,提出采用單籽丸化合格率J和單籽抗壓強度P作為牧草種子丸?；伦鳂I質量的考核指標。

(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;

Zb——草種未完全包敷與草種數目大于1粒的粒數之和。

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

(2)

式中:Pi——被測試第i粒丸化種子的抗壓強度,N;

N——測試種子粒數。

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破損,使丸化種子更加適合飛播與噴播播種。設計要求丸?；聶C針對不同類型的小粒牧草種子均能達到單籽丸化合格率≥90%,牧草種子丸?；聠巫芽箟簭姸取?5 N。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗因素及試驗結果

為了研究丸?；略O備工作參數對丸?；滦阅苜|量的影響規律,以丸?；聶C關鍵工作參數包衣鍋轉速、振動頻率、包衣鍋傾角為試驗因素,單籽丸化合格率、單籽抗壓強度為試驗響應指標,采用三因素三水平Box-Behnken響應面分析法進行試驗,試驗因素水平根據預試驗進行選取,如表1所示。

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

每組性能試驗進行3次,每次間隔時間分別為10 min,試驗結果取平均值。試驗結束后統計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度,試驗結果如表2所示。

表2 紅三葉種子二次回歸正交試驗方案及試驗結果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度響應模型

利用Design軟件對試驗因素與響應指標間不同種類模型進行建模對比分析,表3為單籽丸化合格率和單籽抗壓強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度的模型進行擬合,其中二次方程模型的P值<0.000 1,二次方程模型擬合呈現非常顯著的特性,表明二次方程模型進行擬合具有準確度高、與實際試驗結果一致性好的特點。因此,對于紅三葉種子單籽丸化合格率及單籽抗壓強度采用二次方程模型進行擬合。

通過Design-Expert 11.0對正交試驗結果進行擬合得到紅三葉種子單籽丸化合格率及單籽抗壓強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)

為了進一步驗證回歸模型的準確性,采用軟件分析得到單籽丸化合格率及單籽抗壓強度實際值與模型預測值的關系曲線如圖2所示。

(a) 單籽丸化合格率

(b) 單籽抗壓強度

從圖2可以發現,散點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度實際值與預測值之間具有高度相關性,模型可靠性較高,可用于紅三葉種子丸?；逻^程中響應指標的預測分析。

3 紅三葉丸?；滦阅苤笜藛文繕藘灮?/h2>

分別以紅三葉單籽丸化合格率最大值、單籽抗壓強度目標值大于25 N為優化目標進行單目標優化,同時為了驗證二次回歸模型的準確性,利用優化參數進行丸?；略囼烌炞C,單目標工作參數優化結果及試驗驗證結果如表4所示。

表4 紅三葉種子參數優化結果Tab. 4 Optimized variable result of red clover seeds

觀察表4可以看出,單籽抗壓強度與單籽丸化合格率對應的最佳工作參數不一致,選取參數時無法實現兩者性能均達到最佳。同時可以看出,紅三葉種子的單籽丸化合格率試驗值與回歸模型預測值間的相對誤差為0.15%,紅三葉種子單籽抗壓強度試驗結果與回歸預測值間的相對誤差僅為5.85%,證明回歸模型的準確性與可靠性。

4 丸?；鹿ぷ鲄刀嗄繕藘灮?/h2>

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優化算法,它通過對各個目標函數之間的關系進行分析與協調,找出能使各個目標函數都達到理想目標值的最優解集。圖3所示為NSGA-Ⅱ算法運算流程圖[17]。

圖3 NSGA-Ⅱ算法運算流程

進行多目標優化時,根據建立的單籽丸化合格率、單籽抗壓強度二次回歸模型,確定兩個目標函數。

(4)

式中:JO——單籽丸化合格率目標函數;

J(A,B,C)——單籽丸化合格率回歸模型函數;

PO——單籽抗壓強度目標函數;

P(A,B,C)——單籽抗壓強度回歸模型函數。

在目標函數的基礎上建立多目標丸?；聶C工作參數優化模型,同時滿足下述約束條件。

(5)

應用Matlab軟件編寫NSGA-Ⅱ多目標優化程序,算法中選擇種群規模為100,交叉率與變異概率分別設置為0.8和0.2,迭代次數設定為500。多目標優化變量結果如表5所示。

表5 多目標優化變量結果Tab. 5 Multiple target optimized variable result

根據表5所示的多目標優化結果選擇第一組參數既可以確保最佳的單籽丸化合格率,又能滿足單籽抗壓強度的要求。根據丸?；聶C操作實際情況,對表5中數據進行取整后得到紅三葉種子多目標優化最佳參數組合為:振動頻率15 Hz、包衣鍋轉速59 r/min、包衣鍋傾角35°。為了驗證多目標優化最佳參數組合的可靠性,以最優參數組合作為試驗因素進行3次紅三葉種子丸?；略囼?得到紅三葉種子單籽丸化合格率平均值為97.1%,與優化結果的相對誤差僅為0.80%,單籽抗壓強度平均值為27.8 N,與優化結果的相對誤差僅為1.11%,優化參數組合下的單籽丸化合格率與單籽抗壓強度均達到目標期望值,滿足丸?；率褂靡?。

5 結論

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

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