番茄种子包衣丸粒化装置的设计与试验

孙 正，李树君，苑严伟，张俊宁，董 鑫

(中国农业机械化科学研究院 土壤植物机器系统技术国家重点实验室，北京 100083)



番茄种子包衣丸粒化装置的设计与试验

孙 正，李树君，苑严伟，张俊宁，董 鑫

(中国农业机械化科学研究院 土壤植物机器系统技术国家重点实验室，北京 100083)

为解决番茄种子扁圆轻薄、人工播种效率低及无法机械化播种等问题，设计了一种番茄种子自动包衣丸粒化装置，并利用该装置进行了试验。该装置主要由喂料器、转盘、滚筒、供液设备、控制箱及支座组成。在5g番茄种子与400 r/min的供液泵转速条件下，以滚筒转速、包衣时间、包衣剂质量及胶悬液体积为试验因素进行了正交与回归试验，并通过DPS数据处理软件对试验数据进行统计分析，得出试验范围内试验因素对丸粒化后种子抗压强度、有仔率和单仔率等指标的影响规律。同时，优化确定了包衣装置包衣丸粒化番茄种子的最佳参数组合：在滚筒转速为500r/min、包衣时间为300s、包衣剂质量为55g及胶悬液体积为40mL时，抗压强度、有仔率、单仔率分别为316.8 g、87%、93%。该研究可为番茄、辣椒等茄果科种子包衣丸粒化的研究提供参考。

番茄种子；包衣；丸粒化

0 引言

番茄味道鲜美，营养丰富，维生素C的含量较高，被称为“蔬菜水果之王”。截止2014 年，我国番茄种植面积高达100万hm2，是世界三大主要种植区域之一[1-3]。番茄种子千粒质量只有2.5～3.5g，单粒种子直径不到1 mm，种皮表面布满微绒毛，播种时容易相互粘连，且播种后发苗困难，成苗质量差。此外，我国番茄种植面积大，因此每年播种时造成的种量浪费也很大，特别是近年番茄种子价格上涨，由此带来了巨大的经济损失[4-7]。因此，通过种子丸粒化技术获得颗粒大小均匀一致、饱满健壮、可实现大面积精细化直播作业的优质商品种子已成为一种趋势与必然。

国外研究者对种子丸粒化技术研究较早，从重型丸粒到结壳包衣，技术已相对成熟，加上国外一些发达国家的机械化程度高，不论在大田作物，还是在蔬菜、花卉作物上都广泛地应用了种子丸化技术，且逐步建立了规范的丸粒化标准，如美国、西欧地区的甜菜种子都已实现丸化标准，特别在蔬菜、花卉等高成本种子上应用广泛。目前，莴苣种子、甜菜种子等在欧美基本上都已实现丸粒化[3]。英国Germains公司的Spectracota旋转式全系列包衣设备，包衣效率高，包衣剂混合均匀，但其喂料装置结构复杂、整机尺寸偏大。美国Universal Coating Systems公司CCS系列离心种子包衣机直径范围为300～1 200mm，适合各类型种子的包衣丸粒化；但将喂料装置设计在整体设备顶端，导致纵向尺寸过大，不利于操作。我国种子包衣技术起步晚，开始于20世纪80年代，先后对油菜、牧草种子进行了研究。中国农机院生产的5BW-50型种子丸粒包衣一体机在小麦、玉米及油菜种子包衣丸粒化效果较好，但无独立的供液装置。农业部农业机械试验鉴定总站和农业部南京农业机械化研究所共同研制的5WH-150型种子丸粒化设备，加工能力强，自动化程度较高，但该机构结构复杂，并不适合番茄种子的包衣丸粒化[8-12]。

基于以上分析，本文提出了适用于番茄种子包衣丸粒化的装置，并利用该装置进行包衣丸化试验。在包衣滚筒转速、包衣时间、包衣剂质量和胶悬液体积试验因素下，对抗压强度、有仔率和单仔率进行试验研究，并建立试验因素与抗压强度、有仔率、单仔率的数学模型，为开展番茄种子包衣丸粒化装置研究提供参考。

1 设计原理及机构

1.1 总体设计与工作原理

番茄种子包衣丸粒化装置主要由喂料器、滚筒、控制箱及支座等组成，如图1所示。主要技术参数如表1所示。

工作时，种子和包衣剂由喂料器依次进入包衣机滚筒，电机驱动转盘转动，种子在扬料板作用下在滚筒内不断升高落下；喷涂泵开始工作，源源不断地呈雾状往滚筒喷洒胶悬液，番茄种子与包衣剂、胶悬液充分接触，形成包覆层；番茄种子质量逐渐增大，逐渐完成包衣丸化过程。

1.控制箱 2.支座 3.出料口 4.滚筒 5.喂料器图1 包衣装置结构简图Fig.1 Structure diagram of coating equipment表1 包衣机结构参数和工作参数Table 1 Structural and working parameters of coating machine

参数单位数值外形尺寸mm400×450×1200整机质量kg85最大种子包衣质量kg0.5供液量mL/min0～500滚筒转速r/min0～800

1.2 叶轮精量喂料器设计

包衣剂是由不同物料混制而成的，颗粒度小。喂料装置的设计要求是能够将包衣剂均匀、定量地喂入滚筒。传统搅龙喂料器易造成出料口阻塞，并不适合颗粒度细小的包衣剂，所以采用叶轮喂料器。喂料器主要由叶轮、电机、联轴器及料斗等组成，如图2所示。叶轮每一小格喂入包衣剂约为15mL，理论上叶轮每转可喂入包衣剂150mL。

1.3 包衣机机械结构设计

包衣机主要由滚筒、电机、转盘及扬料板等组成，如图3所示。滚筒直径为320mm，高度250mm,电机提供动力，功率为0.55kW，采用无级变速，转速范围为0～900r/min。

图2 叶轮喂料器结构图Fig.2 Structure diagram of impeller feeder

1.控制箱 2.电机 3.支架 4.转盘 5.扬料板 6.滚筒图3 包衣机结构简图Fig.3 Structure diagram of roller coating

扬料板结构简图如图4所示。扬料板将种子扬起到一定高度，增加种子与包衣剂的接触，由于扬料板的作用，并根据试验中观察到的轨迹，物料在滚筒内并不做圆周运动，而是做类似椭圆运动，物料运动轨迹如图5所示。种子在滚筒内受到摩擦力、筒壁对种子的支反力及自身重力的共同作用，使得种子不断地沿着筒壁做圆周运动；同时，种子也在筒壁处做自转运动[13-16]。

图4 扬料板结构简图Fig.4 Structure diagram of lifting panels

现对种子将要脱离扬料板时进行受力分析，A点上的种子所受作用力有自身重力G、法向支反力FN及摩擦力f，方向如图5所示。

图5 番茄种子包衣原理图Fig.5 Schematic diagram of tomato seeds coating

滚筒转速方向如图5所示。假设种子在该点的速度达到最大，则种子受到的离心力达到最大值。在此临界状态下，种子处于相对平衡的状态，则各个力在扬料板A点处切向和法向上投影的代数和为0，则

Fc-FN-Gcosθ=0

(1)

f-Gsinθ=0

(2)

式中 θ—重力G与支反力FN的夹角。

(3)

式中 r—A点的曲率；

v—瞬时线速。

番茄种子在脱离扬料板瞬间时法向支反力FN=0，则

(4)

又根据平抛运动得

(5)

s=vt

(6)

式中 t—种子在空中运动时间；

H—种子在空中运动高度；

s—种子在空中水平运动距离。

根据滚筒直径和高度，估算出各参数最大值：r=0.09m，H=0.2m，s=0.17m。

由式(4)得出：瞬时线速度在曲率r确定时只与夹角θ有关；番茄种子离开扬料板后做近似平抛运动，瞬时线速度大，水平位移大，种子与包衣剂接触机会大。但是，瞬时速度过大，则种子容易贴壁运动，不利于包衣丸化。根据式(4)～式(6)算出θ≈36°，圆整取θ=30°。

1.4 控制系统设计

控制系统的结构示意图如图6所示。该系统包括物料喂入的精量控制、胶悬液的精量喂入控制及包衣滚筒转速的控制。

叶轮喂料器由直流电机驱动，可在一定时间内依次连续的喂入物料。减速电机型号为WS-60GA775F-5000，电压DC24V，总长约为40mm，质量约为700g，额定转速为15r/min。

图6 控制系统结构示意图Fig.6 Schematic diagram of control system

胶悬液的精量控制采用多个独立的计量泵连续供液来实现，可调节每秒喂入胶悬液的体积。选用兰格精密蠕动泵，型号为BT300-2J，能提供0.07～1 140mL/min的流量范围;控制方式有旋钮控制，也支持RS485通讯功能及外控模拟量和脉冲控制；具有3位LED转速显示功能，转速范围为1～300r/min 正反转可逆；工作电源为AC220V，并且此蠕动泵还具有掉电记忆功能。

丸化包衣时，滚筒转速可由变频器无级调速，即可预先设定好转速，也可在包衣过程中随时改变转速。驱动转盘转动电机的功率为0.55kW，ABB变频器的ACS355系列适用功率范围为0.37～22kW，广泛应用于食品加工行业，具有传动和调速更加快速容易、占据空间更小的特点，提升了机柜的利用率。喷涂泵将由蠕动泵提供的胶悬液旋转喷洒到滚筒内。

包衣机安装有急停按钮，当出现转盘卡住或其他意外时可按此按钮，包衣装置立即停止工作。

2 试验条件与方法

2.1 试验条件与仪器

试验材料为经过处理的番茄种子、自配的包衣剂,以及由水和聚乙二醇配制的胶悬液。

仪器包括秒表、大电子称、精密电子称、计算机、放大器等。

2.2 试验方法

试验前称量番茄种子，用5 g番茄种子试验，并按一定比例配制好包衣剂与胶悬液，喷涂泵转速固定为400r/min。

试验时，首先启动电机，滚筒转动；然后喂入番茄种子；喷涂泵开始呈雾状往桶内喷射胶悬液，秒表计时3s后开始喂入包衣剂，滚筒高速转动，种子、包衣剂将会随之做离心运动，并逐渐丸化成丸。

试验后，打开出料口，丸化后的种子将会从出料口流出，关掉包衣机开关，清理滚筒，为下一次试验做准备。

2.3 试验指标测定方法

1)有仔率：选用同一批次丸化后的番茄种子，随机抽出50粒，人工碾碎丸化后的种子，统计有仔的粒数，重复取样10次，取其平均值。

2)发芽率：选用同一批次丸化后的番茄种子，随机抽出50粒，在相同的自然环境下，统计发芽的粒数，重复取样10次，取其平均值。

3)单粒抗压强度：选取4粒同一批次丸化后的番茄种子，放在水平工作台上，4粒种子连线构成边长为60mm的正方形；然后在种子上面放置一个厚度为2mm、边长为80mm的正方形亚克力板，使正方形的边与4粒种子构成的正方形的边平行；在正方形亚克力板上以中心为对称点均匀放置砝码。当观察到丸化后种子开裂时，统计砝码与亚克力板的质量，除以4，即得到本次单粒抗压强度。重复取样测量10次，取其平均值，即为该批次丸化后种子的单粒抗压强度。

3 试验结果及分析

3.1 包衣丸化效果

番茄种子包衣前体积小、质量轻、表面粗糙不平；丸化后形状规则、适合机械化播种。包衣前后效果如图7所示。

图7 番茄种子包衣前后对比图Fig.7 Comparison diagram before and after coating of tomato seeds

3.2 正交试验

本包衣装置适用于番茄种子包衣丸化，其滚筒直径和长度固定。包衣丸化性能主要由滚筒转速A、包衣时间B、包衣剂质量C、胶悬液体积D决定。本试验主要研究这4个参数对番茄种子包衣丸化性能的影响规律，并确定其取值。

采用正交试验方法进行参数选优，正交试验各因素编码如表2所示。各因素的零水平是根据现有机型参数值和经验值确定的。选用L9(34)正交表，试验方案及试验结果如表3所示。

表2 因素水平编码表

表3 正交试验方案及试验结果表

利用DPS软件对正交试验数据进行极差分析，根据极差大小排出4个因素分布对3个指标影响的重要性的主次顺序如下：抗压强度ACDB;有仔率DBCA;发芽率DBCA。

用加权评分法对各性能指标进行加权评分，当抗压强度、有仔率、发芽率的加权系数分别取0.3、0.3、0.4时，较优组合为：滚筒转速500r/min，包衣时间300s，包衣剂质量60g，胶悬液体积50mL。

3.3 回归试验

回归试验设计能够减少试验次数，简化回归计算，获得适用、可靠且质量高的回归方程，为以后大量包衣丸粒化提供一个理论依据。本研究采用二次通用旋转组合设计回归试验，以进一步提高预测精度。

正交试验给出了滚筒转速、包衣时间、包衣剂质量、胶悬液体积的较优组合。本试验旨在建立包衣装置各性能指标与试验参数的关系模型，优化确定最佳参数组合。试验因素编码如表4所示，试验方案及试验结果如表5所示。

用加权评分法进行统计分析，当滚筒转速、包衣时间、包衣剂质量、胶悬液体积的加权系数分别取0.3、0.3、0.4时，最佳参数组合为x1=0,x2=-2,x3=0,x4=0(即滚筒转速为500r/min、包衣时间为300s、包衣剂质量为55g、胶悬液体积为40mL)，抗压强度、有仔率、发芽率分别为316.8g、87%、93% 。

表4 回归试验编码表

表5 回归试验方案与试验结果

续表5

抗压强度为

y1=318.21429+0.10417x1-1.35417x2-

0.93750x3-0.31250x4-2.28795x12-

1.03795x22-0.72545x32-1.97545x42+

0.15625x1x2-0.78125x1x3+2.03125x1x4+

2.65625x2x3+0.46875x2x4+0.78125x3x4

(7)

有仔率为

y2=0.89714-0.00792x1-0.00292x2-0.00708x3-

0.00042x4-0.00356x12-0.00731x22+

0.00019x32-0.00231x42+0.00437x1x2-

0.00187x1x3+0.00562x1x4+0.00687x2x3+

0.00312x2x4-0.00187x3x4

(8)

发芽率为

y3=0.89286+0.00042x1+0.00125x2-

0.00542x3-0.00125x4-0.00124x12+

0.00126x22-0.00374x32-0.00124x42+

0.00063x1x2+0.00063x1x3+0.00188x1x4+

0.00438x2x3+0.00313x2x4+0.00313x3x4

(9)

其中，x1为滚筒转速；x2为包衣时间；x3为包衣剂质量；x4为胶悬液质量；y1为抗压强度；y2为有仔率；y3为发芽率。

3.4 抗压强度影响因素分析

抗压强度是番茄种子丸化包衣的重要性能指标之一。由表5可知：不同的试验参数下，抗压强度值不同。借助抗压强度回归方程(7)，将4个变量中的3个固定于最优值，分析另一变量对抗压强度的影响。

当x2=-2、x3=0、x4=0时，则

y1=316.76589-0.2083x1-2.28795x12

(10)

由式(10)可知：当x1在[-2 2] 变化时，抗压强度y1值域为[308.03 316.77]。

当x1=0、x3=0、x4=0时，则

y1=318.21429-1.3542x2-1.03795x22

(11)

由式(11)可知：当x2在[-2 2]变化时，抗压强度y1值域为[311.25 318.66]。

当x1=0、x2=-2、x4=0时，则

y1=316.74589-6.25x3-0.72545x32

(12)

由式(12)可知：当x3在[-2 2]变化时，抗压强度y1值域为[301.34 330.21]。

当x1=0、x2=-2、x3=0时，则

y1=316.74589-1.2475x4-1.97545x42

(13)

由式(13)可知：当x4在[-2 2]变化时，抗压强度y1值域为[306.35 316.94]。

由以上分析可知：当包衣剂质量变化时，抗压强度变化最大。

3.5 有仔率影响因素分析

有仔率是番茄种子包衣丸化另一个重要的性能指标。根据有仔率回归方程(8)，将4个变量中的3个固定于最优值，分析另一变量对有仔率的影响。

当x2=-2、x3=0、x4=0时，则

y2=0.87374-0.01666x1-0.00356x12

(14)

由式(14)可知：当x1在[-2 2]变化时，有仔率y2值域为[0.826 0.893]。

当x1=0、x3=0、x4=0时，则

y2=0.89714-0.00292x2-0.00731x22

(15)

由式(15)可知：当x2在[-2 2]变化时，有仔率y2值域为[0.862 0.897]。

当x1=0、x2=-2、x4=0时，则

y2=0.87374-0.02048x3+0.00019x32

(16)

由式(16)可知：当x3在[-2 2]变化时，有仔率y2值域为[0.833 0.915]。

当x1=0、x2=-2、x3=0时，则

y2=0.87374-0.00668x4-0.00124x42

(17)

由式(17)可知：当x4在[-2 2]变化时，有仔率y2值域为[0.855 0.883]。

由以上分析可知：包衣剂的质量变化对有仔率的影响最大。

4 结论

1) 研究了一种适合番茄种子包衣丸粒化试验装置，对其结构及特点进行了分析，并验证了其可对番茄种子进行包衣丸粒化。

2) 分析了番茄种子包衣丸粒化技术特点及原理，结合试验，得出在滚筒转速为滚筒转速为500 r/min、包衣时间为300s、包衣剂质量为55g、胶悬液体积为40mL时番茄种子包衣效果最优，且主要性能指标抗压强度、有仔率、发芽率分别为316.8g、87%、93%。

3) 包衣机理论分析及试验结果验证了机构的准确性与合理性，且建立了因素与指标变化关系的数学模型，为以后进一步研究奠定基础。

[1] 张建伟,王咏红,高瑛,等.基于产业链对中国番茄产业国际竞争力研究[J].世界农业,2008(6):45-48.

[2] 梁习卉子．国内外种子加工行业的比较探究[J] ．新疆农垦科技, 2012(11):30-32.

[3] 曹兴乔．我国种子加工机械发展现状及趋势[J] ．农业科技与装备, 2012(1):87-88.

[4] 王少先，彭克勤，萧浪涛,等．种子包衣及丸化技术研究进展[J].种子,2002(5):32-35.

[5] 王丽维，赵武云．种子包衣机械的研究现状与进展[J].湖南农业科学,2009(3):94-96.

[6] 胡志超，田立佳，王海鸥，等．种子丸粒化设备的研制及丸化工艺的研究[J].农机化研究,2008(3): 95-97,101.

[7] 杨婉霞，赵武云，杨梅．基于专家系统的智能化种子包衣机控制系统研制[J].中国农机化,2014(1):216-219,248.

[8] 谢焕雄，宋英，彭宝良，等．基于PLC的种子丸化设备自动控制系统设计与实现[J].中国农机化, 2012(3):125-128.

[9] 王海鸥，胡志超，田立佳，等．种子丸化技术及其研究与应用概况[J].现代农业装备, 2006(10): 48-50.

[10] 马荣朝，秦文．轻小型种子包衣机的研制及最佳滚筒转速的研究[J].中国农机化,2003(4):25-27.

[11] 吴文福，赵学笃，马中苏,等．种子包衣剂定量供给装置[J].农业机械学报,2000,31(1):42-44,65.

[12] 王关平，王咏梅，牛彩霞,等．基于简易专家系统的智能种子包衣机控制实现[J].农业机械,2013(19):152-155.

[13] 胡良龙，胡志超，高刚华，等．基于PLC的种子包衣机自动控制系统设计与实现[J].农业工程学报,2007,23(8):140-144.

[14] 胡志超，计福来，高刚华，等．5B-5型智能化种子包衣机[J].农业机械学报,2007,38(9):205-207.

[15] 汤浩龙，和炳全．现代化农业中的种子加工技术[J]. 现代化农业,2012(8): 62-64.

Design and Experiment on Coating Granulation Equipment for Tomato Seeds

Sun Zheng, Li Shujun, Yuan Yanwei , Zhang Junning , Dong Xin

(Chinese Academy of Agriculture Mechanization Sciences, China State Key Laboratory of Soil Plant Machinery System Technology, Beijing 100083, China)

Coating granulation plays an important role in the process of seeds treatment, coating seeds can reduce the labor intensity, improve the production efficiency and ensure the germination rate. Tomato planting area is very large in China, and is one of three major planting area over the world. In 2014, the planting area was one million square hectare in China. However, at present, there is no proven technology available in tomato seeds coating, which brought about huge waste of seeds and caused a lot of economic losses. Therefore, it is very important and urgent to study the coating granulation technology for the tomato seeds. Based on the situation above, and in order to realize the mechanical sowing of the tomato seeds, the coating equipment was designed, suited for tomato seeds. The mechanism consisted of the feeder, roller, liquid supply device, a control box and support devices. The feeder transported regularly the tomato seeds and the coating agents into the roller, at the same time, the spray pump sprayed the liquid into the roller, and then the machine started coating granulation. Compared with the existing coating machine for tomato seeds, the mechanism proposed in this paper was simplified and its stability was improved. The whole structure was more compact and the roller speed was easier to control. Based on the analysis of structure features and working condition, its experiment model was established, and the compressive, containing seed rate and germination rate was analyzed. In order to obtain the best test parameters, quantitative coating experiment of tomato seeds was carried out. In the case of 5 g tomato seeds and 400r/min spray pump speed, the roller speed, coating time, coating agent weight and liquid suspension volume, which were supposed to be the main influence experiment factors, were researched in the orthogonal mesh size experiment. The orthogonal experiment provided the better combination of the four experiment factors. After the orthogonal mesh size experiment, the roller speed, coating time, coating agent weight and liquid suspension volume were researched in the regression testing. Then by using the DPS and other software, the statistical analysis of the experiment data was got. The influence of the roller speed, coating time, coating agent quality and liquid suspension volume on the compressive strength, the containing seed rate and the germination percentage was obtained. The optimal parameter combination is the roller speed of 500 r/min, the coating time of 300 s, the coating weight 55g, and the liquid suspension volume of 40mL.Accordingly, the compressive strength is 316.8g, the containing seed rate was 87%, and the germination percentage was 93%, which indicated that coating mechanism met the requirement of actual testing. The coating granulation experiment further proved that the mechanism could not only satisfy the demands of tomato seeds coating granulation, but also apply to other vegetable seeds, such chili seeds. The research method was also proved to be accurate. The study for the tomato seeds coating granulation provides very important theoretical basis and reference for the design, analysis and further study on other micro seeds.

tomato seeds; coating; coating granulation

2016-04-25

“十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAD19B03)

孙 正(1989-),男，江苏宿迁人，硕士研究生，(E-mail) sqsz6@126.com。

李树君(1963-)，男，北京人，研究员，博士生导师，(E-mail)lisj@caams.Org.cn。

S223.1+2

A

1003-188X(2017)06-0162-08