基于振动作用的牧草种子丸化包衣参数的试验研究

陈利杰，陈 智，侯占峰，仇 义，邵志威，弭龙凯，牛文彩

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

0 引言

种子是作物生长的基础，是农业丰收的重要保证[1]。随着农业新技术的推进，大量优良的种子已经为农业生产的丰收奠定了很好的基础。当前，为了更好发挥种子的优势,防止种子播入土壤后受到土壤中病虫的侵蚀而影响种子发芽出苗[2]，并使作物能适应不同地区的土壤条件，还需要为种子提供所需的微量元素。所以，现已大量采用种子包衣技术，实现种子优良工程。

种子丸化是一种新型种子加工技术，是将农药、肥料、生长调节剂、杀菌剂、保水剂及成膜剂等有效成分[3]利用种子丸化设备均匀地包裹到种子表面。种子丸化技术使质量较轻或表面不规则的种子具有一定强度、形状、质量，从而达到小种子大粒化、轻种子重粒化、不规则种子规则化的效果，并显著提高了种子对不良环境的抵抗能力。采用丸化加工是实现小粒种子、不规则种子精量播种的重要措施，对实现播前植保、保证播种质量的提高及播后种子的生长发育能力具有重要作用。

目前，种子包衣机多采用滚筒旋转或螺旋搅拌的方式对种子进行包衣，适合大粒的田间种子，包衣、上光率高[4]，但丸化率低。目前，针对牧草这种不规则的小粒种子的包衣设备极少。为此，设计了一种振动加旋转复合运动的种子丸化包衣装置[5]，对加湿后的种子进行丸化包衣，通过改变包衣锅的转速、倾斜角及振动加速度来找到最佳的包衣参数，以提高丸化包衣率。

1 材料与方法

1.1 试验装置

1.1.1 整体结构

丸化包衣装置主要由振动源、支撑装置、包衣锅、旋转电机及倾角可调装置组成[6]，如图1所示。

1.振动源 2.支撑装置 3.包衣锅 4.旋转电机 5.倾角可调装置

包衣锅呈平底圆柱形，底部设有出料口，支撑装置由3根支撑杆、支撑轴及支撑轴承组成；旋转电机与变频器相连[7]，能够使包衣锅实现无极变速；通过改变振动源的振动频率和振动幅度，可以调节包衣锅的振动加速度，倾角可调装置能够使包衣锅的倾斜角发生变化。

1.1.2 倾角调节装置

传统包衣机的倾角只能通过转动丝杠小角度调节，不能适应各类种子对不同角度的要求[8]。本设计的包衣锅倾角可调装置能够使包衣锅的倾角在0°～90°之间改变，以满足各类种子对角度的需求,如图2所示。

1.直角板 2.导轨滑板 3.圆柱销 4.导向销块

支撑装置中的支撑轴与支撑杆之间距离一定，当导向滑块沿支撑杆向下滑动时，使导轨滑板绕圆柱销转动，同时直角板沿导轨滑板向下滑动一定的距离，带动电机和包衣锅绕支撑轴转动一定的角度。当导向销块向下移动81.6mm时，包衣锅倾斜30°；向下移动99.1mm时，包衣锅倾斜35°；向下移动118.7mm时，包衣锅倾斜40°；向下移动141.5mm时，包衣锅倾斜45°。以此类推，可以得到各个角度时导向滑块移动的距离。

1.2 试验材料与条件

1.2.1试验材料

由于净度为99%的牧草冰草种子，丸化的粉料是500目的硅藻土、钠基、滑石粉、膨润土的混合物[8]，丸化的液剂是质量浓度为1.5%的羧甲基纤维素、聚乙烯醇的水溶液[9]。

1.2.2 试验条件

在本文设计的基于振动作用的牧草种子丸化包衣装置上，对50g的牧草冰草种子进行丸化包衣，由预试验和实际加工经验确定出种子和营养土的比例、种子和黏合剂的比例[10]，以及丸化包衣的振动加速度、倾斜角、速度的范围[11]。

1.3 试验方法

将称量后的牧草冰草种子放入包衣锅内，包衣锅在电机的带动下开始旋转；调节包衣锅的转速和倾斜角，选择合适的振动加速度，加入适量的高压雾化种衣剂，使种子的表面形成一层种衣膜[12]，加入一定量的营养土[13]，种子、营养土随着包衣锅旋转、翻滚、摩擦、滑移，在振动源的作用下振动、碰撞，最终在种子的表面形成包衣膜；如此往复进行数次,种子逐渐包裹变大,成为丸粒[14]。

1.4 种子运动状态

种子在包衣锅内依靠锅体的摩擦力，随着锅体上升到一定的高度，在重力的作用下下落，增加了种子与种衣剂接触的机会[15]；种子与种子之间摩擦、翻滚，种子与营养土之间滑移、碰撞，在振动力场的作用下增加了摩擦、翻滚、碰撞、滑移的次数，使得营养土更加充分地粘附在种子表面，形成包衣层，提高丸化包衣率，如图3所示。

图3 种子运动状态

2 结果与分析

2.1 振动加速度的确定

不同振动加速度下的丸化包衣情况和折线图如表1和图4所示。由表1和图4可以看出：当锅体的转速为49r/min、倾斜角为45°时，丸化率随着振动加速度先增大后减小。振动加速度太小时，种子与营养土之间摩擦、滑移的次数就少，营养土不易包裹在种子表面，种子与种子之间碰撞、摩擦小，容易形成大颗粒[16]；振动加速度过大时，种子与种子之间摩擦、碰撞严重，营养土反而不能包裹在种子表面。

表1 不同振动加速度下的丸化包衣情况

图4 不同振动加速度下的丸化包衣折线图

没有振动时，丸化率仅为44.9%；加入振动后，丸化率依次为64.9%、70.9%、77.5%、67.9%、55.7%，分别提高了20%、26%、32.6%、23%、10.8%，最少提高了10.8%，最大提高了32.6%。所以，加入振动后，种子运动状态良好，丸化率明显上升。当振动加速度为11.3mm/s2时，丸化率达到最大值77.5%。 由此可知，加入振动是非常必要的。

2.2 倾斜角的确定

不同倾斜角下的丸化包衣情况和折线图如表2和图5所示。由表2和图5可以看出：当锅体的转速为49r/min、振动加速度为11.3mm/s2时，丸化率随着倾斜角先增大后减小；包衣锅的倾斜角太大时，种子都很难随着锅体上升到一定高度[17]，减少了种子与种衣剂的接触及种子与种子之间的摩擦、碰撞，种子容易形成大颗粒[18]；太小时，减少了种子与营养土之间摩擦、滑移，不易形成包衣层，使丸化率降低；当倾斜角为45°时，丸化率达到最大值77.5%，比倾斜角为35°时提高了22%。

表2 不同倾斜角下的丸化包衣情况

图5 不同倾斜角下的丸化包衣折线图

2.3 转速的确定

不同转速下的丸化包衣情况和拆线图如表3和图6所示。由表3和图6可以看出：当锅体的倾斜角为45°、振动加速度为11.3mm/s2时，丸化率随着转速先增大后减小；速度太小时，种子不随着锅体上升抛下，而是在锅体底部旋转；速度太大时，种子随锅体一起旋转[19]，种子与种衣剂的接触减少，种子与种子之间的摩擦、碰撞减少，种子与营养土之间摩擦、滑移减少，不易在种子表面形成包衣层，种子的丸化包衣率就会降低；当转速为49r/min时,丸化率达到最大值77.5%，比59r/min时提高了18.3%。

表3 不同转速下的丸化包衣情况

续表3

图6 不同转速下的丸化包衣折线图

2.4 试验结果

试验发现：转速、倾斜角、振动加速度对丸化包衣率都有一定的影响。丸化率随着振动加速度、倾斜角、转速先增大后减小；加入振动后，丸化率明显提高，最大提高了32.6%；当包衣锅的振动加速度为11.3mm/s2、倾斜角为45°、转速为49r/min时，种子的丸化包衣率最高，达到77.5%。

图7为丸化包衣前的种子，图8为丸化包衣后的种子。丸化包衣后的种子粒径增大，质量增加，近圆度变大；包衣后种子的质量是包衣前种子质量的5倍，粒径增大4倍，绒毛和芽肧处也均匀地包裹着营养土，不仅为机械化精密播种创造了有利条件，而且发芽出苗率也大幅提高。

图7 丸化包衣前的种子

图8 丸化包衣后的种子

3 结论

1)引入振动源，设计了转速、倾斜角、振动加速度可调的牧草种子丸化包衣装置，该装置能够实现包衣锅的倾斜角在0°～90°度之间变化。

2)加入振动力场的作用，增加了种子与种子之间、种子与粉料之间的摩擦、碰撞、滑移，使种子与粉料更加充分地混合，提高丸化包衣率。

3)通过振动加速度试验，发现加入振动后丸化率明显提高，最少提高10.8%，最大提高32.6%，说明加入振动是非常有必要的。

4)通过3组单因素试验及数据分析，可以发现振动加速度、倾斜角、转速对丸化率的影响趋势，丸化率随着振动加速度、倾斜角、转速先增大后减小。

5)通过3组单因素试验及数据分析，确定了丸化包衣的最佳参数：包衣锅的振动加速度为11.3mm/s2、倾斜角为45°、转速为49r/min时，种子的丸化包衣率最高，达到77.5%。

4 展望

1)该试验装置的倾角可调装置需手动调节，还需进一步改进，实现自动化。

2)部分种子和营养土会粘结在包衣锅上，应加入叶片，清理锅内的种子和粉料。