牧草种子丸粒化包衣机种液实时混合系统的设计

2018-08-10弭龙凯侯占峰邵志威牛文彩陈利杰

农机化研究 2018年9期

弭龙凯，侯占峰，陈智，邵志威，仇义，牛文彩，陈利杰

(内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特 010018)

0 引言

牧草种子丸粒化加工是为满足牧草种子带肥、带药喷播等需求而发展起来的一项新型种子加工方法，已成为现代牧草种子处理、研究的一个热点[1]。采用丸粒化加工，不仅可改善种子形状、强度等物理机械特性，为小粒种子、不规则种子的机械化精量喷播创造条件，同时对实现播前植保、促进草籽生长、节本增效和保护环境有着重要现实意义[2]。

目前，种子包衣机多采用在包衣锅内进行种液混合，丸粒化程度较低、成本较高。同时，像牧草这种不规则的小粒种子包衣设备极少，自动化程度低，机械结构复杂，且包衣后种子单籽率低。因此，设计了一种自动化的种液实时混合系统[3]，可保证种子供给量和粘和剂供给量的精准化，实现实时控制种子和粘和剂的配比。种子和粘和剂的混合由原来在包衣锅内进行移到包衣锅外，不需要种子和粘和剂在包衣锅内的混合，在种子进入包衣锅的过程中就可以实现种子与粘和剂混合的过程，有效降低了种与种之间粘结的机率。

1 总体结构与工作原理

1.1 设计原理

目前，市面上可见的牧草种子丸化机种液混合多在包衣锅内进行，需要人工参与的部分很多，其单籽率低，丸化效果不好。为此，设计了一种牧草种子丸粒化包衣机的种液实时混合系统，该系统在种子下落过程中将种子摊铺成单片幕状同时将药液喷撒到牧草种子上，同时实现自动控制，有效减轻操作者的疲劳强度，提高牧草种子丸化效果和减少丸化时间。

1.2 整机结构及主要技术参数

牧草种子丸化机供种供药系统主要由料斗、供料机构、供药机构、分流盘、种液混合机构等组成[4]，如图1所示。牧草种植丸粒化包衣机主要技术参数，如表1所示。

1.粉料进料口 2.进料口阀门 3.称重系统 4.步进电机

项目单位参数外形尺寸(长×宽×高)mm×mm×mm1300×650×1200料斗容量(种子)kg5料斗容量(粉料)kg4.5药箱容量L3生产率kg/h1.2机器质量kg45

1.3 工作原理

种子和粉料经提升机分别提升喂入到种子料斗和粉料料斗，按照不同种子通过调节阀调整到要求的喂入量，实现定量进料，种子经过称重系统，进行称重，精准下料；同时，药液根据不同种子的要求按照一定比例混合好存放于药液储存罐，通过高压泵在高压泵电机的带动下泵送到喷头进行雾化；这时，种子经过种子分流板分流成单片幕状，在种子下落过程中与雾化的药液进行接触，使药液在种子表面成膜；然后，包好药剂的种子进入到包衣锅内，同时粉料根据种子的量进行称重下料，粉料通过气力粉料输送管送到包衣锅内，与种子进行混合。

2 关键部件设计与工作参数的确定

运用离散元仿真软件EDEM对牧草种子通过分

流盘后与药液的粘结过程进行仿真，分析牧草种子在分流板内的运动轨迹、经过每个下料口的种子量和进过下料口后种子和药液的粘结过程，从而得到牧草种子与药液的粘结运动规律[5]。

2.1 建立仿真模型

2.1.1 分流板模型建立

分流板由种子进口、分流槽和种子出口组成。分流槽如图2所示。一共有4排分流导向槽，每一排分流导向槽的摊铺长度为10cm，总共摊铺长度为40cm，摊铺面的形状如图3所示。分流导向槽摊铺面总体呈现为圆心角为20°、半径为115cm的圆弧。

图2 分流导向槽

图3 分流导向槽摊铺面

2.1.2 牧草种子模型建立

本试验所用的牧草种子为市场上常见的冰草种子，为了便于模拟和减少计算量，离散元颗粒系统建立时将冰草种子籽粒简化为具有同体性质的均匀的弹性材料及三轴尺寸为6.5mm×2.5mm×2.4mm的椭球体，如图4所示。冰草种子模型的物理参数[6]如表2所示。

2.2 种子和药液运动仿真

2.2.1 试验参数设定

为探究牧草种子在分流板内的运动规律，在分流板入口设置一个种子模型产生平面，大小为50mm×100mm，种子的初速度方向为Z轴负方向，大小为2m/s，种子生成速度为500g/s，时长为5s。种子生成模式选择动态生成，种子颗粒间碰撞会在多粒种子间同时产生，因此选择Hertz-Mindin(no slip)接触模型作为种子颗粒与种子颗粒、种子颗粒与几何体的接触模型[7]。根据实验修正设置种子颗粒与种子颗粒恢复因数、静摩擦因数、滚动摩擦因数为0.65、0.396、0.015，种子颗粒与几何体的恢复因数、静摩擦因数、滚动摩擦因数为0.45、0.5、0.05[8]。

图4 冰草种子模型

参数泊松比剪切模量/MPa密度/kg·m-3冰草种子0.31.1974

2.2.2 种子颗粒运动仿真

种子颗粒在分流板中的运动仿真模型如图5所示。固定时间步长设置为0.000 15s，颗粒尺寸最小半径为3。

(a) 0.84s

(b) 1.04s

当时间为0.84s时，第1排分流导向槽已经有种子颗粒经过分流板出口，第2排分流导向槽面的种子已经接近分流板出口，第3排和第4排分流导向槽里的种子还没有到达分流板出口。由图5可以得出：种子在经过分流板后下落的时间不同，第1排分流导向槽内的种子颗粒先下落至种液混合处，以此类推，依次到达。根据种子到达药液喷射面的时间分别控制每一个喷射面喷射开启时间[9-10]。

2.2.3 种子与药液粘结过程仿真

种子进过分流板后成幕状下落分局每一排下落时间不同，分别启动对应排的喷头进行喷射雾化的药液。种液混合运动仿真如图6所示。

(a) 种液粘结分布图 (b) 种液粘结微观图

为得到种子与药液的混合情况，选取856号种子颗粒，在药液喷射量分别为0.12、0.24、0.36、0.48L/min时，建立该颗粒在1～3.5s中质量的变化曲线，如图7所示。

2.3 仿真结果分析

在0～1.47s时，种子经过分流板还未到达药液喷射面，种子颗粒未与药液进行粘结，故种子颗粒质量没有变化。当药液的喷射量为0.12L/min时，被标记颗粒的质量在1.4～3s中增加的比较快，在3s以后质量维持在3.22mg左右。当药液喷射量为0.24L/min时，被标记颗粒的质量在1.4～2.7s中增加迅速，在2.7s之后质量维持在3.3mg左右。当药液的喷射量为0.36L/min时，被标记颗粒质量在1.4～2.5s中增加较快，在2.5s之后维持在3.4mg左右。当药液喷射量为0.48L/min时，被标记颗粒的质量变化和药液喷射量为0.36L/min时的变化相近。

图7 856号颗粒在不同条件下的重量变化

由图7分析可得：当药液喷射量为0.36L/min、药液喷射时间为1.1s时，种子颗粒可以粘结上最多的药液(0.6mg药液)。分析原因，当药液喷射量低于0.36L/min时药液与种子颗粒接触的机会相对较少。当药液喷射量大于0.36L/min时，由于种子颗粒的表面积是有限的，当种子表面粘结到0.6mg的药液后将没有空间去粘结更多的药液。