5 BY型种子包衣机最佳工艺参数研究

李建军, 史春梅2, 孟庆祥, 单琪凯, 王 岩, 华秀萍, 姜永成

(1.佳木斯大学智能检测与控制研究所， 黑龙江 佳木斯 154007；2.黑龙江省水利学校， 黑龙江 大庆 163000)

种子丸粒化使种子流动性增加，便于机械化播种，是种子生产中一个重要步骤[1-4]。种子包衣机作为主要的种子包衣装备，是种子商品化关键技术手段，其技术完备性直接决定种子包衣质量与合格率[5-7]。当前，瑞典、美国、法国等欧美发达国家所研发的种子包衣机在结构设计、种药配比、电气控制等方面均处于世界先进水平[8-10]。2014年，法国特纳(Turner)公司设计并提出流体屏障包衣机及包衣方法，并获得专利(Coating machine and method with fluid barrier)，其利用相关机械机构使药液形成液体屏障，种子或药丸等通过屏障时，形成包衣薄膜，再进行粘粉工艺，此设计可通过调节药液屏障厚度精准控制包衣膜厚度，从根本上避免了复杂的种药计量、配比问题，能够精确、方便地控制种药配比，大大提高包衣合格率，当前此技术居于世界先进行列[11]。我国包衣机技术与欧美发达国家相比存在以下问题[8,12-13]：机型种类多，各机型行业标准繁杂，技术参数设计不合理，喷枪位置、滚筒内压力对于包衣质量影响较小，依靠人工经验设定即可，而喷雾速度、滚筒角度、滚筒转速对包衣质量影响较大，且三者存在明显交互作用，滚筒转速太低或喷雾压力过大时，易出现种子粘结，转速过高时，导致种衣剥落或种子损伤，另外，滚筒角度与转速交互作用对滚筒内壁压力产生影响，进而影响种衣紧实度。对此，相关科研、工程技术人员投入大量研究，并取得一定成果。邵志威等[14]研究了基于振动力场作用下小粒牧草种子丸粒化效果影响因素，通过正交试验探明了包衣锅倾斜角度、包衣锅转速、振动频率三因素及其交互作用对包衣效果的影响；与本研究内容有重合之处，但其只针对所设计带有震荡功能包衣机，当前主流包衣机不具备震荡包衣功能，适用性不够全面。田耀华[15]针对药物包衣机和薄膜包衣质量提出相关操作参数和影响参数，基于“高效包衣”理念，对包衣滚筒转速与包衣质量关系进行探讨，同时对薄膜包衣质量影响因素及对策提出了看法；唐红军[13]对包衣机滚筒结构、计量药箱设计等方面存在的问题进行分析并给出改进意见，为包衣机更新换代，提供技术参考。马荣朝等[16]研制轻小型种子包衣机，以适应南方丘陵地区、不同种子包衣需求，对最佳滚筒转速进行研究和改进，大大提高种子包衣质量。类似上述研究还有很多，大多从影响包衣质量的单个因素进行探究，未考虑各因素间交互作用影响，所得工艺参数并非最佳参数。本研究以提高种子包衣合格率为目标，以5 BY型包衣机作为试验样机，设计正交试验，探究包衣机滚筒倾斜角、滚筒转速、喷雾速度三因素及其交互作用对玉米种包衣合格率和包衣质量的影响。得出丸化率影响因素模型及最佳工艺参数，以期为种子生产企业设备工艺问题提供参考。

1 5 BY型包衣机的组成及原理

5 BY型包衣机由机架、供料机构、滚筒机构、供药机构、供粉机构及控制系统等功能模块构成(如图1所示)[17]。种子由提升器装满料斗后，投料机构开始向自动计量称投料，为减少投料误差，根据投料量多少设计大投、中投和小投三级变量调节机制，分别由各气缸和电磁阀控制；首先，大投和中投同时工作，投入量到达设定量90%(可修改)时，大投停止，到达设定量97%(可修改)时，中投停止，小投开始，直到完成全部设定量，小投停止；种子开始经由分流板均匀下落，同时供药机构开始工作，药液雾化后均匀喷洒在种子表面，种子落入滚筒，滚筒在电机驱动作用下旋转使种子滚动，此时开始供粉，粉料粘附在种子表面形成包裹，经过旋转运动，种子变大变圆，形成丸粒。此时再次启动供药机构，形成第2层包衣膜，再次供粉以提高丸粒硬度和均匀程度。

2 材料与方法

2.1 试验材料

龙高L 2玉米种30 000粒，粉料2 000 g(硅藻土40%，膨润土43%，滑石粉17%)，种衣粘合剂水溶液300 g(羧甲基纤维素8%，聚丙烯酸树脂Ⅱ5%)[18]。

2.2 参数设计

滚筒倾角(筒口平面与水平面夹角)、滚筒转速(单位时间内滚筒旋转圈数)和喷雾速度(雾化量，单位时间喷出药液总量)作为影响包衣效果3个主要因素，根据以往经验确定各因素范围：滚筒倾角40°～60°，滚筒转速40～100 r·min-1，喷雾速度1.5～3.2 mL·min-1；丸化标准：种丸烘干后，距离硬质地面1 m处下落无脱块为优级，脱块直径小于1.8 mm为合格，合格丸数与种粒总数比值为丸化率。即设计三因素A：滚筒倾角(°)，B：滚筒转速(r·min-1)，C：喷雾速度：(mL·min-1)，单目标：丸化率(%)正交组合试验，试验实际值和编码值见表1。试验共20组(中心点重复6组)，每组做3次，取均值。试验在佳木斯大学智能检测与控制研究所进行，样机由黑龙江佳木斯融华机械制造有限公司设计提供，为尽快取得样机试验数据，先为其装配简易控制系统(仅具有滚筒调速功能，其他参数手动设定)，满足试验基本需求，待日后进一步研究和改进。

表1 因素水平表

编码A:滚筒倾角/°B:滚筒转速/(r·min-1)C:喷雾速度/(mL·min-1)-γ(-1.68)33.1819.550.92-140401.5050702.351601003.2γ(1.68)66.82120.453.78

注：为全面考察各因素对目标值的影响，增加星号臂γ水平，以保证试验结果全面性。

注：1为进料机构，2为机架，3为滚筒机构，4为供药机构，5为供粉机构，6为控制系统。图1 包衣机结构图

3 结果分析

3.1 丸化率模型

试验结果见表2，由Design Expert(Version 8.0.6 Copyright ©2010 Stat-Ease,Inc.All rights reserved)软件[19-20]，得出方差结果(表3)，经方差分析和回归验证，得出丸化率影响模型(回归方程)。

表2 试验结果

编号A:滚筒倾角水平B:滚筒转速水平C:喷雾速度水平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)

决定系数R2=0.89，统计量F的概率值p小于0.001，在可信区间(p≤0.05)内，模型拟合程度高，数据接近真实情况，能够进一步分析各因素及其交互作用对目标值影响并预测最优因素组合。因素滚筒倾角(A)和喷雾速度(C)一次项p值均在可信区间内，说明二者对丸化率有极显著影响，滚筒转速(B)也存在影响，但不显著。其主次因素排序：C>A>B，所选因素合理。AB、AC交互作用明显，其p值小于0.05，说明对目标有影响，交互作用BC作用不明显，变异系数=14.67%(小于15%)，再次说明模型拟合程度好。

表3 方差分析

方差来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失拟67.625513.52531.73020.7R2(确定)0.89信噪比11.89变异系数/%14.67

3.2 单因素分析

将丸化率模型方程其他2个因素置为零水平，分别考虑单因素滚筒倾角(A)、滚筒转速(B)和喷雾速度(C)对丸化率影响，得出单因素回归模型：

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)

由图2可知，曲线C：A、B置为零水平，丸化率随着喷雾速度变化先升后降，喷雾速度较低时，粘合剂液量少，粘着粉料较少，大部分种子能完成第1层包衣，第2层包衣时出现粉料脱落，丸化率下降，喷雾速度过高时，种子出现粘连，无法播种使用；曲线A：B、C置为零水平，滚筒倾角在-0.3水平附近丸化率达到最高点，-0.3水平两侧丸化率下降；曲线B：相比之下，滚筒速度对丸化率影响不大，曲线趋于平缓。

3.3 交互作用

3.3.1AB交互作用

AB响应曲面(图3)呈凸弧，弧度小，存在交互作用，但影响较小，滚筒倾角在低水平(40°～46°)时，丸化率随滚筒速度升高而降低，滚筒倾角在中间水平(40°～46°)时，滚筒速度变化对丸化率无较大影响，滚筒倾角处于高水平(53°～60°)时，丸化率受滚筒加速有细微升高趋势；无论滚筒转速在何阶段，丸化率都随着滚筒倾角变化呈先增后降趋势，幅度较小，滚筒转速低水平曲线(40～60 r·min-1)高于滚筒转速高水平曲线(80～100 r·min-1)，最优滚筒转速在低水平区间。

注：横坐标为各因素水平值。图2 单因素对丸化率的影响

图3 AB交互作用影响曲面

3.3.2AC交互作用

如图4所示，AC交互作用明显，二者均受对方影响，曲线先增后降，喷雾速度在中水平(2～2.6 mL·min-1)、滚筒倾角在低水平(40°～46°)时，丸化率出现最高点，此区域易出现寻优区间；滚筒倾角在中水平(46°～53°)或高水平(53°～60°)时，喷雾速度对丸化率影响曲线整体低于滚筒倾角低水平曲线，原因是滚筒越陡(料口平面与水平面角度越大)，玉米种越接近滚筒外壁滚动，面积狭小，导致种丸堆积，丸化率降低；当滚筒倾角处于低水平时，料口平面与水平面夹角小，玉米种分散面积大，粘合剂与粉料能够均匀粘着在种子表面，丸化率提高，在设定包衣机工作参数时，喷雾速度和滚筒倾角应作为重要因素考虑。

图4 AC交互作用影响曲面

BC交互作用影响曲面几近平面，说明其对丸化率无显著影响，不予分析。

3.4 模型优化

启动Design Expert软件模型优化功能，优化→数值→优化项，选择丸化率最大目标，输入最高值100，点击解决，得出最优因素组合：滚筒倾角43.61°，滚筒转速51.28 r·min-1，喷雾速度2.34 mL·min-1，丸化率97.39%，期望值0.89，可信度高。

4 控制系统完善说明

样机及控制系统如图5和图6，为尽快取得试验数据，本次试验样机仅装配简易控制系统，其功能完备性和智能化程度相对较低，尤其种子供给和药液供给精度较差，系统尚未完善，有待进一步研究和改进。

图5 包衣机样机

图6 包衣机控制系统

5 结 论

以5 BY型包衣机为试验样机，通过正交试验，探明了包衣机滚筒倾斜角、滚筒转速、喷雾速度三因素及其交互作用对玉米种包衣合格率和包衣质量的影响，试验结果表明：

1) 三者对丸化率有极显著影响，其影响主次因素排序：喷雾速度>滚筒倾角>滚筒转速，喷雾速度和滚筒倾角二者交互作用对包衣合格率也有极显著影响，在设定包衣机工作参数时，喷雾速度和滚筒倾角应作为重要因素考虑，滚筒转速对目标有细微影响，其设定范围可根据包衣机作业效率适当扩大。

2) 对包衣合格率进行模型优化，得出最优工艺参数组合：滚筒倾角43.61°，滚筒转速51.28 r·min-1，喷雾速度2.34 mL·min-1，丸化率97.39%，最大限度提高种子包衣合格率和质量。

3) 喷雾速度与滚筒倾角交互作用对丸化率有显著影响：喷雾速度中水平(2～2.6 mL·min-1)、滚筒倾角低水平(40°～46°)时，丸化率最高，滚筒倾角在中水平(46°～53°)或高水平(53°～60°)时，喷雾速度对丸化率的影响程度低于滚筒倾角在低水平时对其的影响。

4) 滚筒转速与滚筒倾角也存在交互作用，但影响较小：滚筒倾角处于高水平(53°～60°)时，丸化率受滚筒加速有小幅升高趋势，无论滚筒转速在何阶段，丸化率都随着滚筒倾角变化呈先增后降趋势，变化幅度较小。

5) 滚筒转速与喷雾速度交互作用影响曲面几近平面，其对丸化率无显著影响。

6) 样机装配简易控制系统，功能完备性和智能化程度相对较低，种子和药液供给精度较差，有待进一步研究和改进。