大豆種子包衣機種藥混合裝置勻種性能數(shù)值模擬與試驗

韓 豹，劉 俏，高英玲，楊書婕，郭 暢，董小偉，李悅梅

（1.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030；2.黑龍江職業(yè)學院機械工程學院，哈爾濱 150080；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)推廣總站，哈爾濱 150001）

種子包衣可驅(qū)避害蟲對已播種子及幼苗侵害，有利于苗期病蟲害防治及有效增產(chǎn)[1]。但種子包衣均勻性影響種子水分吸收、藥劑釋放及微生物活動等，影響種子出苗時間、芽率、整齊度和藥劑持效期與病菌侵染進程[2]。現(xiàn)代種子包衣處理利用種子包衣設(shè)備將種子與特制種衣藥劑按比例混合均勻，在種子表面包裹一層均勻藥膜，達到播種后發(fā)揮種衣成分作用。

西歐和北美等國家研制種子包衣設(shè)備、型號多、功能全，包衣合格率超過95%，藥種調(diào)節(jié)范圍較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和種藥配比、電氣控制等方面均于世界領(lǐng)先水平[3]。美國Germains 公司Spectracota旋轉(zhuǎn)式全系列包衣設(shè)備采用流水作業(yè)方式，具有較高包衣效率，控制成本同時可保證包衣劑混合均勻[4]。丹麥CIMBRIA HEID CC20型旋轉(zhuǎn)式種子包衣機采用可編程控制器控制，供料與供藥均自動協(xié)調(diào)，避免供藥和供料之間脫節(jié)現(xiàn)象[5]。德國PETKUS CT2-10 型種子包衣機采用先進變頻控制技術(shù)，種子包衣成膜率和均勻度好，具有數(shù)據(jù)掉電存儲功能[6-7]。我國20世紀90年代初開始推廣應(yīng)用種子包衣技術(shù)，研發(fā)包衣機種藥混合裝置多為雙盤（勻種盤與藥液霧化甩盤）式結(jié)構(gòu)，其工藝參數(shù)主要針對小麥和一些蔬菜等小粒種子設(shè)計，包衣作業(yè)時根據(jù)種子品種適當調(diào)整作業(yè)參數(shù)即可滿足工廠化生產(chǎn)要求[8-9]。雙盤式種藥混合裝置無需壓縮藥液，通過邊緣帶有波紋結(jié)構(gòu)甩盤高速（2 800～3 000 r·min-1）旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)藥液超細霧化，均勻噴涂到幕狀下落種子表面，結(jié)構(gòu)簡單，種藥混合均勻。但大豆種子包衣過程中，由于大豆粒大皮薄，勻種盤與藥液霧化甩盤同軸高速旋轉(zhuǎn)時，種子幕狀拋撒均勻性變差、種子包敷成膜不均，導(dǎo)致種皮出現(xiàn)褶皺，無法滿足大豆種子包衣要求。

針對上述問題，在已有研究基礎(chǔ)上[10]，根據(jù)薄膜包衣大豆種子合格質(zhì)量標準[11]，改進設(shè)計種藥混合裝置。為研究其工作參數(shù)（料口高度、勻種盤直徑和勻種盤轉(zhuǎn)速）與勻種性能關(guān)系，獲得適合大豆種子包衣機勻種要求理想工作參數(shù)組合，本文以種藥混合裝置為研究對象，采用離散元法及EDEM分析軟件，對其勻種性能作數(shù)值模擬，并在自制種藥混合裝置試驗臺上作勻種性能驗證試驗，以期為現(xiàn)有種子包衣機雙盤式種藥混合裝置改進提供參考。

1 種藥混合裝置結(jié)構(gòu)及顆粒模型創(chuàng)建

1.1 種藥混合裝置結(jié)構(gòu)

改進后種藥混合裝置主要由上下殼體、種箱、料管、料管調(diào)節(jié)機構(gòu)、勻種與藥液霧化機構(gòu)等構(gòu)成。其中，喂入量通過料管調(diào)節(jié)機構(gòu)改變料口高度實現(xiàn)，如圖1所示。

工作時，通過料管調(diào)節(jié)機構(gòu)逐漸調(diào)增料口高度h，料管內(nèi)大豆種子沿導(dǎo)流錐表面流到勻種盤上種子流量（喂入量）加大，隨勻種盤與導(dǎo)流錐旋轉(zhuǎn)，種子在離心力作用下向勻種盤邊緣連續(xù)、成幕狀均勻拋撒下落；種衣劑由進液管進入藥液管座，流入高速旋轉(zhuǎn)藥液霧化甩盤，使藥液超細霧化，并噴涂到呈幕狀均勻下落種子表面，實現(xiàn)霧化后種衣劑和均勻拋撒下落種子在種藥混合裝置內(nèi)充分混合，完成第一道種子包衣程序。工作過程中，通過調(diào)整料管調(diào)節(jié)機構(gòu)，可改變料口高度，控制種子喂入量。

1.2 勻種與藥液霧化機構(gòu)

勻種與藥液霧化機構(gòu)是種藥混合裝置核心部件，原設(shè)計中，勻種與藥液霧化機構(gòu)為同軸雙盤式，上盤為勻種盤，下盤為藥液霧化甩盤，由一臺調(diào)速電機通過同步帶傳動。改進后勻種與藥液霧化機構(gòu)為異軸同心雙盤式，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要包括調(diào)速電機、同步傳動帶、勻種盤、導(dǎo)流錐、藥液霧化甩盤以及由圓筒護罩、圓柱齒輪、驅(qū)動軸等構(gòu)成傳動機構(gòu)。其中，勻種盤主要解決種箱中物料由料管中流出后空間分布不均問題；藥液霧化甩盤邊緣為波浪形設(shè)計，在高速旋轉(zhuǎn)（3 000 r·min-1）下可使藥液超細霧化均勻，提高種子包衣均勻度。

圖1 雙盤式種藥混合裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of double disc type of seed and medicine mixing device

圖2 勻種與藥液霧化機構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of seeding and liquid atomization mechanism

1.3 顆粒模型創(chuàng)建

大豆顆粒模型采用四面構(gòu)型方法構(gòu)建并使之成為橢球體顆粒模型，如圖3所示。材料選取為全局變量中所設(shè)置大豆顆粒并自動獲取其余屬性。顆粒屬性設(shè)置為百粒質(zhì)量18.625 g，剪切模量為1.04×106Pa，密度1 228 kg·m-3，泊松比為0.25。由于顆粒表面無粘附力，選擇Hertz-Mindlin接觸力學模型。

1.4 種子運動特性分析

以大豆種子為研究對象并視其為質(zhì)點，忽略種子落到勻種盤上產(chǎn)生反彈及種子間相互作用力，設(shè)作業(yè)過程中勻種盤轉(zhuǎn)速恒定，種子從導(dǎo)流錐滑落到勻種盤上，即獲得相同轉(zhuǎn)速。種子在勻種盤上運動及受力分析如圖4所示。

圖3 大豆種子顆粒模型Fig.3 Model of soybean seed particle

圖4 種子在勻種盤上運動及受力分析Fig.4 Analysis of movement and force of seed on the seeding tray

m 為種子質(zhì)量（kg）；t 為種子運動時間（s）；a為種子加速度為（m·s-2）；μ為種子與勻種盤摩擦系數(shù)；tR為種子從r=r0運動到r=R 時所用時間（s）。根據(jù)牛頓第二定律，當種子運動到離勻種盤中心距離為r時，可得

將式（2）代入式（1），整理得

在r（t=0）=r0，dr/dt（t=0）=0 初始條件下解方程（3）可得

式中，λ1、λ2是特征方程λ2+2μωλ-ω2=0根。

對式（4）作求導(dǎo)，可求得種子速度vt，將t=tR代入，可得種子離開勻種盤速度為

故根據(jù)圖4(a)運動分析及式（5）可得種子離開勻種盤時絕對速度v為

可見，大豆種子離開勻種盤時速度與其落入勻種盤初始半徑、勻種盤轉(zhuǎn)速、大豆種子與勻種盤間摩擦系數(shù)以及勻種盤直徑相關(guān)。

2 EDEM離散元建模與仿真分析

2.1 三維仿真模型及仿真試驗指標

為便于仿真分析，將殼體等與種子顆粒不直接接觸相關(guān)部件去掉。簡化后種藥混合裝置三維模型如圖5 所示。其中料管內(nèi)徑為100 mm，勻種盤直徑為300 mm。為便于分析種藥混合裝置勻種性能，設(shè)計計種裝置，其下端包含多個封閉計種盒，在三維模型導(dǎo)入EDEM后，在各計種盒上設(shè)置Grid Bin Group。

圖5 種藥混合裝置三維模型Fig.5 Three-dimensional model of seed and medicine mixing device

根據(jù)勻種作業(yè)要求，將均勻性變異系數(shù)作為評價指標，其計算方法如下：

式中，Cv-均勻性變異系數(shù)（%）；S-標準差（粒）；Cˉ-每個計種盒中顆粒數(shù)量平均值（粒）。

根據(jù)前期試驗研究[12]，該種藥混合裝置處理能力（勻種能力）受料口高度和勻種盤轉(zhuǎn)速影響，并受二者交互作用影響，當處理能力（1.5 t）一定時，料口高度和勻種盤轉(zhuǎn)速呈反比。故本文將料口高度、勻種盤轉(zhuǎn)速與勻種盤直徑作為勻種均勻性影響因素作單因素與多因素試驗及分析。

2.2 單因素仿真試驗與結(jié)果分析

2.2.1 料口高度與均勻性關(guān)系

根據(jù)前期研究，保持勻種盤直徑300 mm、轉(zhuǎn)速300 r·min-1，料口高度0～18 mm 變化，增量2 mm。均勻性變異系數(shù)變化規(guī)律如圖6(a)所示，料口高度導(dǎo)致由各位置顆粒數(shù)量差異變大，均勻性降低，不利于平穩(wěn)勻種。

2.2.2 勻種盤直徑與均勻性關(guān)系

保持勻種盤轉(zhuǎn)速300 r·min-1、料口高度14 mm，勻種盤直徑280～320 mm 變化，增量10 mm。均勻性變異系數(shù)變化規(guī)律如圖6(b)所示，勻種盤直徑在小于290 mm 或大于310 mm 時，變異系數(shù)變化較大。原因是直徑過小時，顆粒在勻種盤上運動范圍受限，顆粒未作勻種作業(yè)即進入包衣環(huán)節(jié)，導(dǎo)致均勻性降低；直徑過大時，顆粒與殼體碰撞概率增大，同時少量顆粒碰撞殼體后直接反彈回勻種盤，打亂勻種盤上顆粒均勻分布規(guī)律。

2.2.3 勻種盤轉(zhuǎn)速與均勻性關(guān)系

保持勻種盤直徑300 mm、料口高度14 mm，勻種盤轉(zhuǎn)速240～360 r·min-1變化，增量30 r·min-1。均勻性變異系數(shù)變化規(guī)律如圖6(c)所示，勻種盤轉(zhuǎn)速在240～300 r·min-1時，變異系數(shù)隨轉(zhuǎn)速上升呈近似線性減少；大于330 r·min-1時，變異系數(shù)急速變化。原因為轉(zhuǎn)速過高，顆粒離心力增大，顆粒間碰撞加劇，顆粒與殼體碰撞性增大，導(dǎo)致部分顆粒彈跳、亂流。

圖6 各因素對勻種性能影響Fig.6 Influence of various factors on the seeding performance

2.3 回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗

為研究種藥混合裝置勻種性能，以均勻性變異系數(shù)為試驗指標作正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗。

2.3.1 多因素仿真試驗設(shè)計

以料口高度、勻種盤直徑、勻種盤轉(zhuǎn)速為因素設(shè)計3 因素5 水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，星號臂γ =1.682，因子區(qū)域中心試驗點個數(shù)為9，通過綜合分析單因素仿真試驗結(jié)果，選取較優(yōu)參數(shù)作為二次回歸試驗編碼0水平，并設(shè)計因素水平編碼表見表1，試驗方案及結(jié)果見表2。

表1 因素水平編碼Table 1 Coding table of factors and levels

表2 試驗設(shè)計方案及結(jié)果Table 2 Results and design of tests

2.3.2 多因素仿真試驗結(jié)果方差分析

采用Design-Expert 8.0.6 對表5 中試驗結(jié)果作二次回歸擬合分析，得到均勻性變異系數(shù)方差分析見表3，二次回歸模型高度顯著（P<0.0001），失擬項（P=0.1762>0.05）不顯著，回歸方程未失擬。因系數(shù)間不存在線性相關(guān)性，經(jīng)逐步回歸法剔除不顯著因素得各因素與變異系數(shù)Cv回歸響應(yīng)曲面方程為

表3方差分析結(jié)果表明影響因子料口高度、勻種盤轉(zhuǎn)速、料口高度與勻種盤直徑及勻種盤直徑與勻種盤轉(zhuǎn)速交互作用對均勻性變系數(shù)影響高度顯著，因此料口高度、勻種盤轉(zhuǎn)速對變異系數(shù)有重要影響，雖然勻種盤直徑對變異系數(shù)影響不顯著，但其平方項高度顯著，因此不可忽略該因素對試驗指標影響。各因素對試驗指標影響顯著性由大到小依次為勻種盤轉(zhuǎn)速、料口高度、勻種盤直徑，并且料口高度與勻種盤直徑及勻種盤直徑與勻種盤轉(zhuǎn)速交互作用影響不可忽視。

2.3.3 響應(yīng)曲面分析

為直觀分析試驗指標和各因素之間關(guān)系，利用Design-Expert 8.0.6 軟件得到交互作用顯著因素間響應(yīng)曲面，如圖7所示。

表3 變異系數(shù)方差分析Table 3 Variance analysis for variation coefficient

Note：“P ≤0.01”means highly significant(**);“0.01

0.05”means not significant.

當勻種盤轉(zhuǎn)速為300 r·min-1時，勻種盤直徑與料口高度交互作用響應(yīng)曲面如圖7(a)所示，表明料口高度為10～14 mm，變異系數(shù)隨勻種盤直徑增大緩慢減小，當大于14 mm時，影響規(guī)律相反。勻種盤直徑為280～300 mm，變異系數(shù)隨料口高度增大而減小，當大于300 mm 時，影響規(guī)律相反；當料口高度為14 mm 及勻種盤直徑為300 mm 時有最小凹點，此時勻種性能較好。

當料口高度為14 mm時，勻種盤直徑與轉(zhuǎn)速交互作用響應(yīng)曲面如圖7(b)所示，表明勻種盤轉(zhuǎn)速一定時，隨直徑增大變異系數(shù)先減后增；勻種盤轉(zhuǎn)速為240～300 r·min-1時隨轉(zhuǎn)速增大變異系數(shù)減小，大于300 r·min-1時影響規(guī)律相反。勻種盤轉(zhuǎn)速和直徑共同決定種子離開勻種盤位置和速度，影響勻種效果與種子分布規(guī)律。

2.4 試驗結(jié)果目標優(yōu)化

為尋求各因素最優(yōu)組合，以表1中各因素范圍為約束條件，以均勻性變異系數(shù)回歸模型為目標函數(shù)，利用Design-Expert 對其參數(shù)作優(yōu)化求解，得到最佳參數(shù)組合為料口高度14.96 mm（取15 mm），勻種盤直徑303.48 mm（取303 mm），勻種盤轉(zhuǎn)速292.74 r·min-1（取293 r·min-1），此時變異系數(shù)為9.49%。將優(yōu)化參數(shù)作仿真驗證，得均勻性變異系數(shù)為9.72%，與優(yōu)化結(jié)果接近。

圖7 變異系數(shù)雙因素響應(yīng)曲面Fig.7 Response surface of two factors for coefficient of variation

3 試驗驗證

為驗證種藥混合裝置勻種性能數(shù)值模擬結(jié)果正確性，根據(jù)最佳參數(shù)組合加工種藥混合裝置核心部件，于東北農(nóng)業(yè)大學工程實訓中心自行研制試驗臺開展驗證試驗，如圖8所示。在最優(yōu)參數(shù)組合下作3次重復(fù)試驗，變異系數(shù)均值為9.86%，與優(yōu)化結(jié)果接近，優(yōu)化結(jié)果可信。

圖8 種藥混合裝置試驗臺Fig.8 Test bench of seed and medicine mixing device

4 結(jié) 論

a.針對包衣大豆種子因包敷成膜不均而致種皮褶皺問題，在已研發(fā)種子包衣機基礎(chǔ)上，改進其雙盤式種藥混合裝置設(shè)計。改進后種藥混合裝置實現(xiàn)勻種盤與藥液霧化甩盤單獨驅(qū)動，既保留原設(shè)計中高速旋轉(zhuǎn)藥液霧化甩盤可對種衣藥劑超細霧化優(yōu)點，又滿足勻種盤幕狀拋撒大豆種子轉(zhuǎn)速要求。

b. 以大豆種子和改進設(shè)計種藥混合裝置為研究對象，采用EDEM 和Creo 軟件分別建立大豆種子和種藥混合裝置仿真模型。結(jié)合單因素仿真試驗確定各因素取值范圍：料口高度為10～18 mm，勻種盤直徑為280～320 mm，勻種盤轉(zhuǎn)速為240～360 r·min-1。

c.完成二次回歸正交旋轉(zhuǎn)仿真試驗和目標參數(shù)優(yōu)化。仿真試驗結(jié)果表明，各因素影響主次順序為勻種盤轉(zhuǎn)速、料口高度、勻種盤直徑；在處理能力為1.52 t·h-1條件下，獲得最佳優(yōu)化組合為料口高度15 mm，勻種盤直徑303 mm，勻種盤轉(zhuǎn)速為293 r·min-1，此時均勻性變異系數(shù)為9.49%。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，加工種藥混合裝置核心部件并在試驗臺架上驗證試驗，驗證試驗結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果吻合。