5BP-30智能型批次式種子包衣機(jī)研發(fā)

◎ 賈 煜，李召峰，李文革，馬云霞，王震民

（鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450001）

種子包衣技術(shù)是提高種子質(zhì)量的重要手段，也是糧食增產(chǎn)的重要途徑之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，種子經(jīng)加工處理，出苗齊且苗多而壯，單產(chǎn)一般可提高5%～10%。種子包衣以種子為載體，以包衣設(shè)備為手段，將含有農(nóng)藥、復(fù)合肥料、微量元素、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等有效成分的種衣劑按一定比例均勻有效地包裹到種子表面，形成一層牢固的藥膜[1]。能有效驅(qū)避害蟲(chóng)對(duì)已播種子及幼苗的侵害，同時(shí)為幼苗生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)肥料，使其生長(zhǎng)旺盛、根系發(fā)達(dá)。提高種子的科技含量、達(dá)到促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收的目的。因此，對(duì)小麥、水稻、玉米等農(nóng)作物種子進(jìn)行包衣處理環(huán)節(jié)就顯得尤為重要。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在種子包衣等加工技術(shù)裝備研究方面已有近百年歷史，目前在種子包衣技術(shù)方面相對(duì)成熟，包衣裝備性能優(yōu)勢(shì)明顯，自動(dòng)化程度較高，正向更精細(xì)的檢測(cè)控制流程和更友好的用戶體驗(yàn)方向發(fā)展[2-3]，能很好地滿足種子加工業(yè)發(fā)展需要。我國(guó)在種子包衣裝備方面的研究與應(yīng)用起步較晚，在不斷引進(jìn)、吸收、消化發(fā)達(dá)國(guó)家種子包衣設(shè)備先進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)展速度快且已具有一定規(guī)模。我國(guó)現(xiàn)階段研制和使用的種子包衣機(jī)代表機(jī)型包括：①由上海交通大學(xué)智能機(jī)電系統(tǒng)控制研究所研制和生產(chǎn)的BY2150A型種子包衣機(jī)，通過(guò)超細(xì)霧化藥劑的方式能夠有效增加種子包衣的均勻程度，避免存在種子包衣不徹底或個(gè)別種子未包衣的現(xiàn)象，能夠顯著降低種子的病蟲(chóng)害發(fā)生率，從而提高種子的發(fā)芽率和生長(zhǎng)質(zhì)量。②由浙江杭州錢(qián)橋機(jī)械廠研制的5BYX－3.0型種子包衣機(jī)，具有使用簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，其自動(dòng)化程度高，通過(guò)機(jī)械的自動(dòng)化控制，有效避免了種子包衣過(guò)程中產(chǎn)生的物料堵塞、漏包、藥劑沉淀等問(wèn)題。③農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制了5B－5型種子包衣機(jī)。采用了基于PLC的控制系統(tǒng)，有效保證了包衣流程的科學(xué)進(jìn)行。用戶可以根據(jù)自身情況對(duì)包衣作業(yè)的生產(chǎn)率、種子重量和種藥配比等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，種子和種衣劑通過(guò)葉輪式加料部件和供液比例泵實(shí)現(xiàn)定量添加，并使用雙甩盤(pán)式機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)均勻混合包衣，顯著提升了包衣質(zhì)量。④奧凱種子機(jī)械股份有限公司研制的5BY－10P種子包衣機(jī)，采用了全封閉式的結(jié)構(gòu)，通過(guò)自動(dòng)化的對(duì)種子重量和包衣藥劑量的計(jì)算與調(diào)整，能夠更好地實(shí)現(xiàn)種子藥劑的更均勻混合，且比例更為合理，避免包衣不足或藥劑過(guò)量導(dǎo)致的浪費(fèi)。⑤石家莊三立谷物精選機(jī)械有限公司所研制的5BYX－5型種子包衣機(jī)利用旋轉(zhuǎn)進(jìn)料機(jī)構(gòu)有效實(shí)現(xiàn)了種子有連續(xù)定量供給，通過(guò)流量計(jì)和霧化噴頭的配合實(shí)現(xiàn)包衣藥劑高精度的噴施添加，種子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中能夠充分與藥劑攪拌和混合，其具有良好的包衣效果。雖然我國(guó)在種子包衣技術(shù)上取得了一定進(jìn)展，但至今仍存在設(shè)備自動(dòng)化程度不高、產(chǎn)量較低、包衣劑損失大等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了種子包衣質(zhì)量的提高，且難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)種子包衣質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)的要求[4-5]。現(xiàn)代大型種子加工企業(yè)和外資企業(yè)包衣設(shè)備幾乎全部采用國(guó)外的高端進(jìn)口產(chǎn)品，不僅設(shè)備前期購(gòu)置費(fèi)投資巨大，而且配件及維護(hù)費(fèi)用昂貴，國(guó)內(nèi)無(wú)法找到替代配件，并且售后服務(wù)不及時(shí)，設(shè)備出現(xiàn)故障后嚴(yán)重影響種子加工企業(yè)正常生產(chǎn)運(yùn)行?；诖耍邪l(fā)新型高端包衣機(jī)替代進(jìn)口，打破國(guó)外高端產(chǎn)品的壟斷地位，獨(dú)立自主掌握核心技術(shù)，對(duì)于提高我國(guó)種子包衣技術(shù)水平，促進(jìn)種子產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展及提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。

1 5BP-30智能型批次式包衣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

5BP-30智能型批次式包衣機(jī)是在引進(jìn)、消化、吸收丹麥NoroGard、德國(guó)佩特庫(kù)斯等眾多國(guó)內(nèi)外包衣機(jī)的基礎(chǔ)上研制出的一種批次式大產(chǎn)量的種子包衣機(jī)，該機(jī)吸收國(guó)外機(jī)型的優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有自動(dòng)程度高、操作簡(jiǎn)單、人機(jī)界面、破損率低、節(jié)省種劑的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)適合對(duì)玉米、水稻、小麥、花生等種子物料進(jìn)行包衣加工，同時(shí)還適合草種丸粒化加工。5BP-30智能型批次式包衣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 5BP-30智能型批次式包衣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 基本結(jié)構(gòu)

5BP-30智能型批次式包衣機(jī)主要由藥液供應(yīng)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、計(jì)量備載倉(cāng)、混合室、物料甩盤(pán)、藥液霧化盤(pán)、動(dòng)力控制裝置及氣動(dòng)系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

圖1 批次包衣機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作原理

①物料從頂部管道通過(guò)自身重力流入包衣機(jī)計(jì)量暫存?zhèn)}，通過(guò)傳感器稱(chēng)量設(shè)定重量的物料后，由氣動(dòng)控制系統(tǒng)控制氣缸a關(guān)閉倉(cāng)上進(jìn)料閘門(mén)，停止來(lái)料。同時(shí)在進(jìn)料過(guò)程中通過(guò)進(jìn)料除塵裝置近一步除去物料中的粉塵，減少粉塵對(duì)藥液的吸收浪費(fèi)。②待控制系統(tǒng)檢測(cè)到排料門(mén)氣缸c處于關(guān)閉狀態(tài)下，計(jì)量暫存?zhèn)}下方的閘門(mén)通過(guò)氣缸b打開(kāi)，物料甩盤(pán)旋轉(zhuǎn)，物料流入混合室，在物料甩盤(pán)的離心作用下物料開(kāi)始沿著混合室圓周旋轉(zhuǎn)。③藥液泵啟動(dòng)，向混合室內(nèi)持續(xù)注入設(shè)定好劑量的種衣劑，種衣劑通過(guò)管道流入藥液霧化盤(pán)內(nèi)，在甩盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)作用下形成較大的離心力而被高速甩出霧化為液滴，與旋轉(zhuǎn)的物料充分融合接觸。④在物料和液滴充分混合過(guò)程中，在混合室內(nèi)壁安裝的導(dǎo)流板在電機(jī)控制下來(lái)回?fù)軇?dòng)，改變物料在混合室內(nèi)的流動(dòng)軌跡，與種衣劑更加充分混合完成包衣過(guò)程。⑤包衣完成后，通過(guò)氣缸c打開(kāi)混合室下部的排料門(mén)，將包衣完成的物料在物料甩盤(pán)離心力作用下快速排出，完成一批次包衣作業(yè)。

3 包衣機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

3.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)

①采用帶觸摸屏的工業(yè)一體機(jī)及PLC控制，保證設(shè)備安全可靠，同時(shí)通過(guò)人機(jī)對(duì)話界面，根據(jù)用戶需求設(shè)置不同的物料轉(zhuǎn)速、藥液盤(pán)轉(zhuǎn)速、物料質(zhì)量、種衣劑質(zhì)量、批次包衣時(shí)間等主要參數(shù)設(shè)置。②藥液泵采用軟管蠕動(dòng)泵，通過(guò)變頻電機(jī)控制，方便調(diào)節(jié)不同物料的藥種比。③采用準(zhǔn)確的種子和種衣劑的電子稱(chēng)重系統(tǒng)，PLC變頻控制抽取包衣劑，確保藥種比精度。④混合室排出后，為防止籽?？ㄔ趥}(cāng)門(mén)上，造成大批量的物料破損，特設(shè)有一傳感器測(cè)量關(guān)門(mén)的位置，若有籽?？ㄗ。銏?bào)警停機(jī)。同時(shí)在氣缸行程位置檢測(cè)信號(hào)確保閥門(mén)的正確運(yùn)動(dòng)，采用雙保險(xiǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

3.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

①在物料進(jìn)入計(jì)量暫存?zhèn)}之前，通過(guò)除塵裝置近一步除去物料中的粉塵，減少粉塵對(duì)種衣劑的吸收浪費(fèi)，降低包衣成本。②旋轉(zhuǎn)的物料甩盤(pán)與固定的混合室側(cè)壁在制造安裝中要預(yù)留一定的間隙，不同的加工工藝及制造精度，間隙的大小存在不同，本文采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使物料甩盤(pán)高度略低于混合室底部，并且混合室內(nèi)徑略小于物料甩盤(pán)，此時(shí)即便有未完全利用的藥液會(huì)沿著混合室內(nèi)壁流入物料甩盤(pán)，再次與物料接觸混合。同時(shí)在底部設(shè)置高壓風(fēng)機(jī)，形成正壓系統(tǒng)，減少藥液粉塵從物料甩盤(pán)與殼體的縫隙處落下，節(jié)省種衣劑。③為了適應(yīng)不同物料和種衣劑，物料甩盤(pán)和藥液霧化盤(pán)采用單獨(dú)控制。針對(duì)不同的物料設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速，減少物料的破損；同時(shí)藥液霧化盤(pán)采用變頻控制，根據(jù)不同種衣劑采用不同的轉(zhuǎn)速，從而獲得最佳的霧化效果；并且與物料甩盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向相反旋轉(zhuǎn)，相對(duì)加長(zhǎng)了物料在混合室內(nèi)的停留時(shí)間，增加藥滴對(duì)物料的包敷時(shí)間和接觸時(shí)間，從而提高包衣質(zhì)量。④在混合室側(cè)壁安裝導(dǎo)料裝置，通過(guò)電機(jī)控制來(lái)回調(diào)節(jié)導(dǎo)料板的角度，從而改變物料在混合室內(nèi)旋轉(zhuǎn)軌跡，使物料在混合室內(nèi)混合翻轉(zhuǎn)更加充分，包衣質(zhì)量近一步提高。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

①物料盤(pán)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，長(zhǎng)期與物料接觸磨損比較嚴(yán)重，因此需要在物料盤(pán)與種子接觸的表面敷一層耐磨涂層，以減少物料盤(pán)磨損及種子破碎?；诖耍芯课锪媳P(pán)表面耐磨硬質(zhì)涂層技術(shù)，確定涂層材料、配比以及成型工藝，并研究耐磨硬質(zhì)涂層與物料盤(pán)表面的粘附性能影響因素，以提高物料盤(pán)的耐磨性，延長(zhǎng)物料盤(pán)使用壽命。②目前藥液盤(pán)霧化不均勻，霧化的效果直接影響到種子包衣的質(zhì)量和種衣劑的利用率。因此，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法來(lái)研究藥液霧化盤(pán)結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)速度、藥劑特性等參數(shù)對(duì)藥液霧化效果的影響關(guān)系，進(jìn)而找到最佳的藥液霧化盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工作參數(shù)。③氣動(dòng)控制系統(tǒng)要求動(dòng)作靈活迅速，具有位置檢測(cè)連鎖控制，減少閘門(mén)誤開(kāi)或者開(kāi)關(guān)不到位對(duì)種子造成的破壞。④設(shè)計(jì)自適應(yīng)模糊PID（AF-PID）控制器，并通過(guò)MPSO算法對(duì)AF-PID控制器中的量化因子和比例因子進(jìn)行迭代尋優(yōu)，進(jìn)而設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出種子包衣機(jī)智能控制系統(tǒng)，具備物料盤(pán)轉(zhuǎn)速、藥液盤(pán)轉(zhuǎn)速、物料質(zhì)量、種衣劑質(zhì)量、批次包衣時(shí)間等參數(shù)設(shè)置以及物料品種配方參數(shù)推薦、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、批量訂單數(shù)據(jù)記錄等功能。

4 結(jié)論

本文主要介紹了種子包衣機(jī)的功能和國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程。在引進(jìn)、消化、吸收眾多國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上研制出一種批次式大產(chǎn)量的種子包衣機(jī)，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有包衣效果好、節(jié)省藥劑、產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)，能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)種子包衣質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收具有重要意義。