基于振动力场下牧草种子丸粒化包衣机的设计

邵志威，陈 智，侯占峰，弭龙凯，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

草原是我国重要的植被类型之一，也是重要的可更新资源和草地畜牧业基地。在我国内蒙古地区，当地牧民过度放牧，导致草原退化严重。因此，人工保护草原，喷播种子很有必要。种子是植物成活的基础，对种子的处理成为喷播前的重要准备工作，设计一种适合轻小型牧草种子的丸粒化包衣机具有实用价值。

我国现有的牧草种子包衣机普遍存在丸化率低及多籽率高的缺点[1]，且目前大多数的种子包衣机不适合小粒牧草种子的包衣，有部分小粒种子的牧草包衣机，包衣率极其低下[2]，不适合包衣机的推广应用。所以，本设计增加了混料室和振动力场，旨在提高牧草种子包衣的单籽率和丸化率。

种子丸粒化是在种子包衣技术基础上发展起来的一项适应精细播种需要的农业高新技术，是用特制的丸粒化材料通过机械加工，制成表面光滑、大小均匀、颗粒增大的丸粒化种子，以便人工与机械化精量播种技术进行数量的掌握[3-5]。

1 总体结构及工作原理

1.1 整体结构

该机总体结构包括机架、供料装置、称重装置、混料室、包衣装置及除尘装置等机构，如图1所示。

1.供液系统 2.除尘装置 3.混料室 4.称重装置 5.供种料斗 6.供粉料斗 7.控制面板 8.丸化装置

1.2 工作原理

供料部分为丸粒化包衣机提供种子、粉料和粘合剂。为了实现精量供种，设计了称重供料机构。混料室可以实现在种子未进入丸化室前包裹一层粉料，大大提高丸化效率，又可以吹散粘在一起的种子，提高种子包衣的单籽率。种子出了混料室后进入丸化包衣锅，激振器将振动力传递给锅体，使种子在包衣锅粉料内蠕动。振动可以使粘结在种子上的粉料压实，提高丸化种子的抗压强度。除尘器可以清除包衣锅内被气送漂浮在空中的粉尘。各系统连续工作，实现种子包衣机的丸化包衣。

1.3 主要技术参数

主要技术参数如下：

外形尺寸(长×宽×高)/mm：1 200×650×1 300

丸化率/%：78

生产率/ t·h-1：0.000 6

破损率/%：8

种料比：1∶5

2 主要工作部件设计

2.1 丸化包衣锅的设计

丸粒化包衣锅构成包衣机的主要部分，主要由驱动电机、倾角调整机构、激振器和包衣锅组成，如图2所示。为了更好地传递振动，把激振器安装在驱动电机和包衣锅之间，减震装置为倒置的减震弹簧，对激振器产生的激振力起缓冲作用。倾角调整机构的电机减速器采用蜗轮蜗杆减速，可以对包衣锅角度进行自锁，避免在工作时角度改变，影响丸化率。包衣锅主要的工作参数如表1所示。利用ansys中的workbench软件对机架进行受力分析，机架主要受到包衣锅整体重力的作用，对机架两侧施加重力作用，观察材料的变形情况(见图3)，可以发现机架所受到最大的力在机架的底部，且小于材料的许用应力，机架结构强度满足要求。

1.包衣锅 2.激振器 3.驱动电机 4.倾角调整机构 5.机架

(a) 机架应力分布图

(b) 机架变形图

项目单位设置包衣锅转速r/min45包衣锅倾斜角度(°)45包衣锅振动频率Hz30包衣锅最大直径mm400包衣锅口径mm200包衣锅振动加速度m/s29.1

2.2 混料室的设计

混料室如图4所示。

1.拨盘步进电机 2.称重盘 3.风机扇叶 4.喷头 5.混料室 6.风机电机

种子从称重盘落下，当种子落进混料室时，风机会吹着喷头喷出的药液粘附在种子表面(喷头采用雾化喷头)，由于种子比药液要重，所以在混料室内会与药液充分地混合；包裹了药液的种子被风传送到混料室的尽头，此处，粉料由另一端开口处下落，与种子混合，多余的粉料与包裹了一层粉料的种子一起从下端落进丸化包衣锅进行丸化处理。

混料室滚筒直径300mm，长度500mm，可连续喷药供粉。混料室做成卧式，避免了传统的立式滚筒喷药时，药液顺滚筒内壁滑进包衣锅内，增加包衣无籽率。立式混料室设计中，种子由于自身重力在混料室内时间较短，导致接触药液不充分，所以将混料室设计成横置。

2.3 除尘器的设计

除尘分离器由3级分离器组成(分离器内正压输送)，如图5所示。含尘气体由1处进入分离器，进口速度约为8m/s[6]，气体遇挡板后，较大的粉尘及种子会在重力作用下下落，较小的粉尘微粒会进到下一级分离器，粉尘进入旋风分离器2，可以分离5～10μm以上的微粒。设置第1级分离器的目的：把粉粒按粒径分离开，就可以设置合理的进口气速，恰好分离该粒径的粉尘，气速过小时分离效率不高；而气速过高时，易产生涡流和返混现象。粉尘在A处导流旋起，在离心力的作用下，进入倒锥型部分B，半径越来越小，则旋转速度逐渐增加，受到的离心力增大；到达底处，浓度大的气体下沉，浓度小的气体在涡流罩C的作用下上扬(旋风分离器内的气流以内旋旋转时，会在锥底形成升力，如果下部密封不好，气体会窜入容器内使分离效果不好，所以设计涡流罩)，浓度大的气体会有少量气体进入下一回流腔D；在这里气体会扩容降速释放粉尘颗粒，浓度低的气体会上起进入下一布袋分离器，布袋分离器可以分离小于5μm的微粒(前两级除尘，过滤较大粒径，减轻布袋分离器负担，否则，空气比较潮湿，或者在粉尘与滤布之间、粉尘与粉尘之间粘结。因此，可以减少堵袋的可能性，大大提高除尘效率)；布袋挂在挂钩E处，与出气口有一定的距离供粉尘下落，粉尘粘结在布袋上，达到一定质量后会下落到斜滑板上，由F口处排出，其余气体则有G口处排出，G口处装有农药过滤器(颗粒较小不会出现堵袋)。对除尘器进口用fluent软件进行分析(见图6)，可以看到气固两相流根据预设的轨道进行运动，随即进入离心力分离器，实现气固的分离。

图5 除尘分离器

(a) 气体在分离器中的矢量图

(b) 气体在分离器中的云图

3 样机实验及分析

对该样机进行试验分析，试验安排在室内，该试验一共分为6组，保持包衣锅转速和包衣锅倾斜角度不变，改变振动强度做对照试验，得出具体数据如表2所示。

表2 包衣丸化率对照试验

分析6组试验的丸化率、有籽率和单籽率的平均值，如图7所示。

图7 对照试验图

本设计的创新点：①对种子进行预包衣处理，加入混料室，大大提高了包衣效率。②混料室内对种子进行风送处理，吹散粘结在一块的种子，大大提高了单籽率；混料室横置，解决了无籽率高的问题。③对丸化室加入振动力场，使包衣种子抗压强度提高，提高包衣丸化效率。

4 结论

1)针对牧草种子设计的这种轻小型牧草种子丸化包衣机大大提高了包衣效率，并以合理的结构清除了粉尘、农药等对人体的危害。

2)通过6组振动强度但因素对照试验，可以清晰地看出：合理加入振动的牧草种子包衣机会大大提高种子丸化率。即振动强度为21%时(振动加速度约为9m/s2)，丸化率接近80%。