5BP-30智能型批次式种子包衣机研发

时间：2024-07-28

◎ 贾煜，李召峰，李文革，马云霞，王震民

（郑州中粮科研设计院有限公司，河南郑州 450001）

种子包衣技术是提高种子质量的重要手段，也是粮食增产的重要途径之一。据统计，种子经加工处理，出苗齐且苗多而壮，单产一般可提高5%～10%。种子包衣以种子为载体，以包衣设备为手段，将含有农药、复合肥料、微量元素、生长调节剂等有效成分的种衣剂按一定比例均匀有效地包裹到种子表面，形成一层牢固的药膜[1]。能有效驱避害虫对已播种子及幼苗的侵害，同时为幼苗生长提供营养肥料，使其生长旺盛、根系发达。提高种子的科技含量、达到促进农业增产增收的目的。因此，对小麦、水稻、玉米等农作物种子进行包衣处理环节就显得尤为重要。

欧美等发达国家在种子包衣等加工技术装备研究方面已有近百年历史，目前在种子包衣技术方面相对成熟，包衣装备性能优势明显，自动化程度较高，正向更精细的检测控制流程和更友好的用户体验方向发展[2-3]，能很好地满足种子加工业发展需要。我国在种子包衣装备方面的研究与应用起步较晚，在不断引进、吸收、消化发达国家种子包衣设备先进技术和生产经验的基础上，发展速度快且已具有一定规模。我国现阶段研制和使用的种子包衣机代表机型包括：①由上海交通大学智能机电系统控制研究所研制和生产的BY2150A型种子包衣机，通过超细雾化药剂的方式能够有效增加种子包衣的均匀程度，避免存在种子包衣不彻底或个别种子未包衣的现象，能够显著降低种子的病虫害发生率，从而提高种子的发芽率和生长质量。②由浙江杭州钱桥机械厂研制的5BYX－3.0型种子包衣机，具有使用简便的特点，其自动化程度高，通过机械的自动化控制，有效避免了种子包衣过程中产生的物料堵塞、漏包、药剂沉淀等问题。③农业部南京农业机械化研究所研制了5B－5型种子包衣机。采用了基于PLC的控制系统，有效保证了包衣流程的科学进行。用户可以根据自身情况对包衣作业的生产率、种子重量和种药配比等参数进行设定，种子和种衣剂通过叶轮式加料部件和供液比例泵实现定量添加，并使用双甩盘式机构实现均匀混合包衣，显著提升了包衣质量。④奥凯种子机械股份有限公司研制的5BY－10P种子包衣机，采用了全封闭式的结构，通过自动化的对种子重量和包衣药剂量的计算与调整，能够更好地实现种子药剂的更均匀混合，且比例更为合理，避免包衣不足或药剂过量导致的浪费。⑤石家庄三立谷物精选机械有限公司所研制的5BYX－5型种子包衣机利用旋转进料机构有效实现了种子有连续定量供给，通过流量计和雾化喷头的配合实现包衣药剂高精度的喷施添加，种子在运动的过程中能够充分与药剂搅拌和混合，其具有良好的包衣效果。虽然我国在种子包衣技术上取得了一定进展，但至今仍存在设备自动化程度不高、产量较低、包衣剂损失大等问题，严重制约了种子包衣质量的提高，且难以满足现代农业生产对种子包衣质量高标准的要求[4-5]。现代大型种子加工企业和外资企业包衣设备几乎全部采用国外的高端进口产品，不仅设备前期购置费投资巨大，而且配件及维护费用昂贵，国内无法找到替代配件，并且售后服务不及时，设备出现故障后严重影响种子加工企业正常生产运行。基于此，研发新型高端包衣机替代进口，打破国外高端产品的垄断地位，独立自主掌握核心技术，对于提高我国种子包衣技术水平，促进种子产业持续发展及提高农业现代化具有重要意义。

1 5BP-30智能型批次式包衣机设计参数

5BP-30智能型批次式包衣机是在引进、消化、吸收丹麦NoroGard、德国佩特库斯等众多国内外包衣机的基础上研制出的一种批次式大产量的种子包衣机，该机吸收国外机型的优点并结合国内实际情况进行了优化设计，具有自动程度高、操作简单、人机界面、破损率低、节省种剂的优点。该技术适合对玉米、水稻、小麦、花生等种子物料进行包衣加工，同时还适合草种丸粒化加工。5BP-30智能型批次式包衣机设计参数见表1。

表1 5BP-30智能型批次式包衣机设计参数表

2 结构及工作原理

2.1 基本结构

5BP-30智能型批次式包衣机主要由药液供应系统、除尘系统、计量备载仓、混合室、物料甩盘、药液雾化盘、动力控制装置及气动系统等部分组成，如图1所示。

图1 批次包衣机结构图

2.2 工作原理

①物料从顶部管道通过自身重力流入包衣机计量暂存仓，通过传感器称量设定重量的物料后，由气动控制系统控制气缸a关闭仓上进料闸门，停止来料。同时在进料过程中通过进料除尘装置近一步除去物料中的粉尘，减少粉尘对药液的吸收浪费。②待控制系统检测到排料门气缸c处于关闭状态下，计量暂存仓下方的闸门通过气缸b打开，物料甩盘旋转，物料流入混合室，在物料甩盘的离心作用下物料开始沿着混合室圆周旋转。③药液泵启动，向混合室内持续注入设定好剂量的种衣剂，种衣剂通过管道流入药液雾化盘内，在甩盘高速旋转作用下形成较大的离心力而被高速甩出雾化为液滴，与旋转的物料充分融合接触。④在物料和液滴充分混合过程中，在混合室内壁安装的导流板在电机控制下来回拨动，改变物料在混合室内的流动轨迹，与种衣剂更加充分混合完成包衣过程。⑤包衣完成后，通过气缸c打开混合室下部的排料门，将包衣完成的物料在物料甩盘离心力作用下快速排出，完成一批次包衣作业。

3 包衣机技术特点

3.1 自动控制系统

①采用带触摸屏的工业一体机及PLC控制，保证设备安全可靠，同时通过人机对话界面，根据用户需求设置不同的物料转速、药液盘转速、物料质量、种衣剂质量、批次包衣时间等主要参数设置。②药液泵采用软管蠕动泵，通过变频电机控制，方便调节不同物料的药种比。③采用准确的种子和种衣剂的电子称重系统，PLC变频控制抽取包衣剂，确保药种比精度。④混合室排出后，为防止籽粒卡在仓门上，造成大批量的物料破损，特设有一传感器测量关门的位置，若有籽粒卡住，便报警停机。同时在气缸行程位置检测信号确保阀门的正确运动，采用双保险自动控制系统，确保设备安全运行。

3.2 结构特点

①在物料进入计量暂存仓之前，通过除尘装置近一步除去物料中的粉尘，减少粉尘对种衣剂的吸收浪费，降低包衣成本。②旋转的物料甩盘与固定的混合室侧壁在制造安装中要预留一定的间隙，不同的加工工艺及制造精度，间隙的大小存在不同，本文采用特殊的结构设计，使物料甩盘高度略低于混合室底部，并且混合室内径略小于物料甩盘，此时即便有未完全利用的药液会沿着混合室内壁流入物料甩盘，再次与物料接触混合。同时在底部设置高压风机，形成正压系统，减少药液粉尘从物料甩盘与壳体的缝隙处落下，节省种衣剂。③为了适应不同物料和种衣剂，物料甩盘和药液雾化盘采用单独控制。针对不同的物料设置不同的转速，减少物料的破损；同时药液雾化盘采用变频控制，根据不同种衣剂采用不同的转速，从而获得最佳的雾化效果；并且与物料甩盘旋转方向相反旋转，相对加长了物料在混合室内的停留时间，增加药滴对物料的包敷时间和接触时间，从而提高包衣质量。④在混合室侧壁安装导料装置，通过电机控制来回调节导料板的角度，从而改变物料在混合室内旋转轨迹，使物料在混合室内混合翻转更加充分，包衣质量近一步提高。

3.3 关键技术

①物料盘高速运转，长期与物料接触磨损比较严重，因此需要在物料盘与种子接触的表面敷一层耐磨涂层，以减少物料盘磨损及种子破碎。基于此，研究物料盘表面耐磨硬质涂层技术，确定涂层材料、配比以及成型工艺，并研究耐磨硬质涂层与物料盘表面的粘附性能影响因素，以提高物料盘的耐磨性，延长物料盘使用寿命。②目前药液盘雾化不均匀，雾化的效果直接影响到种子包衣的质量和种衣剂的利用率。因此，需要通过实验与数值仿真相结合的方法来研究药液雾化盘结构、旋转速度、药剂特性等参数对药液雾化效果的影响关系，进而找到最佳的药液雾化盘结构参数以及工作参数。③气动控制系统要求动作灵活迅速，具有位置检测连锁控制，减少闸门误开或者开关不到位对种子造成的破坏。④设计自适应模糊PID（AF-PID）控制器，并通过MPSO算法对AF-PID控制器中的量化因子和比例因子进行迭代寻优，进而设计并开发出种子包衣机智能控制系统，具备物料盘转速、药液盘转速、物料质量、种衣剂质量、批次包衣时间等参数设置以及物料品种配方参数推荐、数据储存、批量订单数据记录等功能。