种子包衣处理技术是种子科学技术的重要组成部分,是保证和提高种子质量的重要手段,在大农业时代,对农业机械化、现代化及农业可持续发展具有重要作用。包衣处理后的大豆种子,可以保证籽粒大小的均匀性,有利于机械化播种;减少苗期患病几率,抵御田间病虫害侵蚀;促进种子幼苗茁壮生长,保证苗株整齐划一;对生态环境也起到一定的保护作用。近年来,种子加工产业和国内市场需求对种子包衣质量、包衣工艺和包衣设备的自动化程度要求越来越高,这推动了国产种子包衣设备机械结构的全面改革。为解决现有国产批次式大豆种子包衣搅拌装置存在的种子包衣不均匀、破碎率高、关键部件搅拌叶片粘黏磨损严重等问题,将利用仿生法优化农机装备结构与利用离散单元法分析散粒体的搅拌机理二者结合,为大豆种子包衣搅拌装置设计了一种基于唐冠螺壳体结构的仿生搅拌叶片,并在理论分析的基础上,应用三因素五水平二次回归正交旋转中心组合试验方法,对影响搅拌装置性能的结构与作业参数进行优化试验研究,并对安装仿生搅拌叶片的新型包衣搅拌装置处理后的大豆种子和安装平面搅拌叶片的现有包衣搅拌装置处理后的大豆种子,进行田间比较试验,得到两种包衣搅拌装置处理后的大豆种子发芽指标以及苗期植株性状特征,比较两种包衣搅拌装置的包衣效果,验证新型包衣搅拌装置较现有包衣搅拌装置在包衣质量上的优越性,为包衣设备关键技术研发提供技术理论支持,所得主要结论如下:(1)针对大豆包衣机搅拌装置的特点,在假设基础上建立了包衣前、后大豆种子颗粒在搅拌装置内的运动模型,并对搅拌过程中的大豆种子颗粒进行了运动学分析和动力学分析。同时,利用Hertz和Mindlin-Deresiewicz理论对包衣前、后大豆种子颗粒与搅拌叶片接触过程中的法向力和切向力进行分析,得出搅拌过程中的法向力和切向力均与搅拌叶片平均曲率半径ρy有关,可以通过减小搅拌叶片平均曲率半径ρy,即用曲面搅拌叶片代替平面搅拌叶片的方法,来减小包衣前、后大豆颗粒和搅拌叶片接触过程中的法向力和切向力,进而减小大豆种子颗粒包衣过程中的损伤和破碎。(2)利用三维光学测量仪对唐冠螺壳体进行体表特征三维逆向扫描,获取唐冠螺壳体曲面分层切片数据和体表点云数据。扫描后共获得38054个点,1270条边,612个面,400001个网格三角形和1个实体。利用NX Imageware软件对采集的数据进行曲面拟合,调整偏差至许用范围,并对坏点或拟合不理想的点重新进行数据采集,选取一个曲率变化较均匀,适用于制作仿生搅拌叶片的曲面结节,来构建搅拌叶片模型。再利用Solidworks软件建立仿生搅拌叶片实体化模型,调整偏差后试制仿生搅拌叶片。(3)当转速为25 r/min,相位差为90°,旋转角为65°,总搅拌时间为9.2 s时,对安装仿生搅拌叶片和平面搅拌叶片的两种搅拌装置作离散元仿真对比分析,得出包衣后的大豆种子颗粒与仿生搅拌叶片碰撞后,沿多方向、多角度继续运动,并与其他大豆种子颗粒继续发生碰撞,完成颗粒间碰撞、搓擦、粘附种衣剂,增强了大豆种子包衣效果;包衣后的大豆颗粒与平面搅拌叶片碰撞后,只沿着与初速度方向相反的方向运动,与其他大豆种子颗粒继续碰撞的几率较小。达到搅拌均匀状态以后,颗粒搅拌的均匀度由变差系数来评定,仿生搅拌叶片作用下变差系数为1.89%,平面搅拌叶片作用下变差系数为2.53%。仿生搅拌叶片搅拌作业时,变差系数更小,包衣后大豆颗粒在仿生搅拌叶片搅拌作用下,互相接触的颗粒数目间差异更小,搅拌均匀性更好。(4)在转速为25 r/min,相位差为90°,旋转角为65°,搅拌时间为9.2s时,分别利用安装仿生搅拌叶片的新型包衣搅拌装置和安装平面搅拌叶片的现有包衣搅拌装置作样机验证试验,结果表明利用现有包衣搅拌装置处理后的大豆种子,其包衣合格率为93.26%,包衣破碎率为0.089%;利用新型包衣搅拌装置处理后的大豆种子,其包衣合格率为95.07%,包衣破碎率为0.072%,满足种子包衣质量要求,且仿生搅拌叶片与平面搅拌叶片包衣效果相比,包衣合格率提高1.81%,包衣破碎率降低0.017%,验证了仿真结果的真实性与可行性。(5)以转速nj,相位差β和旋转角αj为试验因子,以包衣合格率和包衣破碎率为试验指标,选用三因素五水平二次回归正交旋转中心组合试验,对影响搅拌装置性能的结构与作业参数进行试验研究,各参数对包衣合格率的影响大小依次为转速、相位差和旋转角;对包衣破碎率的影响大小依次为旋转角、相位差和转速。在旋转角为65°,相位差为86°～93°,转速为26～32 r/min的参数组合条件下,大豆种子包衣搅拌装置可以实现包衣合格率≥95%,包衣破碎率≤0.1%的包衣要求。试验范围内影响多目标函数的参数优化组合为:相位差90°、旋转角65°、转速30 r/min,此时包衣合格率为95.47%,包衣破碎率为0.06%,属于包衣一等品,满足大豆种子包衣要求,且试验数值与优化数值对比可知,优化结果准确可信。(6)对平面搅拌叶片和仿生搅拌叶片作表面张力测量对比试验,得出平面搅拌叶片黏附功和临界表面张力较仿生搅拌叶片大,表明平面搅拌叶片表面更容易被种衣剂润湿,其表面的润湿性更好,更容易被种衣剂粘附。而仿生搅拌叶片不容易被种衣剂粘附,更适用于包衣搅拌作业。种衣剂在平面搅拌叶片上呈片状粘附,尤以靠近搅拌槽顶部,即喷洒种衣剂位置较近处,粘附程度较重;而种衣剂在仿生搅拌叶片上呈斑块状粘附,粘附位置靠近仿生搅拌叶片边缘位置,粘附程度较轻。仿生搅拌叶片利用唐冠螺这类海生贝类减粘的效应,可有效减少种衣剂对搅拌叶片表面的粘附。(7)以未包衣大豆种子为对照组ck,新型包衣搅拌装置处理后的大豆种子为处理1,现有包衣搅拌装置处理后的大豆种子为处理2,实施田间比较试验,结果表明:新型包衣搅拌装置处理较现有包衣搅拌装置处理在发芽指数、根鲜重、主根长上差异显著。在发芽指数上,处理1较对照组增长19.87%,处理2较对照组增长10.51%,处理1较处理2增长8.5%;在根鲜重指标上,处理1较对照组增长18.78%,处理2较对照组增长6.76%,处理1较处理2增长11.45%;在主根长指标上,处理1较对照组增长19.86%,处理2较对照组增长5.36%,处理1较处理2增长13.75%。且在发芽指数、根鲜重、主根长上,处理1、处理2与对照组在0.01水平上均差异显著,处理1和处理2在0.05水平上均差异显著。