仇 義，陳 智，侯占峰，宋 濤，弭龍凱，邵志威

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振動力場提高牧草種子丸粒化包衣效果數(shù)值模擬與試驗

仇 義1，陳 智1※，侯占峰1，宋 濤2，弭龍凱1，邵志威1

（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，呼和浩特 010018；2. 泰山學院機械與建筑工程學院，泰安 271000）

為提高牧草種子丸粒化包衣合格率，對振動力場作用下的小粒不規(guī)則牧草種子進行丸粒化包衣研究。運用Solid-Works和離散元仿真軟件EDEM建立了包衣鍋三維模型及仿真模型，研究了牧草種子丸?；逻^程的運動規(guī)律。引入振動后的仿真結果表明：在包衣鍋轉速為40 r/min，包衣鍋振動頻率為20 Hz，振幅為2 mm，包衣鍋傾角為35°的條件下，種群能在不同的時間點、相同的空間區(qū)域分布較為離散，種群的運動劇烈加速種粉間的離散程度，促使種粉達到“沸騰”狀態(tài)，使其進入彼此間隙，增大種粉間碰撞摩擦次數(shù)，達到丸粒包衣的理想效果。試驗結果表明：隨包衣鍋振動頻率的增加，單籽率及有籽率均略有提高，而當振動頻率為20 Hz時，單籽率及有籽率可達到較理想的丸?；Ч?；正交試驗結果表明：當包衣鍋轉速為40 r/min，包衣鍋振動頻率為20 Hz，包衣鍋傾角為35°，包衣時間為20 min時，單籽率達到82.08%，包衣合格率達到98.22%，研究結果可為小粒不規(guī)則種子包衣提供參考依據(jù)。

種子；丸?；?；試驗；包衣；振動力場；仿真

0 引 言

近年來，隨著牧區(qū)人口的快速增長，對草原的利用強度日益加大，使大面積的天然草原不斷退化，生產(chǎn)力下降[1-3]。飛機散播和噴播機噴播是恢復草原植被的有效方法，然而不管是飛機散播還是噴播機噴播都要求對種子進行丸粒化包衣，以確保作業(yè)后種子的發(fā)芽率和成活率[4-5]。因此，研發(fā)牧草種子丸?；略O備，對于采取工程措施恢復與重建退化草地植被，進一步改善草原生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

從1926年美國科學家Thornton和Ganulee首先提出種子包衣問題后，直到20世紀80年代，發(fā)達國家種子丸?；录夹g基本成熟。而中國的丸粒化包衣技術始于20世紀80年代。近年來，國內(nèi)科研院所加大對種子丸?；略O備研究的投入。例如，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定總站和農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所共同研制成功的5WH-150型種子丸?；O備、中國農(nóng)機院生產(chǎn)的5BW-50型種子丸?；乱惑w機、上海交通大學研制的BY2150A型種子包衣機等[6-10]。雖然中國的種子丸?；录夹g取得了一定的進步，但仍存在許多問題。歸納起來主要有：所研發(fā)的丸?；略O備較少，特別是小粒不規(guī)則牧草種子丸?；略O備極少；丸化后的粉化率高，單籽率及包衣合格率低，丸?；缕焚|(zhì)差等問題[11-15]。

針對牧草種子丸?；麓嬖诘膯巫崖始鞍潞细衤实汀⑼枇；缕焚|(zhì)差等問題，本文采用數(shù)值模擬與試驗驗證相結合的方法，將振動力場引入到牧草種子丸?；略O備中，利用振動與旋轉的復合運動來促進種子與種衣劑均勻且充分的混合，降低多籽率和無籽率，提高單籽率及包衣合格率。

1 試驗設備

1.1 整機結構

該試驗裝置主要包括種子供料系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、稱量系統(tǒng)、丸粒化包衣系統(tǒng)、電磁激振器、控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)（圖1）。設計的牧草種子丸?；聶C主要技術參數(shù)見表1。

1.2 包衣機的工作原理

試驗時，種子和粉料經(jīng)提升機提升喂入到種子進料口18和粉料進料口1內(nèi)，通過調(diào)節(jié)進料口閥門2實現(xiàn)種粉定量供給。通過高壓泵8將藥液泵送到噴頭15進行霧化，此時種子經(jīng)過分流板16分流成單片幕狀，在種子下落過程中與霧化的藥液進行接觸，使藥液在種子表面成膜。成膜后的種子落入包衣鍋14內(nèi)，此時將粉料噴灑到包衣鍋14內(nèi)，包衣鍋14在包衣鍋電機11的帶動下開始轉動。同時電動激振器13通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率來改變激振力的大小，將激振力施加在包衣鍋14的主軸上，進而將振動傳遞給包衣鍋14。在整個包衣過程中，電動激振器一直在提供振動，其目的是增強包衣鍋內(nèi)種粉混合程度以及丸粒化包衣后的牧草種子單子抗壓強度。在振動的作用下，使粉料更加均勻、牢固粘附在種子表面，同時有效提高種子的丸?；潞细衤?、單籽率及單籽抗壓強度。丸?；潞?，包衣鍋14在旋轉步進電機10帶動下進行旋轉，將丸?；蟮姆N子倒入出料口12并由出料口排出，完成整個加工過程。

1. 粉料進料口 2. 進料口閥門 3. 稱量系統(tǒng) 4. 步進電機 5. 粉料輸送管道6. 藥液管道7. 藥液儲存罐8. 高壓泵9. 電機 10. 旋轉步進電機 11. 包衣鍋電機12. 出料口 13. 電動激振器 14. 包衣鍋 15. 噴頭 16. 分流板 17. 控制器 18. 種子進料口

表1 牧草種子丸?；聶C主要技術參數(shù)

2 數(shù)值模擬模型

2.1 模型參數(shù)

選取天然牧草種子為研究對象。根據(jù)牧草種子仿真的物理特性參數(shù)（表2），在離散元仿真軟件EDEM中采用多球體重疊球模型[16-18]，重疊球模型可以有效地延緩“自鎖”現(xiàn)象的發(fā)生，并且對邊界的擬合度更好[19-20]。

牧草種子外形是非球體，但統(tǒng)計學上可以用橢球體來近似，根據(jù)實際測量牧草種子的外形尺寸后，可將 其外形參數(shù)定義為橢球的長半軸=2.5 mm和短半軸=1.2 mm。而對于這樣的軸對稱橢球體單元在EDEM中進行多球體填充（圖2），而參與填充的球體越多近似度越高，計算量也越大[21-22]。為了兼顧計算量，選取13個球體粘合到一起來近似牧草種子。

表2 牧草種子物理特性及仿真參數(shù)

圖2 牧草種子仿真模型

2.2 牧草種子受力分析

牧草種子在包衣鍋中受到重力、摩擦力、激振力、離心力等作用（圖3），在合力的作用下隨鍋旋轉，運動至包衣鍋高度的2/3位置處，開始下落，落至最底處，如此往復運動。

注：G為重力，N；F1為激振力，N；F2為支持力，N；F3為種子間摩擦力，N；F4為離心力，N；F5為種子與包衣鍋摩擦力，N。

2.3 顆粒模型運動方程

利用中心差分法對式（1）進行數(shù)值積分得到兩次迭代時間步長的中間點表示的更新速度為

對式（2）進行積分，得到位移的等式

由此得到了顆粒新的位移值，如此反復循環(huán)實現(xiàn)跟蹤每個顆粒在任意時刻的運動[23]。進而得到顆粒任意時刻的速度、加速度、位移及運動軌跡等。

3 顆粒群運動數(shù)值模擬

3.1 種粉運動過程仿真

將Solid-Works中建立好的包衣鍋三維實體模型導入離散元仿真軟件EDEM[24-25]中（圖4），在離散元軟件EDEM中的Dynamics模塊下仿真出包衣鍋振動頻率、振幅及轉速，同時選用Hertz-Mindlin（no slip）built-in接觸模型進行數(shù)值模擬。數(shù)據(jù)采集時間間隔為0.02 s，仿真總時長為5 s（仿真過程中的種粉質(zhì)量比為1∶4），包衣鍋以轉速為40 r/min的速度下勻速轉動；牧草種子及包衣藥粉以初速度為0，加速度為重力加速度的條件下進行數(shù)值模擬仿真。

1. 種子進料口 2. 藥粉進料口 3. 包衣鍋

為了探究振動力場的引入對種粉混合程度的影響，分別截取一個仿真周期5 s內(nèi)的3個時間點1 s、2 s、5 s時的種粉運動狀態(tài)圖。圖5為包衣鍋轉速= 40 r/min、無振動力場的條件下的顆粒運動狀態(tài)分布圖。由圖5可以看出，在包衣鍋未加振動的條件下，顆粒僅依靠包衣鍋轉動對牧草種子進行丸粒化包衣，一個供粉料的周期內(nèi)種粉的混合程度并不理想，多數(shù)的牧草種子易形成團聚現(xiàn)象（圖5），很難做到種粉充分接觸混合，進而造成多籽率、無籽率較高，單籽率及包衣合格率的較低。

注：包衣鍋轉速n=40 r·min-1，包衣鍋傾角為35°，包衣鍋頻率f=0，包衣鍋振幅A=0；紅色顆粒代表著色后的包衣藥粉，綠色顆粒代表牧草種子。

注：包衣鍋轉速n=40 r·min-1，包衣鍋傾角為35°，包衣鍋頻率f=20 Hz，包衣鍋振幅A=2 mm。

圖6為將振動力場引入到牧草種子丸?；聶C時顆粒運動狀態(tài)分布圖，數(shù)據(jù)采集的時間間隔為0.02 s，仿真總時長為5 s，包衣鍋同樣以轉速=40 r/min勻速轉動，而此時在離散元仿真軟件EDEM中的Dynamics模塊下仿真出包衣鍋振動頻率為20 Hz，振幅為2 mm時的顆粒運動狀態(tài)。同樣截取=1 s、=2 s及=5 s的顆粒運動狀態(tài)進行對比，由對比圖可以明顯看出在振動力場的作用下，種粉能夠達到“沸騰”狀態(tài)，且種群能在不同的時間點、相同的空間區(qū)域分布的較為離散，促使種粉能更好的進入彼此的間隙中，增大種粉的接觸機會、碰撞摩擦次數(shù)以及碰撞力，有利于牧草種子丸粒化包衣。而當=5 s時，由圖5、圖6對比可以看出，振動力場的引入（圖6）包衣丸化效果更好，包敷在種子表面上的面積更大。因此，將振動力場引入到牧草種子丸?；聶C是可行的。

圖7為仿真周期（5 s）內(nèi)顆粒群的速度分布及軌跡流線矢量表示圖，紅色代表速度最快，藍色代表速度最慢[26]。當包衣機達到穩(wěn)定工作狀態(tài)時（圖7），此時包衣鍋內(nèi)種粉的速度從頂部到底部逐漸增加，在包衣鍋最底部種粉的速度反而有所降低。牧草種子掉入包衣鍋的過程中，受重力加速度作用，速度在到達包衣鍋底部時達到最大，與包衣鍋碰撞后速度減小，速度降低后有利于種粉的局部混合接觸，增大種粉間的局部碰撞接觸機會，有利于牧草種子丸?；?。

注：當包衣鍋轉速為40 r·min-1，包衣鍋振動頻率為20 Hz，包衣鍋傾角為35°，仿真時間為5 s時的包衣機運動仿真圖。圖中紅色代表包衣藥粉，綠色代表牧草種子。

3.2 振動力場作用下仿真結果分析

基于以上分析仿真可知：圖5、圖6能觀察出振動力場引入后，種群的局部混合特性。而圖7可觀察出整個粒子群的宏觀運動規(guī)律，同時在振動力場作用下的牧草種子、粉料與無振動力場作用的牧草種子、粉料的運動軌跡和速度均有很大的差別。振動力場作用下的牧草種子在包衣鍋中受到重力、支持力、摩擦力及振動的綜合作用，隨包衣鍋勻速轉動，并沿其內(nèi)壁上升，且當牧草種子在包衣鍋內(nèi)運動到最大高度時，種子開始做拋射運動[27-28]，該牧草種子在與其他種子的相互碰撞、與包衣鍋內(nèi)壁的摩擦、以及種粉間的摩擦力作用下，速度降低。整個運動過程能促使牧草種子在包衣藥粉中充分接觸摩擦，達到牧草種子丸粒化效果，提高牧草種子的丸?；潭?。而當時間為0.61及0.81 s時（圖8），種粉的碰撞力達到最大，說明此時種粉粘結到一起的可能性最大，粘結效果最好，此時為牧草種子一個周期內(nèi)的包衣較 佳階段。

圖9為全部種粉平均速度與平均位移隨時間變化關系曲線，由曲線的走勢可知，0.36 s時為平均速度與平均位移隨時間變化曲線的極值點，以0.36 s為界，前后兩段的速度位移有著明顯的差異。說明0.36 s前為種粉下落階段，種及粉自上到下，在重力的作用下，種粉速度變化趨勢在逐漸增大，而種粉的位移處于先增大后減小的趨勢。由種粉速度位移隨時間變化曲線圖9可知，0.36 s后種粉速度在逐漸降低而位移在逐漸變大，說明此階段為種粉包衣階段，此時的種粉在離心力與振動力場的雙重作用下進行丸?；?；當0.81 s后的種粉位移增幅趨勢變化不大而速度曲線在逐漸變小，此時的種粉在受到粒子間的碰撞與摩擦力的作用下，開始降速包衣，此時的種粉數(shù)量增多，碰撞摩擦次數(shù)變大，可推斷此時段為丸?；螺^佳階段。

圖8 種粉質(zhì)心所受合力圖

圖9 全部種粉平均速度和平均位移與時間的關系曲線

4 試驗驗證

4.1 振動力場作用下的對照試驗

為了進一步驗證仿真的準確性，即研究引入振動后對牧草種子丸?；聶C的有籽率及單籽率的影響。選用同一批次丸化后的牧草種子，隨機抽出200粒，人工碾碎丸化后的種子，統(tǒng)計有籽的顆粒數(shù)，用有籽的顆粒數(shù)重復取樣10次，取其平均值，將有籽的顆粒數(shù)除以顆?？倲?shù)，即為有籽率。同樣選用同一批次丸化后的牧草種子，隨機抽出200粒，人工碾碎丸化后的種子，統(tǒng)計單籽的顆粒數(shù)，重復取樣10次，取其平均值，將單籽的顆粒數(shù)除以顆?？倲?shù)，即為單籽率。保持包衣鍋轉速為40 r/min、包衣鍋傾角為35°、包衣時間為20 min不變的條件下，以有籽率及單籽率為性能檢測指標，分別在包衣鍋振動頻率為0、15、20、25 Hz的條件下，進行單因素試驗，每組性能試驗進行3次，試驗結果取平均值見表3。

表3 不同振動頻率下丸化包衣試驗表

注：數(shù)據(jù)為“均值±標準差”；包衣鍋轉速為40 r·min-1、包衣鍋傾角為35°、包衣時間為20 min。

Note: The data are expressed in the form of mean and standard deviations. Coating pan speed is 40 r·min-1, the dip angle of the coating pot is 35°, the coating time is 20 min.

由所設計試驗裝置（圖1）工作過程可知，在牧草種子落入包衣鍋前，種子就開始與霧化的藥液進行接觸，使藥液在種子表面成膜，增加牧草種子的質(zhì)量。與此同時牧草種子在落入包衣鍋后開始隨包衣鍋轉動，在包衣鍋轉速為40 r/min，振動頻率為20 Hz的條件下，牧草種子在包衣鍋內(nèi)被旋轉起的最大高度僅有包衣鍋的高度的2/3。因此，在整個包衣的過程中振動對牧草種子運動的影響遠遠大于空氣對其影響，即空氣的影響可以忽略不計。

由表3可知，包衣鍋振動頻率為20 Hz時為牧草種子丸?；碌妮^理想狀態(tài)，此時有籽率及單籽率的均值分別為93.8%和81.5%。而當包衣鍋振動頻率為25 Hz時，此時的包衣鍋振動頻率過快容易將已包好的種子外表面的粉料振動下來，因此會造成有籽率及單籽率的下降。綜上可知，隨著振動力場的引入牧草種子有籽率及單籽率均有明顯的提高，能夠達到丸?；碌哪康?，進一步驗證了仿真結果的真實性與可行性。

4.2 正交試驗

為了確定牧草種子丸?；聶C最優(yōu)工作參數(shù)組合，以單籽率和包衣合格率為性能檢測指標，以包衣鍋轉速、包衣時間、振動頻率、包衣鍋傾角為試驗因素，每個因素分別取3個水平進行正交試驗[29]。每組性能試驗進行3次，試驗結果取平均值見表4，試驗中的牧草種子的數(shù)量大于50 000粒/次。根據(jù)前期預試驗得到的影響包衣合格率的各參數(shù)范圍。按照要求進行丸?；?，完成一次包衣過程后，從每份試驗樣品中分別取出200粒包衣后的牧草種子，采用5倍放大鏡觀察每粒試樣，根據(jù)中華人民共和國機械工業(yè)局推薦標準JB/T 7730—2011，以包衣劑包敷在牧草種子上的面積大于80%的牧草認定為包衣合格，按照下式計算包衣合格率

式中為包衣合格率（%），Z為種衣劑包敷牧草種子面積大于80%的牧草種子粒數(shù)，Z為包衣不合格牧草種子粒數(shù)。

表4 正交試驗方案及試驗結果

4.3 極差分析及最優(yōu)組合參數(shù)確定

極差的計算結果見表4。由表可知各列的極差值不相等，說明各列水平改變對試驗結果的影響是不相同的。極差越大，說明因素水平的改變對試驗結果影響越大，極差水平最大的那一列因素就是最主要因素[30]。因此，根據(jù)極差大小排出4個因素分布對3個指標影響的重要性的主次順序，如下：

單 籽 率：>>>

包衣合格率：>>>

在本例中試驗指標均越大越好，所以應該挑選每個因素最大的水平。因此可得如下結論：

對單籽率，最優(yōu)方案為：2322

對包衣合格率，最優(yōu)方案為：2322

由極差分析可知：影響單籽率及包衣合格率的最優(yōu)組合相同均為2322，對該組合做試驗驗證分析，每組試驗重復5次，試驗結果取平均值。

當包衣鍋轉速40 r/min，包衣時間為20 min，包衣鍋振動頻率20 Hz，包衣鍋傾角為35°時，單籽率為82.08%，包衣合格率為98.22%。因此，振動頻率為20 Hz時牧草種子丸?；滦Ч^好。

5 結 論

1）將振動力場引入到牧草種子包衣機的丸化過程中，利用振動加旋轉復合運動來促使牧草種子快速丸化成型，增大種粉的接觸機會及碰撞摩擦次數(shù)，提高牧草種子的包衣質(zhì)量。同時通過仿真與試驗驗證可知，引入振動力場來提高牧草種子包衣合格率及單籽率是真實有效的。

2）運用離散元仿真軟件EDEM建立牧草種子包衣機仿真模型，確定了牧草種子包衣規(guī)律，由牧草種子位移、速度隨時間變化曲線可知，0.36 s前為種粉下落階段，0.36 s后為種子包衣階段。而當0.81 s時，種粉的碰撞力達到最大且種子在藥粉中運動位移最大，粘結時間最長，粘結效果最好，說明此時為包衣的最佳階段。

3）對影響單籽率及包衣合格率的因素進行正交優(yōu)化試驗；當包衣鍋轉速40 r/min，包衣時間20 min，包衣鍋振動頻率20 Hz，包衣鍋傾角為35°時，單籽率為82.08%，包衣合格率為98.22%。

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Qiu Yi, Chen Zhi, Hou Zhanfeng, Song Tao, Mi Longkai, Shao Zhiwei.Numerical simulation and experiment on improving pelleted coating of forage grass seeds by vibration force field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(19): 86－93. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.011 http://www.tcsae.org

Numerical simulation and experiment on improving pelleted coating of forage grass seeds by vibration force field

Qiu Yi1, Chen Zhi1※, Hou Zhanfeng1, Song Tao2, Mi Longkai1, Shao Zhiwei1

(1.010018,2.271000,)

In order to improve the rate of coating and pelleting of forage grass seeds, our team is researching the pellet coating of small-particle irregular forage grass seeds under the action of vibration force field. Besides, we establish the three-dimensional model and simulation model of coating pan by using Solid-Works and EDEM (enhanced discrete element method). At the same time, the movement law of seed pelleting coating process is studied for forage grass seed. Simulation results show that when the coating pan speed is 40 r/min, the vibrating frequency of coating pan is 20 Hz, and the amplitude is 0.02 mm, the particle swarm can be dispersed at different time points and in the same spatial region. In addition, the movement of particle swarm accelerates the dispersion degree of the particles. The forage grass seed and powder can reach a boiling state immediately. Meanwhile, by observing the simulation graph, we can see that the forage grass seed and powder can enter each other’s gap easily to increase the collision times between seeds and powder, and achieve the ideal effect of pellet coating eventually. According to relation curve of average velocity and average displacement of all forage seeds and powder with time, we can notice that the seed and powder fall into the coating pan before 0.36 s, while the seed and powder is pelleted and coated after 0.36 s. The reason is that this time point is the extreme point of the curve. After this point, the displacement of seed and powder is gradually becoming larger, while the velocity is gradually becoming lower. We can easily draw a conclusion that forage grass seeds will come into contact with the powder more frequently during the long distance of the movement; the longer the bonding time, the better effect the bonding. However, when the coating time is 0.81 s, the trend of the increase amplitude of the powder displacement has little change, but the velocity is becoming smaller. At this time, the speed of powder and forage grass seed begins to slow down and be coated under the influence of particle collision and friction. This is the best time for the pellet coating of forage grass seed and powder. Otherwise, through the force analysis diagram of the powder and forage grass seed, we can notice that the collision force reaches the maximum at 0.61 and 0.81 s. It shows that the bonding effect of the powder and forage grass seed is the best, and it is easy to seed pelleting. The conclusions are consistent with the velocity and displacement curves. Furthermore, the results of experiment show that when the coating pan speed is 40 r/min, the vibrating frequency of the coating pot is 20 Hz, the dip angle of the coating pot is 35°, the coating time is 20 min, the single seed rate of pelleting coating can be reached 82.08%, the coating qualified rate can be reached 98.22%. The results can provide references for the coating of small irregular seeds.

seeds; granulation; experiments; coating; vibration force field; simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.011

S223.1

A

1002-6819(2017)-19-0086-08

2017-05-25

2017-08-06

國家自然科學基金資助項目（41661058）；國家自然科學基金資助項目（41361058）

仇 義，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，博士生，主要從事環(huán)境測控技術與裝備智能化研究。Email：qyi0508@163.com

※通信作者：陳 智，內(nèi)蒙古察右前旗人，教授，博士生導師，主要從事環(huán)境測控技術與裝備智能化研究。Email：sgchenzhi@imau.edu.cn