振动作用下冰草种子丸化包衣运动与试验研究

仇 义，陈 智，侯占峰，弭龙凯，邵志威，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。近年来，随着牧区人口和社会经济的发展，对草原的利用强度日益加大，加之不合理的利用方式，使大面积的天然草原不断退化，生产力下降[1-3]。内蒙古自治区退化草原面积已占全区草原面积的31.77%，正趋向于成为一个不能自我维持且不可持续发展的系统[4-5]。因此，加快退化草地的治理、恢复草原生态系统是当前十分紧迫的任务。

目前，退化草地补播是国内外对退化草地植被恢复与重建的主要措施之一，但依靠人工补播牧草种子已经不能满足大面积草地植被恢复与重建的需要，只有利用飞机散播和喷播机喷播，才能最大限度地提高作业效率。不管是飞播还是喷播，都要求对种子进行丸粒化包衣，以确保作业后种子的发芽率和成活率[6-9]。因此，研发牧草种子特别是小粒牧草种子丸粒化包衣设备，对于采取工程措施恢复与重建退化草地植被，进一步改善草原生态环境，实现畜牧业可持续发展具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验仪器设备

利用本课题自主设计研发冰草种子丸粒化包衣试验台开展试验，如图1所示。试验所需主要其他仪器设备主要包括电子天平(测量精度 0.1g)、测速仪、变频器，以及用于种衣剂稀释的烧杯、玻璃棒等。

1.粉料进料口 2.进料口阀门 3.称重系统 4.步进电机 5.粉料输送管道 6.药液管道 7.药液储存罐 8.高压泵 9.电机 10.旋转步进电机 11.包衣锅电机 12.出料口 13.电动激振器 14.包衣锅 15.喷头 16.分流板 17.控制器 18.种子进料口

1.2 试验材料

选取适宜在干旱半干旱地区自然气候条件下生长的天然牧草种子(即冰草)为试验对象，种衣剂和药粉作为试验材料。为了提高冰草种子包衣合格率、单籽率及单仔抗压强度，选择合适的包衣配方及包衣材料就显得尤为重要。本课题组选用的包衣材料及试验组分[10]如下：①粉料 1.0份；②粘合剂 0.1～0.5份；③种衣剂水溶液 0.05～0.5份。其中，粉料组分及质量百分比含量为：①硅藻土 25%～50%；②膨润土 25%～50%；③滑石粉 10%～40%。粘合剂组分及百分比含量如下：羧甲基纤维素0.1%～10%，聚乙烯醇0.1%～5%，水适量。

1.3 试验响应参数

以冰草种子包衣合格率J为冰草包衣作业质量考核指标，按中华人民共和国行业标准种子包衣机试验方法(JB/T 7730-2011)，以包衣剂包敷在冰草种子上的面积大于80%的冰草认定为包衣合格，按照下式计算包衣合格率，即

(1)

其中，J为包衣合格率(%)；Zh为种衣剂包敷冰草面积大于80%的冰草粒数(粒)；Zb为包衣不合格冰草数(粒)。

2 数值模拟模型

2.1 接触模型

为了更好地研究颗粒的运动轨迹，将包衣锅内的颗粒分成若干个相互独立的单元，根据牛顿第二定律，循环迭代计算，确定每个时间步长内每个单元受力及位移，进而得到每个单元在每个时步下的平动及转动关系；并实时更新单元位置，通过对每个单元进行力、位移跟踪计算，最终得到包衣锅内粒子群的宏观运动规律[11-12]。在包衣锅内某时步下单个椭球颗粒单元i的平动运动方程为

(2)

(3)

(4)

Ft=-Stδ

(5)

(6)

2.2 数值模拟

基于以上的颗粒运动学及接触力学模型，本文采用离散单元法(Discrete Element Method, DEM)进行数值模拟建模分析，从而可以有效地解决散粒体运动学及动力学问题[13-15]。为了更好地模拟冰草种子与包衣药粉彼此间的运动、碰撞及摩擦规律。利用Pro-E建立包衣锅三维实体模型，并将该模型导入EDEM软件中(见图2)进行仿真，在EDEM的后处理模块中可得到每个颗粒的速度、运动轨迹及种粉在包衣过程中的颗粒的离散程度。在离散元EDEM软件仿真Dynamics模块下，将振动引入到包衣锅上。设定在振动频率为25Hz、振幅为3mm、包衣锅转速为40r/min，在仿真时长6s的条件下进行仿真。采用Vector矢量型的表示方法，可以有效地得到冰草种子和包衣药粉的下一时刻的运动及相应的运动轨迹。同时，由矢量图可以清楚地看到冰草种子和药粉在振动与旋转的复合作用下能更充分地混合，进而可达到较理想的丸化包衣效果。

从图2可以看出：在振动、旋转及离心力的复合作用下，冰草种子和药粉的分布主要集中在包衣锅的右侧。当包衣锅振动频率为25Hz、振幅为3mm、包衣锅转速为40 r/min时，种粉能达到理想的离散状态且能够充分接触混合。在碰撞与摩擦力的作用下，种粉开始降速丸化包衣，达到理想的丸化包衣效果。因此，由仿真矢量图可以清楚地看到冰草种子和药粉每一时刻的时空分布、速度分布及冰草种子和药粉的宏观混合规律，进而为后续分析处理提供可靠依据。

图2 颗粒运动矢量图Fig.2 Particle motion vector diagram

3 数值模拟过程及分析

3.1 单颗粒轨迹分析

为了明确颗粒的随机运动，同时研究单粒冰草种子在包衣过程中与药粉间是否具有跟随性，以及是否冰草种子和药粉具有一致的运动轨迹及趋势。在散粒体仿真软件EDEM后处理中的Selection模块下的Grid Bin Group下对整个包衣锅内的粒子进行网格划分，分成若干个长方体区域，每个区域内均有一定量的冰草种子和包衣药粉，进而分析每个小长方体区域内种粉的运动及混合情况。同时，在离散元EDEM软件仿真Dynamics模块下，设定振动频率为25Hz，振幅为3mm，包衣锅转速为40r/min，在仿真总时长6s的条件下进行仿真。选取其中一个长方体内仅有1粒冰草种子和若干药粉颗粒的小区域，在EDEM软件中Manual Selection模块下对冰草种子在整个仿真时长(6s)下进行标记。本文随机选取某一时刻粒子群内单颗粒在整个运动过程的轨迹图，如图3所示。

3.2 仿真结果与讨论

从图3可以看出：标记的冰草种子与药粉在包衣锅中的某个限定的小区域内，从产生的那一时刻开始，在包衣锅振动加旋转的复合作用下与包衣锅一起做圆周运动。此时，药粉可在包衣锅的某个区域内一直跟随着冰草种子运动；当冰草种子和药粉的喂入量逐渐增加的时候，冰草种子和药粉的碰撞摩擦次数也在逐渐增多，促进冰草种子和药粉丸粒化包衣。因此，在整个运动过程中包衣药粉与冰草种子有足够的时长进行充分接触，进而提高冰草种子丸粒化包衣效果及包衣合格率。

图3 单颗粒运动轨迹Fig.3 Trajectory of single particle

4 正交验证

以包衣合格率为试验性能指标，以包衣锅转速、包衣时间、振动频率、包衣锅倾角为试验因素，每个因素分别取3个水平进行正交试验[16-17]，因素水平编码表如表1所示。

表1 因素水平编码表Table 1 Factors and levels encode table

每组性能试验进行3次，每次间隔时间分别为10、15、20min，试验结果取平均值，试验物料每次数量大于50 000粒。根据预试验得到的种衣剂配比要求进行包衣，从每份试验样品中分出200粒试样用5倍放大镜观察每粒试样，再分出包衣剂包敷的冰草面积大于80%的冰草认定为包衣合格，将其包衣合格率记录在表2中。

计算极差并确定因素的主次顺序，即

(7)

其中，Rj称为第j列的极差或其所在因素的极差。极差的计算结果见表2。

根据极差大小排出3个因素分布对3个指标影响的重要性的主次顺序为C>A>B。

由正交试验可知，影响包衣合格率的主次因素分别为包衣锅倾角>转速>振频。因此，通过正交试验可知，在振动和旋转的复合作用下，冰草种子具有较好的丸粒包衣效果，其包衣合格率可达98.2%。

表2 正交试验方案及试验结果Table 2 Orthogonal test scheme and test results

5 结论

1)利用Pro-E对包衣锅进行三维实体建模，同时采用三维仿真软件EDEM模拟了冰草种子与药粉的包衣过程和运动规律。从单粒种子运动轨迹曲线图可知：包衣药粉与牧草种子在丸粒化包衣过程具有跟随性，种子与药粉会随包衣锅做圆周运动。

2)将振动引入到冰草种子丸粒化包衣机内，种粉能在不同的时间点、相同的空间区域分布得较为离散，达到理想的种粉混合效果，并可提高冰草种子的包衣合格率。

3)对影响丸粒化包衣的参数进行正交试验，确定了影响包衣合格率的主次因素为：包衣锅倾角>包衣锅转速>包衣锅振动频率。