振動(dòng)力場提高牧草種子丸?；滦Ч麛?shù)值模擬與試驗(yàn)

仇 義，陳 智，侯占峰，宋 濤，弭龍凱，邵志威

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振動(dòng)力場提高牧草種子丸?；滦Ч麛?shù)值模擬與試驗(yàn)

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(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2. 泰山學(xué)院機(jī)械與建筑工程學(xué)院，泰安 271000）

為提高牧草種子丸?；潞细衤?，對(duì)振動(dòng)力場作用下的小粒不規(guī)則牧草種子進(jìn)行丸粒化包衣研究。運(yùn)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(yùn)動(dòng)規(guī)律。引入振動(dòng)后的仿真結(jié)果表明：在包衣鍋轉(zhuǎn)速為40 r/min，包衣鍋振動(dòng)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(shí)間點(diǎn)、相同的空間區(qū)域分布較為離散，種群的運(yùn)動(dòng)劇烈加速種粉間的離散程度，促使種粉達(dá)到“沸騰”狀態(tài)，使其進(jìn)入彼此間隙，增大種粉間碰撞摩擦次數(shù)，達(dá)到丸粒包衣的理想效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨包衣鍋振動(dòng)頻率的增加，單籽率及有籽率均略有提高，而當(dāng)振動(dòng)頻率為20 Hz時(shí)，單籽率及有籽率可達(dá)到較理想的丸?；Ч徽辉囼?yàn)結(jié)果表明：當(dāng)包衣鍋轉(zhuǎn)速為40 r/min，包衣鍋振動(dòng)頻率為20 Hz，包衣鍋傾角為35°，包衣時(shí)間為20 min時(shí)，單籽率達(dá)到82.08%，包衣合格率達(dá)到98.22%，研究結(jié)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(yàn)；包衣；振動(dòng)力場；仿真

0 引 言

近年來，隨著牧區(qū)人口的快速增長，對(duì)草原的利用強(qiáng)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(jī)散播和噴播機(jī)噴播是恢復(fù)草原植被的有效方法，然而不管是飛機(jī)散播還是噴播機(jī)噴播都要求對(duì)種子進(jìn)行丸?；拢源_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(shè)備，對(duì)于采取工程措施恢復(fù)與重建退化草地植被，進(jìn)一步改善草原生態(tài)環(huán)境，實(shí)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(xué)家Thornton和Ganulee首先提出種子包衣問題后，直到20世紀(jì)80年代，發(fā)達(dá)國家種子丸?；录夹g(shù)基本成熟。而中國的丸?；录夹g(shù)始于20世紀(jì)80年代。近年來，國內(nèi)科研院所加大對(duì)種子丸粒化包衣設(shè)備研究的投入。例如，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定總站和農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所共同研制成功的5WH-150型種子丸?；O(shè)備、中國農(nóng)機(jī)院生產(chǎn)的5BW-50型種子丸?；乱惑w機(jī)、上海交通大學(xué)研制的BY2150A型種子包衣機(jī)等[6-10]。雖然中國的種子丸?；录夹g(shù)取得了一定的進(jìn)步，但仍存在許多問題。歸納起來主要有：所研發(fā)的丸?；略O(shè)備較少，特別是小粒不規(guī)則牧草種子丸?；略O(shè)備極少；丸化后的粉化率高，單籽率及包衣合格率低，丸粒化包衣品質(zhì)差等問題[11-15]。

針對(duì)牧草種子丸?；麓嬖诘膯巫崖始鞍潞细衤实?、丸?；缕焚|(zhì)差等問題，本文采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，將振動(dòng)力場引入到牧草種子丸?；略O(shè)備中，利用振動(dòng)與旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)來促進(jìn)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(yàn)設(shè)備

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該試驗(yàn)裝置主要包括種子供料系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、稱量系統(tǒng)、丸?；孪到y(tǒng)、電磁激振器、控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)（圖1）。設(shè)計(jì)的牧草種子丸?；聶C(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 包衣機(jī)的工作原理

試驗(yàn)時(shí)，種子和粉料經(jīng)提升機(jī)提升喂入到種子進(jìn)料口18和粉料進(jìn)料口1內(nèi)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)料口閥門2實(shí)現(xiàn)種粉定量供給。通過高壓泵8將藥液泵送到噴頭15進(jìn)行霧化，此時(shí)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(jìn)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(shí)將粉料噴灑到包衣鍋14內(nèi)，包衣鍋14在包衣鍋電機(jī)11的帶動(dòng)下開始轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)電動(dòng)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(jìn)而將振動(dòng)傳遞給包衣鍋14。在整個(gè)包衣過程中，電動(dòng)激振器一直在提供振動(dòng)，其目的是增強(qiáng)包衣鍋內(nèi)種粉混合程度以及丸?；潞蟮哪敛莘N子單子抗壓強(qiáng)度。在振動(dòng)的作用下，使粉料更加均勻、牢固粘附在種子表面，同時(shí)有效提高種子的丸粒化包衣合格率、單籽率及單籽抗壓強(qiáng)度。丸?；潞?，包衣鍋14在旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)10帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將丸粒化后的種子倒入出料口12并由出料口排出，完成整個(gè)加工過程。

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

表1 牧草種子丸?；聶C(jī)主要技術(shù)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(duì)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(duì)邊界的擬合度更好[19-20]。

牧草種子外形是非球體，但統(tǒng)計(jì)學(xué)上可以用橢球體來近似，根據(jù)實(shí)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(duì)于這樣的軸對(duì)稱橢球體單元在EDEM中進(jìn)行多球體填充（圖2），而參與填充的球體越多近似度越高，計(jì)算量也越大[21-22]。為了兼顧計(jì)算量，選取13個(gè)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(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)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(fù)運(yùn)動(dòng)。

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(yùn)動(dòng)方程

利用中心差分法對(duì)式（1）進(jìn)行數(shù)值積分得到兩次迭代時(shí)間步長的中間點(diǎn)表示的更新速度為

對(duì)式（2）進(jìn)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(fù)循環(huán)實(shí)現(xiàn)跟蹤每個(gè)顆粒在任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)[23]。進(jìn)而得到顆粒任意時(shí)刻的速度、加速度、位移及運(yùn)動(dòng)軌跡等。

3 顆粒群運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬

3.1 種粉運(yùn)動(dòng)過程仿真

將Solid-Works中建立好的包衣鍋三維實(shí)體模型導(dǎo)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(dòng)頻率、振幅及轉(zhuǎn)速，同時(shí)選用Hertz-Mindlin（no slip）built-in接觸模型進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為0.02 s，仿真總時(shí)長為5 s（仿真過程中的種粉質(zhì)量比為1∶4），包衣鍋以轉(zhuǎn)速為40 r/min的速度下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；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(jìn)行數(shù)值模擬仿真。

1. 種子進(jìn)料口 2. 藥粉進(jìn)料口 3. 包衣鍋

為了探究振動(dòng)力場的引入對(duì)種粉混合程度的影響，分別截取一個(gè)仿真周期5 s內(nèi)的3個(gè)時(shí)間點(diǎn)1 s、2 s、5 s時(shí)的種粉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖。圖5為包衣鍋轉(zhuǎn)速= 40 r/min、無振動(dòng)力場的條件下的顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分布圖。由圖5可以看出，在包衣鍋未加振動(dòng)的條件下，顆粒僅依靠包衣鍋轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)牧草種子進(jìn)行丸?；?，一個(gè)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(tuán)聚現(xiàn)象（圖5），很難做到種粉充分接觸混合，進(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dòng)力場引入到牧草種子丸粒化包衣機(jī)時(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分布圖，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔為0.02 s，仿真總時(shí)長為5 s，包衣鍋同樣以轉(zhuǎn)速=40 r/min勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，而此時(shí)在離散元仿真軟件EDEM中的Dynamics模塊下仿真出包衣鍋振動(dòng)頻率為20 Hz，振幅為2 mm時(shí)的顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同樣截取=1 s、=2 s及=5 s的顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，由對(duì)比圖可以明顯看出在振動(dòng)力場的作用下，種粉能夠達(dá)到“沸騰”狀態(tài)，且種群能在不同的時(shí)間點(diǎn)、相同的空間區(qū)域分布的較為離散，促使種粉能更好的進(jìn)入彼此的間隙中，增大種粉的接觸機(jī)會(huì)、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(dāng)=5 s時(shí)，由圖5、圖6對(duì)比可以看出，振動(dòng)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(dòng)力場引入到牧草種子丸?；聶C(jī)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(lán)色代表速度最慢[26]。當(dāng)包衣機(jī)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)（圖7），此時(shí)包衣鍋內(nèi)種粉的速度從頂部到底部逐漸增加，在包衣鍋?zhàn)畹撞糠N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(dá)包衣鍋底部時(shí)達(dá)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(jī)會(huì)，有利于牧草種子丸?；隆?/p>

注：當(dāng)包衣鍋轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，包衣鍋振動(dòng)頻率為20 Hz，包衣鍋傾角為35°，仿真時(shí)間為5 s時(shí)的包衣機(jī)運(yùn)動(dòng)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(dòng)力場作用下仿真結(jié)果分析

基于以上分析仿真可知：圖5、圖6能觀察出振動(dòng)力場引入后，種群的局部混合特性。而圖7可觀察出整個(gè)粒子群的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)在振動(dòng)力場作用下的牧草種子、粉料與無振動(dòng)力場作用的牧草種子、粉料的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度均有很大的差別。振動(dòng)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(dòng)的綜合作用，隨包衣鍋勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，并沿其內(nèi)壁上升，且當(dāng)牧草種子在包衣鍋內(nèi)運(yùn)動(dòng)到最大高度時(shí)，種子開始做拋射運(yùn)動(dòng)[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(gè)運(yùn)動(dòng)過程能促使牧草種子在包衣藥粉中充分接觸摩擦，達(dá)到牧草種子丸?；Ч?，提高牧草種子的丸粒化程度。而當(dāng)時(shí)間為0.61及0.81 s時(shí)（圖8），種粉的碰撞力達(dá)到最大，說明此時(shí)種粉粘結(jié)到一起的可能性最大，粘結(jié)效果最好，此時(shí)為牧草種子一個(gè)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(shí)間變化關(guān)系曲線，由曲線的走勢可知，0.36 s時(shí)為平均速度與平均位移隨時(shí)間變化曲線的極值點(diǎn)，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(shí)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(shí)的種粉在離心力與振動(dòng)力場的雙重作用下進(jìn)行丸粒化包衣；當(dāng)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(shí)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(shí)的種粉數(shù)量增多，碰撞摩擦次數(shù)變大，可推斷此時(shí)段為丸粒化包衣較佳階段。

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(shí)間的關(guān)系曲線

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 振動(dòng)力場作用下的對(duì)照試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，即研究引入振動(dòng)后對(duì)牧草種子丸?；聶C(jī)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(jī)抽出200粒，人工碾碎丸化后的種子，統(tǒng)計(jì)有籽的顆粒數(shù)，用有籽的顆粒數(shù)重復(fù)取樣10次，取其平均值，將有籽的顆粒數(shù)除以顆粒總數(shù)，即為有籽率。同樣選用同一批次丸化后的牧草種子，隨機(jī)抽出200粒，人工碾碎丸化后的種子，統(tǒng)計(jì)單籽的顆粒數(shù)，重復(fù)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(zhuǎn)速為40 r/min、包衣鍋傾角為35°、包衣時(shí)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(biāo)，分別在包衣鍋振動(dòng)頻率為0、15、20、25 Hz的條件下，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，每組性能試驗(yàn)進(jìn)行3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值見表3。

表3 不同振動(dòng)頻率下丸化包衣試驗(yàn)表

注：數(shù)據(jù)為“均值±標(biāo)準(zhǔn)差”；包衣鍋轉(zhuǎn)速為40 r·min-1、包衣鍋傾角為35°、包衣時(shí)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(shè)計(jì)試驗(yàn)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(jìn)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(shí)牧草種子在落入包衣鍋后開始隨包衣鍋轉(zhuǎn)動(dòng)，在包衣鍋轉(zhuǎn)速為40 r/min，振動(dòng)頻率為20 Hz的條件下，牧草種子在包衣鍋內(nèi)被旋轉(zhuǎn)起的最大高度僅有包衣鍋的高度的2/3。因此，在整個(gè)包衣的過程中振動(dòng)對(duì)牧草種子運(yùn)動(dòng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣對(duì)其影響，即空氣的影響可以忽略不計(jì)。

由表3可知，包衣鍋振動(dòng)頻率為20 Hz時(shí)為牧草種子丸粒化包衣的較理想狀態(tài)，此時(shí)有籽率及單籽率的均值分別為93.8%和81.5%。而當(dāng)包衣鍋振動(dòng)頻率為25 Hz時(shí)，此時(shí)的包衣鍋振動(dòng)頻率過快容易將已包好的種子外表面的粉料振動(dòng)下來，因此會(huì)造成有籽率及單籽率的下降。綜上可知，隨著振動(dòng)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(dá)到丸?；碌哪康模M(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的真實(shí)性與可行性。

4.2 正交試驗(yàn)

為了確定牧草種子丸粒化包衣機(jī)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(biāo)，以包衣鍋轉(zhuǎn)速、包衣時(shí)間、振動(dòng)頻率、包衣鍋傾角為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素分別取3個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)[29]。每組性能試驗(yàn)進(jìn)行3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值見表4，試驗(yàn)中的牧草種子的數(shù)量大于50 000粒/次。根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)得到的影響包衣合格率的各參數(shù)范圍。按照要求進(jìn)行丸?；?，完成一次包衣過程后，從每份試驗(yàn)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(jī)械工業(yè)局推薦標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)定為包衣合格，按照下式計(jì)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(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

4.3 極差分析及最優(yōu)組合參數(shù)確定

極差的計(jì)算結(jié)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響是不相同的。極差越大，說明因素水平的改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)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(gè)因素分布對(duì)3個(gè)指標(biāo)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(yàn)指標(biāo)均越大越好，所以應(yīng)該挑選每個(gè)因素最大的水平。因此可得如下結(jié)論：

對(duì)單籽率，最優(yōu)方案為：2322

對(duì)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(duì)該組合做試驗(yàn)驗(yàn)證分析，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

當(dāng)包衣鍋轉(zhuǎn)速40 r/min，包衣時(shí)間為20 min，包衣鍋振動(dòng)頻率20 Hz，包衣鍋傾角為35°時(shí)，單籽率為82.08%，包衣合格率為98.22%。因此，振動(dòng)頻率為20 Hz時(shí)牧草種子丸粒化包衣效果較好。

5 結(jié) 論

1）將振動(dòng)力場引入到牧草種子包衣機(jī)的丸化過程中，利用振動(dòng)加旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)來促使牧草種子快速丸化成型，增大種粉的接觸機(jī)會(huì)及碰撞摩擦次數(shù)，提高牧草種子的包衣質(zhì)量。同時(shí)通過仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證可知，引入振動(dòng)力場來提高牧草種子包衣合格率及單籽率是真實(shí)有效的。

2）運(yùn)用離散元仿真軟件EDEM建立牧草種子包衣機(jī)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(shí)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(dāng)0.81 s時(shí)，種粉的碰撞力達(dá)到最大且種子在藥粉中運(yùn)動(dòng)位移最大，粘結(jié)時(shí)間最長，粘結(jié)效果最好，說明此時(shí)為包衣的最佳階段。

3）對(duì)影響單籽率及包衣合格率的因素進(jìn)行正交優(yōu)化試驗(yàn)；當(dāng)包衣鍋轉(zhuǎn)速40 r/min，包衣時(shí)間20 min，包衣鍋振動(dòng)頻率20 Hz，包衣鍋傾角為35°時(shí)，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(xué)基金資助項(xiàng)目（41661058）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(shù)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(dǎo)師，主要從事環(huán)境測控技術(shù)與裝備智能化研究。Email：sgchenzhi@imau.edu.cn