BYW-400型冰草種子振動丸粒化包衣機種子丸化運動特性

邵志威，陳 智，侯占峰，弭龍凱，仇 義

0 引 言

種子丸化包衣是冰草種子預處理的重要環節，可以有效預防病蟲害，提高播種效率和種子成活率[1-6]。20世紀40年代，美國首次提出了種子丸粒化技術，目前歐美等發達國家90%以上的蔬菜種子均經過丸粒化處理[2、7-12]。中國在種子丸化包衣方面發展相對落后，特別是輕小型冰草種子的丸粒化包衣設備較少、種子丸粒化包衣基礎研究不足，機理探索不夠；所研發的種子丸粒化包衣設備質量不高，性能不穩定，技術不完善；種子丸粒化包衣加工工藝落后、外型不規則、有籽率和單籽率低，丸粒化包衣品質差異大；沒有形成統一的質量標準，生產不夠規范，檢驗缺少依據等[13-15]。

針對上述問題，該文設計了基于振動力場作用下的BYW-400新型冰草種子振動丸化包衣設備。并采用理論分析與數值模擬相結合的方法對冰草丸化運動特性進行研究，進一步揭示冰草種子丸化包衣機理。并對振動引入后的物料流運動特性進行理論分析與深入探討。其主要目的是掌握冰草種子在振動作用下丸化包衣動態過程，為提高輕小型冰草種子的丸粒化包衣品質提供理論基礎與技術保障。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

BYW-400型冰草種子振動丸化包衣機是由種子供料系統、稱量系統、丸粒化包衣系統、控制系統、顯示系統等組成（圖 1）。設計的冰草種子丸粒化包衣機主要技術參數見表1。

1.2 包衣機工作原理

工作時，種子和粉料經提升機提升喂入到種子料斗10和粉料料斗14內，通過調節進料口閥門實現種粉定量供給。通過高壓泵17將藥液泵送到噴頭7進行霧化，此時種子經過稱重盤11下落，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 5內，此時將粉料噴灑到包衣鍋內，包衣鍋在驅動電機2的帶動下開始轉動。同時電動激振器3通過調節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的主軸上，進而將振動傳遞給包衣鍋。在振動的作用下，使粉料更加均勻、牢固的粘附在種子表面，增強包衣鍋內種粉混合程度和種子單籽抗壓強度，有效提高種子的丸粒化包衣合格率和單籽率。丸粒化包衣后，包衣鍋在傾角調整機構 1帶動下進行旋轉，將丸粒化后的種子倒出，完成整個加工過程。

圖1 BYW-400型冰草種子振動丸化包衣機Fig.1 Vibrating pellet coating machine of BYW-400 type for wheatgrass seeds

表1 BYW-400型冰草種子振動丸化包衣機主要技術參數Table 1 Main technical parameters of vibrating pellet coating machine of BYW-400 type for wheatgrass seeds

2 理論分析

2.1 冰草種子的描述

冰草又稱多花冰草、光穗冰草，形狀如梭形，生于干燥草地、山坡、丘陵以及沙地。冰草特別具備抗旱、耐寒、以及產子較多等特性，在放牧地補播和建立旱地人工草地當中具有重要的作用。

粒度（也稱粒徑）是指顆粒的大小，量化后冰草種子的長度、厚度、草芒長度等物理參數根據文獻得如表2所示。

2.2 振動模型的建立

丸粒化包衣的品質主要取決于粉料與冰草種子間的混合度與黏結力。當種子表面附著黏合劑時，種子與粉料之間的作用力遠小于粘結力；當粉料黏結在種子表面后，種子與粉料之間的作用更多是混合，混合均勻后開始下一層的黏結，依次循環直到丸粒化包衣結束。

這時假設粉料與冰草種子之間的碰撞為小變形可恢復碰撞，即彈性球對種子表面的沖擊。可以得到單顆粒沖擊種子表面的模型。

表2 冰草種子物理參數Table 2 Physical parameters of wheatgrass seeds

包衣厚度是衡量包衣效果的重要指標，直接影響到丸粒化質量的好壞[16]。丸粒化包衣后的種子粒形保持不變，質量數倍增加，千粒質量約為 23 g，粉料單側厚約為1 mm，丸粒化包衣種子剖切圖如圖2所示。

圖2 丸化種子剖切圖Fig.2 Section map of pelleted seed

在討論接觸問題時，一般假定：

1）接觸系統由2個相互接觸的物體組成，相互之間不發生剛體運動；

2）接觸物體的變形是小變形，接觸點可以預先確定，接觸或分離只在2物體可能接觸的相應點進行；

3）不考慮接觸面的介質、不計動摩擦影響；

4）將種子近似為橢圓形，質量均勻分布；

5）將粉料顆粒近似為球體，大小均勻且質量均布[17-18]。

圖3 粉料撞擊種子表面Fig.3 Powder impact on seed surface

將種子看作直徑無限大且沒有彈性的表面，此時丸化的粉料與種子便成為顆粒對粗糙表面的沖撞[19]。如圖3所示，設彈性球半徑為 R，并且以速度V去撞擊冰草種子，根據Hertz接觸理論，彈性球撞擊種子侵入深度為：

所以，可以得到壓力P為

式中λ為侵入深度，E1、V1以及E2、V2分別為彈性球和種子的彈性模量和泊松比。

根據牛頓第二定律可知

對算出的壓力P代入式（4）中，對λ作積分得

式中 V是彈性球撞擊種子的初始速度；當達到最大的撞擊速度λ1時，d/dtλ=0。

由此得出：

此時最大載荷P1為

式中ρ為粉料顆粒的密度。

這時，增大沖撞力可以提高粉料流的湍流程度。而沖撞力可以表示為

式中 V1，V1′，V2，分別為碰撞前后種子與粉料的速度。m1為種子質量，m2為粉料質量。

由式（8）可以看出，沖撞力主要與速度差有關系。加工過程中，粉料會在振動和滾動的復合作用下沖擊冰草種子，冰草種子與粉料不斷接觸、碰撞、粘結。

振動力的引入，增加了粉料與冰草種子之間的切向力，增加了種子與粉料之間的接觸機率。物料在高頻振動下做簡諧運動（正弦波），因此，可以得到物料的運動軌跡[20]：

式中 Z為物料在振動方向的位移，m；A為振幅，m；f為振動頻率，Hz。

因而物料的運動速度可以分為包衣鍋轉動提供的速度V1和振動提供速度V2。

由式(9)、(10)、(11)可知，添加振動可以改變物料的運動速度。而由式（1）和（7）可以看出，粉料沖擊種子的深度和最大載荷主要由粉料顆粒半徑 R和沖擊速度V決定，在半徑一定的情況下，速度越大，粉料和種子之間的沖撞力就越大。因此，從以上公式可以得出：引入振動，可以改變速度的大小，從而影響種子和粉料之間的切向力，影響其運動情況和丸粒化包衣品質。

當沖撞力足夠大時，沖撞力大于粉料與種子之間的黏結力，原有結構被破壞。所以，振動強度不能無限大。

2.3 物料流流動特性分析

假設粉料顆粒為球體，從而可以得到單個粉料顆粒所受合力（圖4）為：

式中ρs為粉料密度，g/cm3；sd為粉料半徑，為粉料加速度，m/s2；∑F為粉料所受合力，N。

圖4 單個粉料顆粒所受合力示意圖Fig.4 Schematic diagram of resultant force of single powder

正是由于這種復雜的合力運動，才實現了粉料和種子之間的揉搓作用，實現冰草種子丸粒化包衣。由于種子、粉料之間的摩擦、切削是湍流運動產生的，所以，分析粉料流在種子近表面之間的流動特性很有必要，嚴格說來，顆粒流應為多相流。但是，當物料顆粒是密堆積或者比間隙流體稠密得多的流體時，則間隙流體效應可忽略不計。這種顆粒流的離散動力學方法逐漸成為探索顆粒流問題的有效工具[21-22]。

假設物料在種子表面的運動為理想光滑平面的湍流模型，流體在近壁處分為層流和湍流，其中層流衍生出湍流。從微觀來看，冰草種子表面實際上是凹凸不平的，而在垂直種子表面方向上，湍流邊界層分為湍流區、過渡區和黏性底層區。根據表面粗糙度的差異，還可以分成光滑區、完全粗糙區和過渡粗糙區。合理的流動分區，促進了湍流理論的發展，其中粗糙高度和黏性底層的厚度是湍流分區的重要因素[23]。

在湍流運動過程中，離種子表面越近，那么固體顆粒的流速就越小，相應的由流速產生的切應力也越小，但是流速梯度比較大，因此黏滯切應力占了主要的地位，把這一區域定為層流狀態。即湍流區域并非全是湍流層，這一區域也稱為黏性底層區。因為種子表面受到黏性底層厚度δ、粗糙高度h和雷諾數（Re）的影響（圖5），可以分為3種狀態。

圖5 物料湍流層黏性底層Fig.5 Viscous sublayer of material turbulence layer

1）當δ>h時，雷諾數（Re）比較小，黏性底層的厚度大于粗糙厚度，此時粗糙高度被黏性底層占領，粗糙面的影響便可以忽略不計，就像在光滑面上一樣，這時，湍流邊界層稱為光滑區。

2）當δ

3）物料流受到的湍流阻力是由黏性和湍動共同作用時，對應的湍流邊界層稱為湍流過渡區。

據上述分析，只有雷諾數（Re）越大，粗糙高度 h越大，黏性底層厚度δ越小，物料流才易形成湍流流動，而湍流摩擦主要是流體微團的動量輸送。因此，當慣性力大于黏性力，之間的擾動不能被消耗，雷諾數較大。而引入振動可以增加慣性力。物料流的丸化過程就是在湍流流動下進行的，并且通過固體物料的無規律運動，實現對冰草種子表面的切削，經過反復循環，實現冰草種子的丸粒化包衣過程。

2.4 轉動模型的建立

種子與粉料在包衣鍋內隨包衣鍋的轉動而運動，不同的轉速下運動狀態不同，這時的固體顆粒就像流體一樣，稱顆粒的流態化[24]。如鍋體回轉速度過高，在離心力的作用下，鍋內的丸化種子緊貼著包衣鍋的內壁做圓周運動，丸化種子與包衣鍋內壁不再有相對運動，起不到揉搓與磨擦作用，從而失去丸化、拋光與圓整的作用[25]。如包衣鍋的轉動速度太慢，則難以帶動丸化的種子在包衣鍋內形成翻滾，丸化種子在重力作用下僅在鍋體壁上滑動下落。

假設條件：

1）將種子近似為橢圓形，質量均勻分布；將粉料顆粒近似為球體，大小均勻且質量均布。

2）忽略空氣阻力。

3）將種子視為質點。

種子在包衣鍋中的狀態如圖6所示，其中V3為包衣鍋轉速，V4為種子的速度。取其中1粒種子受力分析（圖7）。由圓周運動公式知：

圖6 冰草種子在包衣鍋運動狀態圖Fig.6 Movement diagram of grass seed in coating pot

存在以下2種情況：

1）摩擦力小，即V4=0時，物料不能旋轉。

2）摩擦力大，即0

圖7 種子純轉動的受力情況Fig.7 Force situation of pure rotation of seeds

包衣鍋的鍋體傾斜角度可由傾角調整機構調整。但鍋體的傾斜角度不得小于物料的自然休止腳，否則物料將貼在鍋面上并隨其一同轉動而失去揉搓、摩擦作用。傾斜角度的大小影響到物料在鍋面上的停留時間，傾角小，物料在鍋面上停留的時間越久，滾搓出來的丸化種子越實越密，但生產率將會有所下降。因此，應在保證產品質量的前提下，兼顧生產效率的提高，來合理選擇傾角的大小，才能使丸化種子在鍋內混合均勻[26]。

如圖8所示，在A狀態時，顆粒充滿包衣鍋底部，種子與粉料在鍋底滑動，并無滾動現象，包衣效果不佳；在B狀態時，種子在中間位置轉動，種子和物料被撥至半鍋底位置后滾動下落，物料在滾筒內并不做圓周運動，而是做類似橢圓運動，包衣效果較好[1]；在C狀態時，種子在鍋底轉動，包衣效果不佳。

圖8 種子在不同傾斜角度的包衣鍋內分布情況Fig.8 Distribution of seeds in coating pot with different angles

3 仿真分析

選定包衣機轉速的大約為40 r/min[27]，通過預試驗確定包衣鍋傾斜角度為30°~60°（包衣鍋鍋口平面與水平面之間的夾角）；振動強度為21%時，種子在粉料中“蠕動”效果較好。對包衣機的有無振動、包衣鍋傾斜角度及種子和物料的運動狀態在EDEM軟件中進行仿真，遵循無滑動接觸模型。顆粒的仿真參數如表2所示。利用Pro/E軟件建立種子丸粒化包衣鍋模型，進行以下模擬仿真。

3.1 有振動對種子丸化效果的影響

將包衣鍋模型導進EDEM軟件中，設定種子和粉料進入的路徑、顆粒工廠（用于生成粉料、種子顆粒）、種子和粉料顆粒的大小、形狀以及個數等（圖 9），采用 9個球代替冰草種子，粉料顆粒近似為圓球[28-29]）。第一次仿真時間為10 s，包衣鍋轉動速度為45 r/min，傾斜角度為45°，無振動。設定采集記錄間隔為0.04 s，仿真結果如圖10所示，對混合結果進行物料混合度分析。首先對混合后的直觀觀察，可以看出混合程度較低，并且部分同種類的顆粒未分開；其次對混合度采用具體的數據進行量化分析。采用EDEM中selection功能中的Grid Bin Group模塊，對種子和粉料的混合區間按空間進行分成1728（x方向12份，y方向12份，z方向12份）個小塊，調整小塊的大小，使混合的粉料大部分在這1728個塊中（如圖11）。分析每個模塊中顆粒數量的分布情況，將這些數據導出Excel表格中，在Excel中對這些數據進行分析處理，得到種子A和粉料B在不同小格子里的顆粒個數，用每個格子里的混合度（粉料的質量/粉料和種子的質量和）與最佳混合度（粉料總量/顆粒總量）作商，得到的結果越接近1，證明混合效果越好。得到的分析結果如圖12所示。

圖9 包衣鍋及冰草種子仿真模型Fig.9 Simulation model of coating pot and wheatgrass seeds

圖10 無振動包衣鍋傾斜45°時種粉混合圖Fig.10 Mixing diagram of seed and powder without vibration,when the inclination angle of coating pot is 45°

圖11 物料混合的Grid Bin GroupFig.11 Grid Bin Group for material blending

圖12 有無振動的混合效果對比Fig.12 Mixing effect with vibration and without vibration

第二次仿真振動強度為21%，其余參數設置不變，對得到的結果同樣進行以上混合度分析。可以得知，引入振動的每個小格子混合度在 1附近的數量遠大于未引入振動的，驗證了引入振動可以增加種粉間的混合度，提高丸粒化包衣的品質。圖13為振動強度21%和無振動時的對照，圖3a、3b表示粉料顆粒的Grid Bin均勻分布情況，取其中 1種顆粒分析，暖色調說明顆粒數量多，冷色調說明顆粒數量少，顆粒均布時則為中間色。

圖13 種粉的運動狀態對照圖Fig.13 Contrast chart of movement state of seed and powder

3.2 傾斜角度對丸化的影響

對包衣鍋模型添加振動，保持包衣鍋轉速40r/min不變，改變傾斜角度，仿真時間為10 s，對仿真結果進行混合度分析。當包衣鍋傾斜角度為30°時，如圖14a所示，包衣鍋傾斜角度為45°時，如圖14b所示，包衣鍋傾斜角度為60°時，如圖14c所示。可以清楚地觀察出45°時混合效果最好。

在轉速為40 r/min、振動強度為21%（振動加速度約9 m2/s），對包衣鍋中5246號、8462號、10520號種子和12452號、12988號、18482號物料進行標記，得到種子和粉料在包衣鍋中的運動軌跡（圖15）。該軌跡體現出種子和粉料在包衣鍋的運動狀態，即在包衣鍋內隨包衣鍋的轉動而運動，相互接觸揉搓，充分混合。

圖14 不同包衣鍋傾角下種粉的混合狀態對照Fig.14 Mixed state contrast of seed and powder under different inclination angle of coating pot

圖15 粉料和種子的運動軌跡Fig.15 Trajectory of powder and seed

4 振動試驗與結果分析

4.1 振動單因素試驗

以轉速48.6 r/min、傾斜角度40.3°為不變因素，改變振動強度做單因素對照試驗（振動強度為振動加速度與重力加速度的比值，可以表示振動速度快慢，即沖撞力的大小），分別對有無振動及不同的振動頻率作對照試驗，共分為6組，每組作3次重復試驗取平均值，以丸化合格率、有籽率、單籽率作為評價指標。具體評價標準如下：按照要求進行丸粒化包衣，完成 1次包衣過程后，從每份試驗樣品中分別取出 200粒包衣后的冰草種子，采用 5倍放大鏡觀察每粒試樣，根據中華人民共和國機械工業局推薦標準JB/T 7730—2011，以粉料包敷在冰草種子上的面積大于80%且質量約為原來7~10倍的冰草種子認定為丸化合格，按照下式計算丸化合格率

式中J為丸化合格率（%），hZ為種衣劑包敷冰草面積大于80%且質量約為原來7~10倍的冰草粒數（粒），bZ為丸化不合格冰草數（粒）[30]。

4.2 試驗分析

分別記錄 6組不同振動強度的丸化率、單籽率以及有籽率，每組分成3次試驗并計算平均值。由圖16a可知，當振動強度為21%時，丸化率89.5%，而無振動時，無論是丸化率還是單籽率都達不到要求。因此，可以清楚地看出引入振動對丸化品質影響明顯。而振動強度大于21%時，丸化合格率和單籽率均急速下降，對此，對同一批次種子首先進行了振動強度為 21%的試驗，然后將振動強度增加到25%，試驗結果可以清楚地看出，增加振動強度后，丸化種子被嚴重破壞。由圖16b可以看出，包衣鍋傾角為40°~50°之間時，單籽率和丸化合格率較高。

圖16 振動強度和傾斜角度對照試驗分析Fig.16 Analysis of contrast test for vibration intersity and inclination angle

5 討 論

在EDEM中，模擬振動強度為21%和無振動下模擬運動，并對其混合度進行了分析，從圖16中可以清楚地看出施加振動的作用，與理論公式計算和振動單因素對照試驗得到的結果一致，足以證明合理地引入振動，可以有效地提高種子和粉料之間的切向力，增加粉料與種子的流動混亂程度，從而改變物料運動情況，有利于粉料流與種子之間的充分接觸、混合，影響丸粒化包衣品質。

同理，對傾斜角度的理論分析及相應的EDEM軟件的仿真驗證，得到轉速、傾斜角度也可以影響丸化的質量，當轉速為40 r/min，傾斜角度為45°時，從模擬軌跡中可以看出，種子和粉料運動至包衣鍋的中間以上位置下落，循環進行。此時混合效果最好，相應的丸化合格率也最好，達到89.7%。

6 結 論

1）由振動模型可知，種子和粉料的碰撞深度、種粉間的最大載荷可以影響丸化成型質量，而振動的引入，可以改變速度的大小，影響種粉間的運動情況和丸粒化包衣品質。

2）對物料流流動特性分析可知，引入振動可以增加慣性力，增大雷諾數，從而可以提高湍流流動性，提高顆粒間的運動不規則程度，提高種子丸粒化包衣合格率。

3）EDEM的模擬仿真及丸粒化包衣單因素對照試驗驗證了振動和傾角的重要性，當振動強度為 21%，傾斜角度約為45°時，丸化合格率達89.5%。

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