振動作用下冰草種子丸化包衣運動與試驗研究

仇 義，陳 智，侯占峰，弭龍凱，邵志威，陳利杰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

草原是我國重要的植被類型之一，也是重要的可更新資源和草地畜牧業(yè)基地。近年來，隨著牧區(qū)人口和社會經(jīng)濟的發(fā)展，對草原的利用強度日益加大，加之不合理的利用方式，使大面積的天然草原不斷退化，生產(chǎn)力下降[1-3]。內(nèi)蒙古自治區(qū)退化草原面積已占全區(qū)草原面積的31.77%，正趨向于成為一個不能自我維持且不可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)[4-5]。因此，加快退化草地的治理、恢復(fù)草原生態(tài)系統(tǒng)是當(dāng)前十分緊迫的任務(wù)。

目前，退化草地補播是國內(nèi)外對退化草地植被恢復(fù)與重建的主要措施之一，但依靠人工補播牧草種子已經(jīng)不能滿足大面積草地植被恢復(fù)與重建的需要，只有利用飛機散播和噴播機噴播，才能最大限度地提高作業(yè)效率。不管是飛播還是噴播，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[6-9]。因此，研發(fā)牧草種子特別是小粒牧草種子丸粒化包衣設(shè)備，對于采取工程措施恢復(fù)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。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器設(shè)備

利用本課題自主設(shè)計研發(fā)冰草種子丸粒化包衣試驗臺開展試驗，如圖1所示。試驗所需主要其他儀器設(shè)備主要包括電子天平(測量精度 0.1g)、測速儀、變頻器，以及用于種衣劑稀釋的燒杯、玻璃棒等。

1.粉料進料口 2.進料口閥門 3.稱重系統(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(zhuǎn)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

1.2 試驗材料

選取適宜在干旱半干旱地區(qū)自然氣候條件下生長的天然牧草種子(即冰草)為試驗對象，種衣劑和藥粉作為試驗材料。為了提高冰草種子包衣合格率、單籽率及單仔抗壓強度，選擇合適的包衣配方及包衣材料就顯得尤為重要。本課題組選用的包衣材料及試驗組分[10]如下：①粉料 1.0份；②粘合劑 0.1～0.5份；③種衣劑水溶液 0.05～0.5份。其中，粉料組分及質(zhì)量百分比含量為：①硅藻土 25%～50%；②膨潤土 25%～50%；③滑石粉 10%～40%。粘合劑組分及百分比含量如下：羧甲基纖維素0.1%～10%，聚乙烯醇0.1%～5%，水適量。

1.3 試驗響應(yīng)參數(shù)

以冰草種子包衣合格率J為冰草包衣作業(yè)質(zhì)量考核指標(biāo)，按中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)種子包衣機試驗方法(JB/T 7730-2011)，以包衣劑包敷在冰草種子上的面積大于80%的冰草認(rèn)定為包衣合格，按照下式計算包衣合格率，即

(1)

其中，J為包衣合格率(%)；Zh為種衣劑包敷冰草面積大于80%的冰草粒數(shù)(粒)；Zb為包衣不合格冰草數(shù)(粒)。

2 數(shù)值模擬模型

2.1 接觸模型

為了更好地研究顆粒的運動軌跡，將包衣鍋內(nèi)的顆粒分成若干個相互獨立的單元，根據(jù)牛頓第二定律，循環(huán)迭代計算，確定每個時間步長內(nèi)每個單元受力及位移，進而得到每個單元在每個時步下的平動及轉(zhuǎn)動關(guān)系；并實時更新單元位置，通過對每個單元進行力、位移跟蹤計算，最終得到包衣鍋內(nèi)粒子群的宏觀運動規(guī)律[11-12]。在包衣鍋內(nèi)某時步下單個橢球顆粒單元i的平動運動方程為

(2)

(3)

(4)

Ft=-Stδ

(5)

(6)

2.2 數(shù)值模擬

基于以上的顆粒運動學(xué)及接觸力學(xué)模型，本文采用離散單元法(Discrete Element Method, DEM)進行數(shù)值模擬建模分析，從而可以有效地解決散粒體運動學(xué)及動力學(xué)問題[13-15]。為了更好地模擬冰草種子與包衣藥粉彼此間的運動、碰撞及摩擦規(guī)律。利用Pro-E建立包衣鍋三維實體模型，并將該模型導(dǎo)入EDEM軟件中(見圖2)進行仿真，在EDEM的后處理模塊中可得到每個顆粒的速度、運動軌跡及種粉在包衣過程中的顆粒的離散程度。在離散元EDEM軟件仿真Dynamics模塊下，將振動引入到包衣鍋上。設(shè)定在振動頻率為25Hz、振幅為3mm、包衣鍋轉(zhuǎn)速為40r/min，在仿真時長6s的條件下進行仿真。采用Vector矢量型的表示方法，可以有效地得到冰草種子和包衣藥粉的下一時刻的運動及相應(yīng)的運動軌跡。同時，由矢量圖可以清楚地看到冰草種子和藥粉在振動與旋轉(zhuǎn)的復(fù)合作用下能更充分地混合，進而可達到較理想的丸化包衣效果。

從圖2可以看出：在振動、旋轉(zhuǎn)及離心力的復(fù)合作用下，冰草種子和藥粉的分布主要集中在包衣鍋的右側(cè)。當(dāng)包衣鍋振動頻率為25Hz、振幅為3mm、包衣鍋轉(zhuǎn)速為40 r/min時，種粉能達到理想的離散狀態(tài)且能夠充分接觸混合。在碰撞與摩擦力的作用下，種粉開始降速丸化包衣，達到理想的丸化包衣效果。因此，由仿真矢量圖可以清楚地看到冰草種子和藥粉每一時刻的時空分布、速度分布及冰草種子和藥粉的宏觀混合規(guī)律，進而為后續(xù)分析處理提供可靠依據(jù)。

圖2 顆粒運動矢量圖Fig.2 Particle motion vector diagram

3 數(shù)值模擬過程及分析

3.1 單顆粒軌跡分析

為了明確顆粒的隨機運動，同時研究單粒冰草種子在包衣過程中與藥粉間是否具有跟隨性，以及是否冰草種子和藥粉具有一致的運動軌跡及趨勢。在散粒體仿真軟件EDEM后處理中的Selection模塊下的Grid Bin Group下對整個包衣鍋內(nèi)的粒子進行網(wǎng)格劃分，分成若干個長方體區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)均有一定量的冰草種子和包衣藥粉，進而分析每個小長方體區(qū)域內(nèi)種粉的運動及混合情況。同時，在離散元EDEM軟件仿真Dynamics模塊下，設(shè)定振動頻率為25Hz，振幅為3mm，包衣鍋轉(zhuǎn)速為40r/min，在仿真總時長6s的條件下進行仿真。選取其中一個長方體內(nèi)僅有1粒冰草種子和若干藥粉顆粒的小區(qū)域，在EDEM軟件中Manual Selection模塊下對冰草種子在整個仿真時長(6s)下進行標(biāo)記。本文隨機選取某一時刻粒子群內(nèi)單顆粒在整個運動過程的軌跡圖，如圖3所示。

3.2 仿真結(jié)果與討論

從圖3可以看出：標(biāo)記的冰草種子與藥粉在包衣鍋中的某個限定的小區(qū)域內(nèi)，從產(chǎn)生的那一時刻開始，在包衣鍋振動加旋轉(zhuǎn)的復(fù)合作用下與包衣鍋一起做圓周運動。此時，藥粉可在包衣鍋的某個區(qū)域內(nèi)一直跟隨著冰草種子運動；當(dāng)冰草種子和藥粉的喂入量逐漸增加的時候，冰草種子和藥粉的碰撞摩擦次數(shù)也在逐漸增多，促進冰草種子和藥粉丸粒化包衣。因此，在整個運動過程中包衣藥粉與冰草種子有足夠的時長進行充分接觸，進而提高冰草種子丸粒化包衣效果及包衣合格率。

圖3 單顆粒運動軌跡Fig.3 Trajectory of single particle

4 正交驗證

以包衣合格率為試驗性能指標(biāo)，以包衣鍋轉(zhuǎn)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[16-17]，因素水平編碼表如表1所示。

表1 因素水平編碼表Table 1 Factors and levels encode table

每組性能試驗進行3次，每次間隔時間分別為10、15、20min，試驗結(jié)果取平均值，試驗物料每次數(shù)量大于50 000粒。根據(jù)預(yù)試驗得到的種衣劑配比要求進行包衣，從每份試驗樣品中分出200粒試樣用5倍放大鏡觀察每粒試樣，再分出包衣劑包敷的冰草面積大于80%的冰草認(rèn)定為包衣合格，將其包衣合格率記錄在表2中。

計算極差并確定因素的主次順序，即

(7)

其中，Rj稱為第j列的極差或其所在因素的極差。極差的計算結(jié)果見表2。

根據(jù)極差大小排出3個因素分布對3個指標(biāo)影響的重要性的主次順序為C>A>B。

由正交試驗可知，影響包衣合格率的主次因素分別為包衣鍋傾角>轉(zhuǎn)速>振頻。因此，通過正交試驗可知，在振動和旋轉(zhuǎn)的復(fù)合作用下，冰草種子具有較好的丸粒包衣效果，其包衣合格率可達98.2%。

表2 正交試驗方案及試驗結(jié)果Table 2 Orthogonal test scheme and test results

5 結(jié)論

1)利用Pro-E對包衣鍋進行三維實體建模，同時采用三維仿真軟件EDEM模擬了冰草種子與藥粉的包衣過程和運動規(guī)律。從單粒種子運動軌跡曲線圖可知：包衣藥粉與牧草種子在丸粒化包衣過程具有跟隨性，種子與藥粉會隨包衣鍋做圓周運動。

2)將振動引入到冰草種子丸粒化包衣機內(nèi)，種粉能在不同的時間點、相同的空間區(qū)域分布得較為離散，達到理想的種粉混合效果，并可提高冰草種子的包衣合格率。

3)對影響丸粒化包衣的參數(shù)進行正交試驗，確定了影響包衣合格率的主次因素為：包衣鍋傾角>包衣鍋轉(zhuǎn)速>包衣鍋振動頻率。