三七是中国驰名中草药，由于没有配套的精密播种机，目前仍采用手工点播。而排种器是三七播种机的关键部件，排种效果的好坏直接影响着播种质量。国内外众多学者进行了精密排种器的相关研究。在国外，机械式精密排种器的设计主要向着高效和自动化方向发展。研究者通过对窝眼轮式排种器的研究发现，型孔的形状和尺寸对排种精度有着重要的影响^[1-3]。WANG^[4]根据种子的几何尺寸设计型孔结构及尺寸，同时对水平圆盘排种器进行了结构参数优化设计。在国内，宋井玲等^[5]设计了一种型孔深度可变的排种器，通过改变型孔的深度，提高了排种器对不同形状和尺寸的种子的适应性。李政权^[6]、廖庆喜等^[7-8]通过离散元方法对排种器进行了仿真分析；杨然兵等^[9]设计了花生播种机倾斜圆盘碟式排种器；秦军伟等^[10]对集中式排种器的排种机制进行了深入的理论分析。而传统机械式排种器主要适应于表面光滑、含水率较低的种子。对于表面粗糙、流动性差、含水率高等具有特殊物理特性的种子，尚无较好的机械式精密排种器适应于其精密播种^[11]。

笔者针对三七种子流动性差、不易充种的问题设计了一种滚轮圆刷式三七精密排种器，并采用EDEM软件对该排种器的排种过程进行了仿真，分析了在排种过程中种子运动规律及圆刷滚轮接触区域内种子运动情况，确定了影响排种性能的关键因子；同时，开展了不同型孔轮转速、型孔直径和型孔深度对排种器排种性能影响的试验研究，以寻求各试验因子间的最佳参数组合，为滚轮圆刷式三七精密排种器的设计提供理论和实践依据。

1 滚轮圆刷式精密排种器的结构和工作原理 1.1 结构设计

如图 1 所示，三七精密排种器由种箱、清种圆刷、排种器外壳、护种板、型孔轮、清种弹簧等组成。型孔轮及护种板安装角度结构设计直接影响到播种质量。

1.1.1 型孔设计

根据三七种子的形状、尺寸和表面状态，结合三七播种的农艺要求，对型孔轮上的型孔形状和大小进行设计。为确保投种精度，需设计一种仅容纳1粒种子的型孔。选择云南省文山州播种使用的三七种子，随机取200粒测量平均尺寸，得到三七种子的长度分布在5.2~7.2 mm之间，宽度分布在4.8~6.8 mm之间，高度分布在4.0~6.0 mm之间。由于种子的球度为90.86%，近似球体，故选择圆弧形的型孔。为增加种子充入型孔的概率，降低刮种时的伤种率，在型孔外边缘设计倒角。为增大排种器的充种面积，将型孔轮上的型孔设计成2排，如图 2所示，每一排型孔交错角度为60°，2排相邻的型孔交错排列^[12]。型孔直径及型孔深度主要按照式(1)和式(2)进行计算。

$\Phi ={{L}_{\max }}+(0.5\tilde{\ }1).$

(1)

$H={{L}_{\max }}-(0.5\tilde{\ }1).$

(2)

式中： Ф 为型孔直径 ，mm ；L _max为种子的最大尺寸，mm ；H 为型孔深度 ，mm 。

通过式(1)和式(2)得出型孔的直径范围在7.7~8.2 mm之间，型孔深度范围在6.2~6.7 mm之间。在设计过程中，考虑到三七种子表面形状不规则、含水率较高，将型孔直径及深度作进一步调整，确定型孔直径为8~9 mm，型孔深度为6~7 mm。

1.1.2 护种板安装角度设计

进入型孔内的种子随着型孔轮一起转动，当转动到投种区时，由于没有护种板的支持，瞬间使得型孔内的种子失去支持力，在自身重力作用下脱离型孔，而此时的型孔轮由于处于转动状态，且排种器整体向前移动，这就导致下落的种子一方面在惯性作用下保持所在型孔处的线速度，另一方面在其自身重力作用下做自由落体运动，如图 3所示。

为确保排种器投种的均匀性，需调整护种板的安装角度 β 。为使排种器达到零速投种状态，则要求在下落过程中种子在 x 方向产生的合速度为0。

$\left\{ \begin{matrix} v={{v}_{x}} \\ v=-v\sin \beta \\ v=\omega R \\ \end{matrix} \right..$

(3)

式中： v 为排种器的前进速度，m/s； v_x 为 v 在 x 轴的分速度，m/s； v ₁为型孔处的线速度，m/s； β 为 v 与 y 轴之间的夹角，(°)； ω 为型孔轮转速，rad/s； R 为型孔轮半径，m。

整理式(3)得：

$\beta =\arcsin (-\frac{v}{\omega R}).$

(4)

式(4)表明：护种板安装角度设计首先需满足其对种子的支持力，其次要使种子满足零速投种的状态；护种板安装角度是随着排种器的前进速度和型孔轮的转速变化而变化的。

1.2 工作原理

排种器工作时，将种子装满种箱；随着型孔轮转动，种子在重力作用下进入型孔内，在型孔轮旋转过程中清种圆刷及时地清除掉多余的种子，使型孔里尽可能仅存有1粒种子；当型孔轮转过清种圆刷后，由护种板护住种子，防止提前下落，待型孔轮转到投种区域后，种子在重力作用下开始下落，完成三七种子的排种过程。为了防止种子卡在型孔内，加装了清种弹簧以便更好地实现清种。

1.3 种子运动分析

种子进入型孔轮与圆刷之间的区域后会受到2个不同方向的摩擦力 F _L和 F _N，如图 4A所示。这2种摩擦力对种子运动的影响较大，会使三七种子自身产生一个围绕自身质心旋转的转矩。由于种子受到力矩 M ₃的作用会产生一定的绕自身旋转的力矩，其旋转方向如图 4B所示，这种旋转更加有利于种子向着型孔方向运动，有利于充种^[13]。

${{M}_{3}}=({{F}_{L}}+{{F}_{N}})\times r.$

(5)

式中: M ₃为种子所受的合力矩，N/m； F _L为种子所受圆刷的摩擦力，N； F _N为种子所受型孔轮施加的摩擦力，N； r 为种子的平均半径，m。

2 仿真模型的建立 2.1 种子模型的建立

利用高清数码相机拍摄三七种子照片，并将照片格式转化为.TIF 的光栅图像，通过UGNX软件将其导入，如图 5A所示；然后采用样条曲线，选取三七种子光栅图像的边界点，建立封闭网格，应用网格曲面命令完成种子三维模型，如图 5B所示；采用球颗粒聚合方法建立三七种子离散模型，如图 5C所示，并借助EDEM软件计算出种子模型质心。

2.2 排种器模型的建立

为了便于对排种器模拟仿真，仅考虑三七种子，不考虑其他杂余。将型孔轮式精密排种器的三维模型以.IGS格式导入EDEM软件中，并进行必要的仿真参数设置，然后对滚轮圆刷式三七精密排种器仿真模型进行运动仿真，如图 6所示。

3 仿真试验 3.1 仿真设置

设置排种器及三七种子颗粒的物理力学参数^[14-15]，如表 1所示。设置种子模型生成平面的种子颗粒速率为2 000个/s，种子颗粒总数为2 000个，仿真时间为20 s。排种器模型以Mesh形式显示，以便更加清楚地观察种子的运动状态。

3.2 排种过程分析 3.2.1 圆刷及种轮接触区种子运动规律仿真与分析

图 7为仿真时间在4.72 s时，接触区域内种子运动矢量图：型孔轮表面种子运动方向与型孔轮切线方向相同，在圆刷表面种子运行方向也呈现出与圆刷表面相切的运动方向。在圆刷与型孔轮接触区域内的种子，如果没有被充入型孔内部，种子就会受到圆刷及型孔轮2个运行方向的摩擦力。由于2个摩擦力的出现，结合种子自身的重力、种群对种子的压力以及种群摩擦力的影响，导致三七种子运动速度方向发生改变。

通过仿真结果(图 8)可以看出，三七种子在这一区域内产生了自转：从1.46 s(图 8A)时的位置转过120°左右(1.51 s，图 8B)，在1.56 s时再次旋转120°左右(图 8C)。这种因外力产生的自转，能使三七种子的旋转方向与型孔轮的旋转方向相反，增加了种子与型孔轮表面的接触面积，更有利于充种，且能防止没有被充入型孔的种子被挤碎。

3.2.2 排种仿真与分析

仿真试验的主要目的是为了检查排种器结构设计的合理性，并通过仿真对排种器的排种效果进行分析。已有研究表明，对排种效果影响比较明显的分别是型孔轮的转速、型孔直径和型孔深度3个因子^[16]；因此，本文通过改变型孔直径及型孔深度，并设置不同的型孔轮转速进行排种仿真试验。图 9A为三七种子的正常排种过程，符合三七种子播种的农艺要求。除此之外，种子在填充型孔的过程中，还可能出现重播(图 9B)和漏播(图 9C)。其中，重播是指型孔充填2粒以上的种子后经过具有弹性的圆刷到达排种口，出现重播现象还与三七种子大小不一有关。而漏播主要是由于型孔轮转速过高，导致三七种子充种时间过短，使得型孔没有被充种。

4 台架试验与分析 4.1 试验材料与设备

为寻求型孔轮转速、型孔直径和型孔深度的较优参数组合，2014年12月1日在昆明理工大学现代农业工程学院自制的土槽试验台上对滚轮圆刷式三七精密排种器进行排种性能试验(图 10)。土槽试验台的总长度为12 m，有效作业长度9 m；土槽内的土质符合三七播种的实际播种土壤环境。试验选用的种子为云南省文山州播种用三七种子，其千粒质量为98~103 g。作业动力采用最大功率为1.5 kW的可变频调速三相异步电动机。在试验样机上安装有滚轮圆刷式三七精密排种器及传动系统^[17]。

采用GB/T 6973—2005 《单粒(精密)播种机试 验方法》 所规定的粒距合格指数、重播指数、漏播指数为性能评价指标。

4.2 试验设计

对型孔轮转速、型孔直径和型孔深度3个因子进行排种试验。其因子水平编码表如表 2所示。

4.3 试验结果与分析

选用正交表L₉(3⁴)进行试验设计，试验结果和方差分析见表 3。从中可以看出，影响粒距合格指数S的3个因子的主次顺序为型孔轮转速A＞型孔深度C＞型孔直径B，其较优组合为A₃C₁B₂。重播指数和漏播指数越小越好。影响重播指数D的3个因子的主次顺序为型孔轮转速A＞型孔深度C＞型孔直径B，其较优组合为A₃C₁B₂；影响漏播指数M的3个因子 的主次顺序为型孔轮转速A＞型孔深度C＞型孔直径B，其较优组合为A₃C₁B₃。综合考虑三七播种作业环境，以及播种的农业要求，选择排种质量较优组合为A₃C₁B₂，即当型孔轮转速为20 r/min、型孔深度为7.0 mm、型孔直径为8.5 mm时，种子粒距合格指数为93.17%，重播指数为3.40%，漏播指数为3.43%。

5 结论

5.1 通过UGNX和EDEM软件对滚轮圆刷式三七精密排种器模型进行仿真分析，验证了排种器的型孔轮转速、型孔直径和型孔深度3个因子对排种器排种性能的影响比较大。

5.2 对比排种器圆刷与型孔轮接触区三七种子的运动情况表明，仿真结果与理论分析的运动方向基本一致。

5.3 通过正交设计得到的最优试验组合设计滚轮圆刷式三七精密排种器，其粒距合格指数可达93.17%，其中最佳工作速度为20 r/min，型孔深度为7.0 mm，型孔直径为8.5 mm。