内充式三七精密排种器的设计

曾心玥，赖庆辉，赵瑾汶，谢观福，韩晓娟

(昆明理工大学 农业与食品学院，云南 昆明 650500)

三七是我国名贵中药材，市场需求大，但播种机械化程度低，缺少配套播种装备，难以实现规模化种植，制约了产业发展，因此三七精密播种机械化问题亟待解决[1-6]。在三七机械播种中，排种器是精密播种机的核心部件[7-11]。目前，三七播种机的排种器主要有窝眼轮式、气力式和内充式排种器等[12-14]，其中窝眼轮式排种器结构简单、成本低，但存在伤种和多排作业情况下工作阻力大等问题；气力式排种器可以高速作业，工作效率高，但存在气力损失、供气不稳定、成本高等问题。内充式排种器充分利用种子自身重力和离心力，更利于充种，为此国内学者对该排种器进行了不同程度的研究。刘佳等[15]结合机械内充排种器的结构特点和气吹式排种器单粒留种原理，设计了一种内充式玉米精密排种器；陈海涛等[16]针对大豆小区育种播种机清换种技术难题，设计了一种自动清换种气吹内充式排种器；廖庆喜等[17]针对油菜籽轻导致机械排种易堵塞的问题设计了一种气吹内充式油菜排种器。国内研究的内充式排种器大多为机械气力组合式排种器，其排种性能好，可高速作业，但结构复杂，装配存在一定的难度。而周勇等[18]基于内充式原理设计了一种容纳式阶梯状充填孔棉花排种器，有效降低了种子破损率，减少了型孔堵塞问题，但其型孔形状复杂，不易加工，导致成本增加。为此，要解决机械内充式排种器排种性能与机构设计间的矛盾，需引入新的理论设计方案。发明问题解决理论(teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch,TRIZ)是一种解决机械设计问题的强有力方法，目前在农业工程领域得到了一些应用。权龙哲等[19]运用TRIZ理论设计了玉米根茬收获系统，挖产推送机构等得到创新性设计。曹卫彬等[20]利用TRIZ理论得出红花丝最佳采摘方案，并对红花丝盲采装置的凸轮机构进行了改进。从现有的研究可知，TRIZ理论在农业机械设计领域中的运用较少，尤其在排种器设计中的运用非常罕见。

为此，本研究设计了一种内充式三七精密排种器，采用冲突解决原理解决机械内充式排种器排种性能与机构设计的矛盾,并设计关键部件，以降低设计成本，提高可靠性和排种性能，为三七播种机械化发展奠定基础，并为TRIZ理论在农业工程领域中的运用提供理论依据。

1 排种器整体结构与工作原理

三七内充式精密排种器的结构和工作原理如图1所示。其整体结构、型孔和凸包位置见图1-A，主要由种箱、排种器外壳、清种片、挡种板、护种板、排种盘等组成。排种器的工作原理如图1-B所示，由排种轴带动排种盘转动，种子靠重力从种箱落入排种盘中，并在种子挤压力及离心力作用下充入型孔中，排种盘携带种子转动，并在顶部护种板作用下使种子做圆周运动，最后种子依靠重力及离心力离开型孔，从而落入种穴中，完成排种作业过程。

2 排种器工作原理分析

2.1 充种过程原理分析

充种过程中，种子充入型孔后存在种间作用力，种子与种子紧密接触在一起，形成种群。排种盘旋转形成的离心力场和种子自身的重力场，难以有效实现种群中单粒种子的分离，且种群也会在一定程度上阻碍离心力场分离种群的单粒种子，使得排种器出现能量消耗大等问题。搅动场可以使种子由静止状态转变为运动状态，提高了种子流动性，减小种间作用力及种群对离心场的阻碍作用，从而使充种合格率提高[21-22]。因此，本研究通过增加搅动场的方式来提高排种器的充种性能。搅动场的实现主要通过在排种盘上增加凸包、扰动条、导种槽或添加振动装置、搅种轮来实现，本试验为降低机构的复杂程度，采用在排种盘上增加凸包的形式增加搅动场。

如图2所示，对型孔周围的种子进行运动学分析，无导种槽时，目标种子充入型孔的相对速度Vr0和型孔直径的关系为：

(1)

式中：A0为无导种槽时的型孔直径，mm；H为种子种群厚度，mm；g为重力加速度，9.8 m/s2。

有导种槽时，目标种子充入型孔的相对速度Vr和型孔直径A的关系为：

(2)

式中：A1为导种槽长度，mm。

由此可见，在相同尺寸的型孔下，有导种槽时的Vr较无导种槽型孔时的Vr0增大了A1(g/H)1/2，使得排种盘可以较高转速工作，且当排种盘速度一定时，有导种槽的型孔直径较无导种槽的型孔直径小，从而减小了种子与型孔的间隙，有利于型孔更加精准地充入单粒种子并减少种子破损。

2.2 清种过程原理分析

清种过程中，型孔周围的种子依靠重力及种间力滑落，多余种子应及时回落到种群中，否则会造成重播或种子破损[23]。清种过程的物-场模型如图3所示，其中S1代表多粒三七种子，S2代表单粒三七种子，通过推力场(F1)和预先作用力场(F2)的作用将多粒三七种子(S1)与单粒三七种子(S2)分离开来。考虑到清种装置的可卸性、通用性及排种器的整体结构，采用推力场和预先作用力场进行清种。

目前，排种器多采用清种装置进行强制清种[24]，这种设计使得排种器结构相对较为复杂，增加了排种器安装和拆卸的难度，且会对种子造成一定的损伤,但仅仅依靠种子自身重力及种间力清种并不能改善一个型孔充入多粒种子的现象。为此，本研究选择带齿的柔性清种片清种，将其安装在护种板始端，固定在排种器外壳上(图4)，且预先作用力场由带清种槽的型孔形成，这样可以解决型孔多充现象且不造成种子因“回种”而破损，具有较好的自动清种功能(图5)。

2.3 投种过程原理分析

排种器仅依靠种子重力投种易导致投种位置不固定、卡种漏播等问题，为避免这些问题需借助外力场的作用，本研究通过预先增加离心力的方式，使种子沿预定轨迹落入种穴中。图6为构建的投种过程物-场模型，该模型通过重力场(F3)和离心力预作用场(F4)使得充种型孔(S3)的种子掉落，离开型孔。通过增加离心力预作用场的方式，让S3依靠重力及惯性转化为空型孔(S4)，降低排种器的漏播率及种子损伤率，提高排种器的排种性能。离心力预作用场通过在型孔上增加投种槽的方法来实现。

3 基于冲突解决原理的关键部件设计

因排种盘是排种器中最为关键的部件，为此本研究主要对排种盘的结构参数进行设计。如图1所示，型孔和凸包分布在排种盘上，故排种盘的主要结构参数包括直径、型孔数、凸包尺寸和型孔尺寸等。

3.1 排种盘直径及型孔数

排种盘直径是排种器基本结构特征参数之一，决定着排种器及其他部件的结构、尺寸，是影响充种、清种性能的重要部件。排种盘直径一般取80～200 mm[25]，综合考虑排种器整体结构及部件分布，排种盘不宜过小，因此本研究最终选取排种盘的内径(d0)为180 mm，外径(d1)为d0+B，其中B为型孔深度。株距、播种机作业速度、型孔数和排种盘转速存在以下关系：

(3)

式中：Vm为播种机作业速度，m/s；S为株距，m；Z为型孔数；n为排种盘转速，r/min。

由式(3)可知，当株距与播种机作业速度的比值为定值时，型孔数越多，排种盘转速越低，越有利于提高机械式排种器充种性能,且减小种子机械损伤。因此，在排种盘两个相邻型孔互不影响的前提下，应尽可能多地布置型孔，忽略地轮滑移系数，根据排种盘直径及播种机作业速度(一般为2.1 km/h)，则型孔数应满足下式[26]：

(4)

式中：Dd为排种盘内型孔中心对应的圆周直径，m；Vd为内型孔中心处线速度，m/s。

由式(4)整理可得

(5)

根据三七种植的农艺要求，其株距S=0.05 m。通过EDEM软件对排种盘转速进行单因素仿真试验,选取排种盘转速n为35.0 r/min。则由式(5)计算得型孔数为20。

3.2 凸包结构设计

排种盘工作时，当株距、播种机作业速度一定时，型孔数越多，排种盘线速度越低，越有利于排种器充种。为保证相邻型孔互不干扰，排种盘直径应设计较大，但排种盘直径过大时，会加大排种机构结构尺寸，使得种子受到的种间阻力增加，导致排种盘充种过程中种子难以产生滑移和翻滚，造成排种盘功耗增加，这是作业性能与机构功率消耗的矛盾。可将上述矛盾冲突归结为运动物体的体积(排种盘整体结构)与整机功率消耗之间的矛盾，以及运动物体的体积与作用对象(种子)受到的阻力之间的矛盾。基于此，以运动物体的体积为改善参数，功率和应力为恶化参数，在矛盾冲突矩阵中截取子矩阵[27]。对该子矩阵进行分析，结果发现有价值、实用且出现次数最多(2次)的创新发明原理是多功能原理，即通过对运动物体体积结构参数的改善，使得系统在运动过程中实现充种、携种和投种的功能。因此，本研究在排种盘上设计凸包结构，增加排种盘的搅种功能，使种群参数稳定且连续波动，从而提高充种效率。

图7为凸包结构示意图。凸包分布在排种盘内径圆周上，该凸包是球体的部分曲面。为达到扰动种群的目的，其高径比需满足一定条件，且摩擦角(δ)需大于种子与排种盘的静摩擦角(φ)[28]，台架试验测得静摩擦角φ为26.6°。因此，构建的几何关系方程如下：

(6)

式中：r为凸包基球半径，mm；h为凸包高度，mm；d为凸包基座直径，mm；ξ为凸包高径比。

为保证凸包不携种，凸包高度和基座直径需分别不大于三七种子长度(L)、宽度(W)的最小值，且凸包的基球半径越大其对种群的扰动性越强。经多次测定表明，三七种子长度、宽度的最小值分别为4.0和4.8 mm。因此确定凸包的基座直径为4.6 mm，根据公式(6)确定凸包高径比为0.24～0.50 mm。最终取凸包高径比为0.43 mm，凸包个数与型孔个数相同。仿真试验表明，与错位分布相比，凸包与型孔同位分布时凸包对种子扰动更优，且凸包位于排种盘锥柱宽度(Lh)的中心线上时扰动效果更好(图8)。

3.3 型孔结构设计

型孔附在排种盘上随着排种盘一起运动，其大小直接影响着排种器排种性能的优劣，型孔越大越有利于充种，但型孔增大会导致重播指数增加，而型孔越小，漏播指数会相应增加。可将上述矛盾冲突归结为静止物体的面积(型孔面积)与作用对象(三七种子)的适应性冲突，以及静止物体的面积与排种器生产率之间的矛盾。为此，以静止物体的面积为改善参数，适应性和生产率为恶化参数，在矛盾冲突矩阵[27]中截取子矩阵并进行分析，结果表明，动态化原理、不足或超额行动原理和预先作用原理为有价值的发明原理。动态化原理将型孔设计成动态型孔，其尺寸根据种子大小发生变化，该设计可以有效提高排种性能，但大大增加了机构的复杂程度，不便于装配，且设计成本增加。不足或超额行动原理将型孔的尺寸适当增大，能方便、有效地使每粒三七种子都能充入型孔中，防止出现漏播现象。预先作用原理在型孔充种面作导种、清种处理，使得种子在排种盘上以长度方向充入型孔的几率达到最高，并保证种子处在最稳定的状态，且在型孔投种面作投种槽处理，预先给种子一作用力，使种子沿倒角斜面垂直落入种穴，这种特殊形状的型孔也可增加对种群的扰动作用[29-30]。为此，根据不足或超额行动原理和预先作用原理设计了一种带导种槽和清种槽的异形圆柱型孔，并通过种子的长度和厚度来设计型孔尺寸。综合以上分析，设计的三七排种器排种盘上的型孔结构如图9所示。

为便于充种并考虑充种时种子受损最小，型孔尺寸应满足下式[28]：

(7)

式中：Lmax为三七种子长度最大值，mm；A为型孔直径，mm;Lmin为三七种子长度最小值，mm；Hmax为三七种子厚度最大值，mm；B为型孔深度，mm；Hmin为三七种子厚度最小值，mm；B1为储种深度，mm；A1为导种槽长度，mm;θ1为导种槽倾角，(°)；φmax为三七种子最大自然休止角，(°)。

试验测得三七种子长度和厚度的最大尺寸分别为7.2和6 mm，最小尺寸分别为5.2和4 mm，种子最大自然休止角为30.9°。当导种槽倾角θ1大于45.0°时，导种槽长度减小，不利于充种，故型孔直径和深度的取值分别为7.2～10.4 mm和4.0～8.0 mm,导种槽倾角的取值为30.9°～45.0°。本研究选取型孔直径为9.5 mm、深度为6.0 mm，通过单因素仿真试验选择导种槽倾角为43.0°的异形圆柱型孔。由公式(7)计算得导种槽长度和储种深度分别为1.7和4.4 mm。

与上述结构相适应，同时还设计了清种槽和投种槽。清种槽和导种槽的作用都是使种子在运动过程中有预先作用力。为保证种子处在型孔中时有自动清种能力，并在清种过程中使种子以最稳定状态滑出型孔，减少排种器对种子的损伤，本研究将清种槽与导种槽设计为相同尺寸。由上述导种槽尺寸计算得清种槽长度为1.7 mm，清种槽倾角为43.0°。设计投种槽是为了使种子依靠重力与离心力的作用沿投种槽滑落，并在脱离排种器后垂直降落。故投种槽的几何关系需满足：

(8)

式中：A3为投种槽长度，mm；θ3为投种槽倾角，(°)；B2为投种槽深度，mm。

由公式(7)、(8)计算得投种槽倾角和投种槽长度取值分别为18.8°～51.6°和0～5.8 mm。本研究选取投种槽倾角为35°，因此由公式(8)计算得投种槽长度为3.8 mm，投种槽深度为2.7 mm。

如图10所示，对即将沿投种槽投种的种子进行运动学分析，可知目标种子的投种速度应满足以下关系：

(9)

式中：Vω为排种盘线速度，m/s；ω为排种盘角速度，rad/s；Va为目标种子投种速度，m/s。

因排种盘角速度与转速存在以下关系：

ω=πn/30。

(10)

故结合式(9)、(10)，可得目标种子沿投种槽的投种速度为：

(11)

4 EDEM离散元仿真试验

4.1 仿真试验模型建立及仿真参数确定

4.1.1 仿真试验模型的建立 以云南省文山州七丹药业种植基地的三七种子作为建模对象，运用三维激光扫描技术和逆向工程技术获得真实的三七种子三维几何模型。将该模型导入EDEM仿真软件，并利用EDEM中的非球颗粒快速填充功能获得三七种子多球面聚合颗粒的离散元模型(图11)。

为了减少仿真试验设计量，去除无接触部件，在NX.三维软件中简化排种器仿真试验模型并导入EDEM中，简化后的排种器如图12所示。

该排种器主要由排种盘外壳(包含种箱)、排种盘、挡种板、清种器、护种板和排种器底壳组成。按表1设置变量参数，在排种器的进种口建立颗粒工厂，设定颗粒生成总数为1 000个。

4.1.2 仿真参数 壳体、排种盘、清种器、挡种板和护种板是排种器与种子接触的部件，且材料都为ABS塑料。确定颗粒-颗粒和颗粒-几何模型接触参数，其中三七种子和接触部件ABS塑料的本征参数与相互接触参数[31]如表1所示。

表1 三七种子及其接触部件ABS塑料的离散元仿真参数Table 1 Discrete element simulation parameters of Panax notoginseng seed and its contact part of ABS plastics

4.2 单因素仿真试验

对排种器的充种性能进行单因素仿真试验分析，使参数设计进一步具体化。在转速、凸包分布的单因素试验中，试验指标为充种单粒率和漏充率；在导种槽倾角和种层高度的单因素试验中，试验指标为充种单粒率和重充率。确定设计参数为转速、凸包分布、导种槽倾角和种层高度，定义各试验因素固定值分别为35.0 r/min、与型孔同位分布、43.0°和55.0 mm。每组仿真试验从排种器运转稳定后开始输出，记录15 s试验数据，每次统计150粒种子。

4.2.1 排种盘转速 排种盘转速是影响排种器充种性能的重要因素之一，转速过低有利于充种，但影响工作效率；转速过高，型孔充种时间过短易导致排种器漏充。为研究排种盘转速对充种性能的影响，仿真试验分析了转速分别为27.5，35.0，42.5和50.0 r/min时的充种情况，结果如表2所示。由表2可知，随着排种盘转速的增加，充种单粒率呈先增加后减少趋势，而漏充率呈先减小后增大的趋势，当排种盘转速为35.0 r/min时，单粒率最高，漏充率最低。为进一步研究排种盘转速对充种性能的影响，在下文的正交试验中将转速作为试验因素之一，以确定转速与其他因素的最优组合。

表2 排种盘转速对充种性能的影响Table 2 Effect of seed metering disc speed on seed filling performance

4.2.2 凸包分布 为研究凸包分布对充种性能的影响，结合3.2节对凸包参数设计的分析，根据凸包分布的两种情况进行仿真试验，结果(表3)表明，凸包与型孔同位分布时充种性能较好。

表3 凸包分布位置对充种性能的影响Table 3 Effect of convex hull distribution position on seed filling performance

为进一步分析凸包分布对充种性能的影响，导出不同时间种子与排种盘接触的平均法向力，结果如图13所示。图13显示，凸包与型孔错位分布时，种子与排种盘接触的平均法向力出现较多波峰，说明该凸包分布形式使种群受力不平衡，导致种层运动状态不稳定，不利于充种；凸包与型孔同位分布时，在型孔周围轴向种子的离散程度较高，流动性强，使得单粒种子较容易脱离种群，且种群受力相对稳定，充种单粒率高。因此确定凸包分布位置为与型孔同位分布。

4.2.3 导种槽倾角 导种槽不仅具有导种的作用，其倾角也影响着充种性能，而带有清种槽的型孔具有自动清种的能力，清种槽随着导种槽参数的变化而变化，参数相同。为此，只分析导种槽倾角为35.0°，39.0°，43.0°，47.0°和90.0°(无导种槽)时对充种性能的影响，结果如表4所示。

表4 导种槽倾角对充种性能的影响Table 4 Effect of seed guide groove inclination on seed filling performance

由表4可知，型孔无导种槽时(导种槽倾角为90.0°)的充种单粒率明显小于有导种槽时(导种槽倾角为35.0°～47.0°)的充种单粒率；对于有导种槽的型孔，随着导种槽倾角的增大，充种单粒率先增大后减小，重充率先减小后增大，在倾角为43.0°时达到最佳，此时单粒率最大，重充率最小，可见带有43.0°导种槽的型孔具有很好的充种和清种性能。

对三七种子与排种盘间的平均法向力进行仿真分析，结果见图14。

图14表明，随着导种槽倾角的增加，型孔的导种、清种效果变差，种群离散程度减小、流动性减弱，导致种子复充、漏充现象增加。因此选择导种槽倾角为43.0°作为正交试验中导种槽倾角因素的零水平，对该因素进行进一步优化。

4.2.4 种层高度 为分析种层高度对排种器充种性能的影响，依据经验选取种层高度分别为45.0，55.0，65.0和75.0 mm进行仿真试验，结果如表5所示。由表5可知，当种层高度小于等于65.0 mm时，单粒率和重充率平均值变化均较小；当种层高度大于65.0 mm时，单粒率平均值大幅下降，而重充率平均值大幅上升。通过仿真试验得知，当种层高度过高，清种槽清种时，种子会受到种群力的作用而进入到下一个携带种子的型孔中，从而导致重充。总体来看，随着种层高度的增加，排种器充种性能变差，型孔对种群的扰动减小，种群的离散程度减小，流动性变差，不利于多余种子离开型孔。种层高度为55.0 mm时，充种单粒率较高，单粒率变异系数较小，是比较理想的种层高度。

表5 种层高度对充种性能的影响Table 5 Effect of seed layer height on seed filling performance

4.3 二次回归正交旋转组合仿真试验

4.3.1 试验方案与结果 排种盘转速、种层高度和导种槽倾角是排种器可靠充种、稳定携种的关键指标，直接影响着排种性能，因此选取排种盘转速(X1)、种层高度(X2)和导种槽倾角(X3)作为试验因素，以单粒率(Y1)、漏充率(Y2)、重充率(Y3)作为考察指标，进行二次回归正交旋转组合仿真试验，进一步研究各因素对排种器工作性能的影响。试验因素编码如表6所示，试验设计方案与结果如表7所示，利用Design-Expert软件对试验数据进行方差分析，结果如表8所示。

表6 排种器工作性能影响因素的二次回归正交旋转组合仿真试验的因素水平编码表Table 6 Factor-level coding table of quadratic regression orthogonal rotation combination test for influencing factors of seed metering performance

表7 排种器工作性能影响因素的二次回归正交旋转组合仿真试验方案与结果Table 7 Quadratic regression orthogonal rotation combination test scheme and results of factors affecting working performance of seed metering device

表8 排种器工作性能影响因素二次回归正交旋转组合仿真试验结果的方差分析Table 8 Analysis of variance of quadratic regression orthogonal rotation combination test results

(14)

(2)漏充率(Y2)。由表8可知，漏充率模型的拟合度达极显著水平(P<0.000 1);失拟项P为0.588 7，说明除设定的3个因素外再无其他影响因素;交互项X1X2和X1X3影响极显著。剔除交互项中不显著因素后的回归模型为：

(15)

(16)

4.3.2 试验因素交互作用对单粒率的影响 通过对试验数据进行处理，可得排种盘转速、种层高度、导种槽倾角两两互作对单粒率影响的响应曲面，结果如图15所示。由图15-A可知，导种槽倾角为43.0°时，随着排种盘转速和种层高度的增加，单粒率先增大后减小，其原因是当排种盘转速和种层高度处于较低水平时，种层高度越大，种群对充种性能的正向力越大，越利于充种；当排种盘转速和种层高度处于较高水平时，排种盘转速越大，充种时间越短，导致漏充现象严重。由图15-B可知，种层高度为55.0 mm时，随着排种盘转速和导种槽倾角的增大，单粒率先增大后减小，其原因是排种盘转速和导种槽倾角适度的增大使型孔更易于充入种子，单粒率增加，而导种槽倾角较大和排种盘转速较高时，转速对充种性能影响较大，排种盘充种时间减少，导致单粒率呈下降趋势。由图15-C可知，排种盘转速为35.0 r/min时，随着种层高度和导种槽倾角的增加，单粒率先增大后减小，其原因是种层高度和导种槽倾角在合适范围内增加时，其会给种子一个正向压力，使种子更容易充入型孔中，导致单粒率逐渐增加，但当种层高度和导种槽倾角处于较高水平时，随着导种槽倾角的继续增大，型孔容积增大，加之种层高度的增加，使得清种槽倾角发挥不了作用，导致单粒率逐渐降低。

4.3.3 最佳参数优化 为确定排种盘转速、种层高度及导种槽倾角的最佳取值范围，设定单粒率大于96.00%，漏充率小于2.50%，重充率小于1.50%，在此条件下采用多目标优化法进行优化分析。因导种槽倾角对充种性能影响相对较小，故设置导种槽倾角为43.0°，对排种盘转速和种层高度的最佳取值范围进行优化，结果如图16所示。由图16可知，当导种槽倾角为43.0°，排种盘转速为31.1～37.8 r/min，种层高度为46.6～58.2 mm时，单粒率大于96.00%，漏充率小于2.50%，重充率小于1.50%。

5 台架试验验证

5.1 台架搭建

为验证仿真试验的优化结果，选取云南省文山州七丹药业种植基地的三七种子(平均含水率为40%)，在昆明理工大学农业与食品学院的JPS-12视觉排种器性能试验台上进行试验验证，按照仿真试验优化后的参数使用ABS材料3D打印排种盘并制作排种器，为方便观察种群的运动情况，排种器外壳用亚克力板制作。在台架上安装了种层高度控制刻度尺以便对种层高度进行控制。利用合肥富煌君达高科信息技术有限公司提供的千眼狼5F01高速摄像机拍摄充种情况。试验装置如图17所示。

5.2 充种性能试验

按照仿真优化结果中排种盘转速为31.1～37.8 r/min，种层高度为46.6～58.2 mm，导种槽倾角为43.0°,设置排种盘转速分别为32.0，34.0和36.0 r/min，对应的种层高度分别为47.0，55.0和58.0 mm的3组试验，每组重复测试3次，待排种器工作稳定后取10转统计数据，结果如表9所示。表9表明，3组试验的排种器充种单粒率平均值分别为96.67%，96.67%和96.33%，漏充率平均值分别为2.00%，2.33%和2.33%，重充率平均值分别为1.33%，1.00%和1.33%，结果与仿真试验吻合，验证了仿真试验结果的可靠性。同时，从高速摄像的记录中可以看出，种子多以“平躺”状态充入型孔，柔性护种板可以避免伤种问题。

6 结 论

1)基于TRIZ理论设计了内充式三七精密排种器，确定排种盘内径为180 mm；型孔数为20个；型孔的直径和深度分别为9.5和6.0 mm；导种槽和清种槽结构尺寸相同，其中导种槽倾角、长度和储种深度分别为43.0°，1.7 mm和4.4 mm；投种槽倾角、长度和深度分别为35.0°，3.8 mm和2.7 mm。

2)针对排种盘转速、种层高度、导种槽倾角和凸包分布位置，利用EDEM软件进行了仿真单因素试验，确定凸包与型孔同位分布，并确定了排种盘转速、种层高度和导种槽倾角3个因素各自的取值范围。二次回归正交旋转组合试验表明，排种盘转速对单粒率影响最大，其次是种层高度，再次是导种槽倾角，其中排种盘转速和种层高度的交互作用不容忽视；影响漏充率的因素重要性依次为排种盘转速、凸包高径比、种层高度，其中凸包高径比与种层高度间存在交互作用。在导种槽倾角为43.0°、排种盘转速为31.1～37.8 r/min、种层高度为46.6～58.2 mm时，单粒率大于96.00%，漏充率小于2.50%，重充率小于1.50%。

3)对最优组合参数进行了台架试验验证,结果显示3组9次试验的排种器充种单粒率平均值为96.33%～96.67%，漏充率平均值为2.00%～2.33%，重充率平均值为1.00%～1.33%，与仿真试验结果一致。结果表明，设计的内充式三七精密排种器排种性能好，能满足三七精密播种农艺要求。