曾心玥，賴慶輝，趙瑾汶，謝觀福，韓曉娟

(昆明理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，云南 昆明 650500)

三七是我國名貴中藥材，市場需求大，但播種機械化程度低，缺少配套播種裝備，難以實現(xiàn)規(guī)?；N植，制約了產(chǎn)業(yè)發(fā)展，因此三七精密播種機械化問題亟待解決[1-6]。在三七機械播種中，排種器是精密播種機的核心部件[7-11]。目前，三七播種機的排種器主要有窩眼輪式、氣力式和內(nèi)充式排種器等[12-14]，其中窩眼輪式排種器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但存在傷種和多排作業(yè)情況下工作阻力大等問題；氣力式排種器可以高速作業(yè)，工作效率高，但存在氣力損失、供氣不穩(wěn)定、成本高等問題。內(nèi)充式排種器充分利用種子自身重力和離心力，更利于充種，為此國內(nèi)學(xué)者對該排種器進行了不同程度的研究。劉佳等[15]結(jié)合機械內(nèi)充排種器的結(jié)構(gòu)特點和氣吹式排種器單粒留種原理，設(shè)計了一種內(nèi)充式玉米精密排種器；陳海濤等[16]針對大豆小區(qū)育種播種機清換種技術(shù)難題，設(shè)計了一種自動清換種氣吹內(nèi)充式排種器；廖慶喜等[17]針對油菜籽輕導(dǎo)致機械排種易堵塞的問題設(shè)計了一種氣吹內(nèi)充式油菜排種器。國內(nèi)研究的內(nèi)充式排種器大多為機械氣力組合式排種器，其排種性能好，可高速作業(yè)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配存在一定的難度。而周勇等[18]基于內(nèi)充式原理設(shè)計了一種容納式階梯狀充填孔棉花排種器，有效降低了種子破損率，減少了型孔堵塞問題，但其型孔形狀復(fù)雜，不易加工，導(dǎo)致成本增加。為此，要解決機械內(nèi)充式排種器排種性能與機構(gòu)設(shè)計間的矛盾，需引入新的理論設(shè)計方案。發(fā)明問題解決理論(teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch,TRIZ)是一種解決機械設(shè)計問題的強有力方法，目前在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域得到了一些應(yīng)用。權(quán)龍哲等[19]運用TRIZ理論設(shè)計了玉米根茬收獲系統(tǒng)，挖產(chǎn)推送機構(gòu)等得到創(chuàng)新性設(shè)計。曹衛(wèi)彬等[20]利用TRIZ理論得出紅花絲最佳采摘方案，并對紅花絲盲采裝置的凸輪機構(gòu)進行了改進。從現(xiàn)有的研究可知，TRIZ理論在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計領(lǐng)域中的運用較少，尤其在排種器設(shè)計中的運用非常罕見。

為此，本研究設(shè)計了一種內(nèi)充式三七精密排種器，采用沖突解決原理解決機械內(nèi)充式排種器排種性能與機構(gòu)設(shè)計的矛盾,并設(shè)計關(guān)鍵部件，以降低設(shè)計成本，提高可靠性和排種性能，為三七播種機械化發(fā)展奠定基礎(chǔ)，并為TRIZ理論在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中的運用提供理論依據(jù)。

1 排種器整體結(jié)構(gòu)與工作原理

三七內(nèi)充式精密排種器的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。其整體結(jié)構(gòu)、型孔和凸包位置見圖1-A，主要由種箱、排種器外殼、清種片、擋種板、護種板、排種盤等組成。排種器的工作原理如圖1-B所示，由排種軸帶動排種盤轉(zhuǎn)動，種子靠重力從種箱落入排種盤中，并在種子擠壓力及離心力作用下充入型孔中，排種盤攜帶種子轉(zhuǎn)動，并在頂部護種板作用下使種子做圓周運動，最后種子依靠重力及離心力離開型孔，從而落入種穴中，完成排種作業(yè)過程。

2 排種器工作原理分析

2.1 充種過程原理分析

充種過程中，種子充入型孔后存在種間作用力，種子與種子緊密接觸在一起，形成種群。排種盤旋轉(zhuǎn)形成的離心力場和種子自身的重力場，難以有效實現(xiàn)種群中單粒種子的分離，且種群也會在一定程度上阻礙離心力場分離種群的單粒種子，使得排種器出現(xiàn)能量消耗大等問題。攪動場可以使種子由靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)，提高了種子流動性，減小種間作用力及種群對離心場的阻礙作用，從而使充種合格率提高[21-22]。因此，本研究通過增加攪動場的方式來提高排種器的充種性能。攪動場的實現(xiàn)主要通過在排種盤上增加凸包、擾動條、導(dǎo)種槽或添加振動裝置、攪種輪來實現(xiàn)，本試驗為降低機構(gòu)的復(fù)雜程度，采用在排種盤上增加凸包的形式增加攪動場。

如圖2所示，對型孔周圍的種子進行運動學(xué)分析，無導(dǎo)種槽時，目標種子充入型孔的相對速度Vr0和型孔直徑的關(guān)系為：

(1)

式中：A0為無導(dǎo)種槽時的型孔直徑，mm；H為種子種群厚度，mm；g為重力加速度，9.8 m/s2。

有導(dǎo)種槽時，目標種子充入型孔的相對速度Vr和型孔直徑A的關(guān)系為：

(2)

式中：A1為導(dǎo)種槽長度，mm。

由此可見，在相同尺寸的型孔下，有導(dǎo)種槽時的Vr較無導(dǎo)種槽型孔時的Vr0增大了A1(g/H)1/2，使得排種盤可以較高轉(zhuǎn)速工作，且當排種盤速度一定時，有導(dǎo)種槽的型孔直徑較無導(dǎo)種槽的型孔直徑小，從而減小了種子與型孔的間隙，有利于型孔更加精準地充入單粒種子并減少種子破損。

2.2 清種過程原理分析

清種過程中，型孔周圍的種子依靠重力及種間力滑落，多余種子應(yīng)及時回落到種群中，否則會造成重播或種子破損[23]。清種過程的物-場模型如圖3所示，其中S1代表多粒三七種子，S2代表單粒三七種子，通過推力場(F1)和預(yù)先作用力場(F2)的作用將多粒三七種子(S1)與單粒三七種子(S2)分離開來。考慮到清種裝置的可卸性、通用性及排種器的整體結(jié)構(gòu)，采用推力場和預(yù)先作用力場進行清種。

目前，排種器多采用清種裝置進行強制清種[24]，這種設(shè)計使得排種器結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，增加了排種器安裝和拆卸的難度，且會對種子造成一定的損傷,但僅僅依靠種子自身重力及種間力清種并不能改善一個型孔充入多粒種子的現(xiàn)象。為此，本研究選擇帶齒的柔性清種片清種，將其安裝在護種板始端，固定在排種器外殼上(圖4)，且預(yù)先作用力場由帶清種槽的型孔形成，這樣可以解決型孔多充現(xiàn)象且不造成種子因“回種”而破損，具有較好的自動清種功能(圖5)。

2.3 投種過程原理分析

排種器僅依靠種子重力投種易導(dǎo)致投種位置不固定、卡種漏播等問題，為避免這些問題需借助外力場的作用，本研究通過預(yù)先增加離心力的方式，使種子沿預(yù)定軌跡落入種穴中。圖6為構(gòu)建的投種過程物-場模型，該模型通過重力場(F3)和離心力預(yù)作用場(F4)使得充種型孔(S3)的種子掉落，離開型孔。通過增加離心力預(yù)作用場的方式，讓S3依靠重力及慣性轉(zhuǎn)化為空型孔(S4)，降低排種器的漏播率及種子損傷率，提高排種器的排種性能。離心力預(yù)作用場通過在型孔上增加投種槽的方法來實現(xiàn)。

3 基于沖突解決原理的關(guān)鍵部件設(shè)計

因排種盤是排種器中最為關(guān)鍵的部件，為此本研究主要對排種盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計。如圖1所示，型孔和凸包分布在排種盤上，故排種盤的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括直徑、型孔數(shù)、凸包尺寸和型孔尺寸等。

3.1 排種盤直徑及型孔數(shù)

排種盤直徑是排種器基本結(jié)構(gòu)特征參數(shù)之一，決定著排種器及其他部件的結(jié)構(gòu)、尺寸，是影響充種、清種性能的重要部件。排種盤直徑一般取80～200 mm[25]，綜合考慮排種器整體結(jié)構(gòu)及部件分布，排種盤不宜過小，因此本研究最終選取排種盤的內(nèi)徑(d0)為180 mm，外徑(d1)為d0+B，其中B為型孔深度。株距、播種機作業(yè)速度、型孔數(shù)和排種盤轉(zhuǎn)速存在以下關(guān)系：

(3)

式中：Vm為播種機作業(yè)速度，m/s；S為株距，m；Z為型孔數(shù)；n為排種盤轉(zhuǎn)速，r/min。

由式(3)可知，當株距與播種機作業(yè)速度的比值為定值時，型孔數(shù)越多，排種盤轉(zhuǎn)速越低，越有利于提高機械式排種器充種性能,且減小種子機械損傷。因此，在排種盤兩個相鄰型孔互不影響的前提下，應(yīng)盡可能多地布置型孔，忽略地輪滑移系數(shù)，根據(jù)排種盤直徑及播種機作業(yè)速度(一般為2.1 km/h)，則型孔數(shù)應(yīng)滿足下式[26]：

(4)

式中：Dd為排種盤內(nèi)型孔中心對應(yīng)的圓周直徑，m；Vd為內(nèi)型孔中心處線速度，m/s。

由式(4)整理可得

(5)

根據(jù)三七種植的農(nóng)藝要求，其株距S=0.05 m。通過EDEM軟件對排種盤轉(zhuǎn)速進行單因素仿真試驗,選取排種盤轉(zhuǎn)速n為35.0 r/min。則由式(5)計算得型孔數(shù)為20。

3.2 凸包結(jié)構(gòu)設(shè)計

排種盤工作時，當株距、播種機作業(yè)速度一定時，型孔數(shù)越多，排種盤線速度越低，越有利于排種器充種。為保證相鄰型孔互不干擾，排種盤直徑應(yīng)設(shè)計較大，但排種盤直徑過大時，會加大排種機構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸，使得種子受到的種間阻力增加，導(dǎo)致排種盤充種過程中種子難以產(chǎn)生滑移和翻滾，造成排種盤功耗增加，這是作業(yè)性能與機構(gòu)功率消耗的矛盾?？蓪⑸鲜雒軟_突歸結(jié)為運動物體的體積(排種盤整體結(jié)構(gòu))與整機功率消耗之間的矛盾，以及運動物體的體積與作用對象(種子)受到的阻力之間的矛盾?；诖耍赃\動物體的體積為改善參數(shù)，功率和應(yīng)力為惡化參數(shù)，在矛盾沖突矩陣中截取子矩陣[27]。對該子矩陣進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有價值、實用且出現(xiàn)次數(shù)最多(2次)的創(chuàng)新發(fā)明原理是多功能原理，即通過對運動物體體積結(jié)構(gòu)參數(shù)的改善，使得系統(tǒng)在運動過程中實現(xiàn)充種、攜種和投種的功能。因此，本研究在排種盤上設(shè)計凸包結(jié)構(gòu)，增加排種盤的攪種功能，使種群參數(shù)穩(wěn)定且連續(xù)波動，從而提高充種效率。

圖7為凸包結(jié)構(gòu)示意圖。凸包分布在排種盤內(nèi)徑圓周上，該凸包是球體的部分曲面。為達到擾動種群的目的，其高徑比需滿足一定條件，且摩擦角(δ)需大于種子與排種盤的靜摩擦角(φ)[28]，臺架試驗測得靜摩擦角φ為26.6°。因此，構(gòu)建的幾何關(guān)系方程如下：

(6)

式中：r為凸包基球半徑，mm；h為凸包高度，mm；d為凸包基座直徑，mm；ξ為凸包高徑比。

為保證凸包不攜種，凸包高度和基座直徑需分別不大于三七種子長度(L)、寬度(W)的最小值，且凸包的基球半徑越大其對種群的擾動性越強。經(jīng)多次測定表明，三七種子長度、寬度的最小值分別為4.0和4.8 mm。因此確定凸包的基座直徑為4.6 mm，根據(jù)公式(6)確定凸包高徑比為0.24～0.50 mm。最終取凸包高徑比為0.43 mm，凸包個數(shù)與型孔個數(shù)相同。仿真試驗表明，與錯位分布相比，凸包與型孔同位分布時凸包對種子擾動更優(yōu)，且凸包位于排種盤錐柱寬度(Lh)的中心線上時擾動效果更好(圖8)。

3.3 型孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

型孔附在排種盤上隨著排種盤一起運動，其大小直接影響著排種器排種性能的優(yōu)劣，型孔越大越有利于充種，但型孔增大會導(dǎo)致重播指數(shù)增加，而型孔越小，漏播指數(shù)會相應(yīng)增加?？蓪⑸鲜雒軟_突歸結(jié)為靜止物體的面積(型孔面積)與作用對象(三七種子)的適應(yīng)性沖突，以及靜止物體的面積與排種器生產(chǎn)率之間的矛盾。為此，以靜止物體的面積為改善參數(shù)，適應(yīng)性和生產(chǎn)率為惡化參數(shù)，在矛盾沖突矩陣[27]中截取子矩陣并進行分析，結(jié)果表明，動態(tài)化原理、不足或超額行動原理和預(yù)先作用原理為有價值的發(fā)明原理。動態(tài)化原理將型孔設(shè)計成動態(tài)型孔，其尺寸根據(jù)種子大小發(fā)生變化，該設(shè)計可以有效提高排種性能，但大大增加了機構(gòu)的復(fù)雜程度，不便于裝配，且設(shè)計成本增加。不足或超額行動原理將型孔的尺寸適當增大，能方便、有效地使每粒三七種子都能充入型孔中，防止出現(xiàn)漏播現(xiàn)象。預(yù)先作用原理在型孔充種面作導(dǎo)種、清種處理，使得種子在排種盤上以長度方向充入型孔的幾率達到最高，并保證種子處在最穩(wěn)定的狀態(tài)，且在型孔投種面作投種槽處理，預(yù)先給種子一作用力，使種子沿倒角斜面垂直落入種穴，這種特殊形狀的型孔也可增加對種群的擾動作用[29-30]。為此，根據(jù)不足或超額行動原理和預(yù)先作用原理設(shè)計了一種帶導(dǎo)種槽和清種槽的異形圓柱型孔，并通過種子的長度和厚度來設(shè)計型孔尺寸。綜合以上分析，設(shè)計的三七排種器排種盤上的型孔結(jié)構(gòu)如圖9所示。

為便于充種并考慮充種時種子受損最小，型孔尺寸應(yīng)滿足下式[28]：

(7)

式中：Lmax為三七種子長度最大值，mm；A為型孔直徑，mm;Lmin為三七種子長度最小值，mm；Hmax為三七種子厚度最大值，mm；B為型孔深度，mm；Hmin為三七種子厚度最小值，mm；B1為儲種深度，mm；A1為導(dǎo)種槽長度，mm;θ1為導(dǎo)種槽傾角，(°)；φmax為三七種子最大自然休止角，(°)。

試驗測得三七種子長度和厚度的最大尺寸分別為7.2和6 mm，最小尺寸分別為5.2和4 mm，種子最大自然休止角為30.9°。當導(dǎo)種槽傾角θ1大于45.0°時，導(dǎo)種槽長度減小，不利于充種，故型孔直徑和深度的取值分別為7.2～10.4 mm和4.0～8.0 mm,導(dǎo)種槽傾角的取值為30.9°～45.0°。本研究選取型孔直徑為9.5 mm、深度為6.0 mm，通過單因素仿真試驗選擇導(dǎo)種槽傾角為43.0°的異形圓柱型孔。由公式(7)計算得導(dǎo)種槽長度和儲種深度分別為1.7和4.4 mm。

與上述結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，同時還設(shè)計了清種槽和投種槽。清種槽和導(dǎo)種槽的作用都是使種子在運動過程中有預(yù)先作用力。為保證種子處在型孔中時有自動清種能力，并在清種過程中使種子以最穩(wěn)定狀態(tài)滑出型孔，減少排種器對種子的損傷，本研究將清種槽與導(dǎo)種槽設(shè)計為相同尺寸。由上述導(dǎo)種槽尺寸計算得清種槽長度為1.7 mm，清種槽傾角為43.0°。設(shè)計投種槽是為了使種子依靠重力與離心力的作用沿投種槽滑落，并在脫離排種器后垂直降落。故投種槽的幾何關(guān)系需滿足：

(8)

式中：A3為投種槽長度，mm；θ3為投種槽傾角，(°)；B2為投種槽深度，mm。

由公式(7)、(8)計算得投種槽傾角和投種槽長度取值分別為18.8°～51.6°和0～5.8 mm。本研究選取投種槽傾角為35°，因此由公式(8)計算得投種槽長度為3.8 mm，投種槽深度為2.7 mm。

如圖10所示，對即將沿投種槽投種的種子進行運動學(xué)分析，可知目標種子的投種速度應(yīng)滿足以下關(guān)系：

(9)

式中：Vω為排種盤線速度，m/s；ω為排種盤角速度，rad/s；Va為目標種子投種速度，m/s。

因排種盤角速度與轉(zhuǎn)速存在以下關(guān)系：

ω=πn/30。

(10)

故結(jié)合式(9)、(10)，可得目標種子沿投種槽的投種速度為：

(11)

4 EDEM離散元仿真試驗

4.1 仿真試驗?zāi)Ｐ徒⒓胺抡鎱?shù)確定

4.1.1 仿真試驗?zāi)Ｐ偷慕?以云南省文山州七丹藥業(yè)種植基地的三七種子作為建模對象，運用三維激光掃描技術(shù)和逆向工程技術(shù)獲得真實的三七種子三維幾何模型。將該模型導(dǎo)入EDEM仿真軟件，并利用EDEM中的非球顆粒快速填充功能獲得三七種子多球面聚合顆粒的離散元模型(圖11)。

為了減少仿真試驗設(shè)計量，去除無接觸部件，在NX.三維軟件中簡化排種器仿真試驗?zāi)Ｐ筒?dǎo)入EDEM中，簡化后的排種器如圖12所示。

該排種器主要由排種盤外殼(包含種箱)、排種盤、擋種板、清種器、護種板和排種器底殼組成。按表1設(shè)置變量參數(shù)，在排種器的進種口建立顆粒工廠，設(shè)定顆粒生成總數(shù)為1 000個。

4.1.2 仿真參數(shù) 殼體、排種盤、清種器、擋種板和護種板是排種器與種子接觸的部件，且材料都為ABS塑料。確定顆粒-顆粒和顆粒-幾何模型接觸參數(shù)，其中三七種子和接觸部件ABS塑料的本征參數(shù)與相互接觸參數(shù)[31]如表1所示。

表1 三七種子及其接觸部件ABS塑料的離散元仿真參數(shù)Table 1 Discrete element simulation parameters of Panax notoginseng seed and its contact part of ABS plastics

4.2 單因素仿真試驗

對排種器的充種性能進行單因素仿真試驗分析，使參數(shù)設(shè)計進一步具體化。在轉(zhuǎn)速、凸包分布的單因素試驗中，試驗指標為充種單粒率和漏充率；在導(dǎo)種槽傾角和種層高度的單因素試驗中，試驗指標為充種單粒率和重充率。確定設(shè)計參數(shù)為轉(zhuǎn)速、凸包分布、導(dǎo)種槽傾角和種層高度，定義各試驗因素固定值分別為35.0 r/min、與型孔同位分布、43.0°和55.0 mm。每組仿真試驗從排種器運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后開始輸出，記錄15 s試驗數(shù)據(jù)，每次統(tǒng)計150粒種子。

4.2.1 排種盤轉(zhuǎn)速 排種盤轉(zhuǎn)速是影響排種器充種性能的重要因素之一，轉(zhuǎn)速過低有利于充種，但影響工作效率；轉(zhuǎn)速過高，型孔充種時間過短易導(dǎo)致排種器漏充。為研究排種盤轉(zhuǎn)速對充種性能的影響，仿真試驗分析了轉(zhuǎn)速分別為27.5，35.0，42.5和50.0 r/min時的充種情況，結(jié)果如表2所示。由表2可知，隨著排種盤轉(zhuǎn)速的增加，充種單粒率呈先增加后減少趨勢，而漏充率呈先減小后增大的趨勢，當排種盤轉(zhuǎn)速為35.0 r/min時，單粒率最高，漏充率最低。為進一步研究排種盤轉(zhuǎn)速對充種性能的影響，在下文的正交試驗中將轉(zhuǎn)速作為試驗因素之一，以確定轉(zhuǎn)速與其他因素的最優(yōu)組合。

表2 排種盤轉(zhuǎn)速對充種性能的影響Table 2 Effect of seed metering disc speed on seed filling performance

4.2.2 凸包分布 為研究凸包分布對充種性能的影響，結(jié)合3.2節(jié)對凸包參數(shù)設(shè)計的分析，根據(jù)凸包分布的兩種情況進行仿真試驗，結(jié)果(表3)表明，凸包與型孔同位分布時充種性能較好。

表3 凸包分布位置對充種性能的影響Table 3 Effect of convex hull distribution position on seed filling performance

為進一步分析凸包分布對充種性能的影響，導(dǎo)出不同時間種子與排種盤接觸的平均法向力，結(jié)果如圖13所示。圖13顯示，凸包與型孔錯位分布時，種子與排種盤接觸的平均法向力出現(xiàn)較多波峰，說明該凸包分布形式使種群受力不平衡，導(dǎo)致種層運動狀態(tài)不穩(wěn)定，不利于充種；凸包與型孔同位分布時，在型孔周圍軸向種子的離散程度較高，流動性強，使得單粒種子較容易脫離種群，且種群受力相對穩(wěn)定，充種單粒率高。因此確定凸包分布位置為與型孔同位分布。

4.2.3 導(dǎo)種槽傾角 導(dǎo)種槽不僅具有導(dǎo)種的作用，其傾角也影響著充種性能，而帶有清種槽的型孔具有自動清種的能力，清種槽隨著導(dǎo)種槽參數(shù)的變化而變化，參數(shù)相同。為此，只分析導(dǎo)種槽傾角為35.0°，39.0°，43.0°，47.0°和90.0°(無導(dǎo)種槽)時對充種性能的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 導(dǎo)種槽傾角對充種性能的影響Table 4 Effect of seed guide groove inclination on seed filling performance

由表4可知，型孔無導(dǎo)種槽時(導(dǎo)種槽傾角為90.0°)的充種單粒率明顯小于有導(dǎo)種槽時(導(dǎo)種槽傾角為35.0°～47.0°)的充種單粒率；對于有導(dǎo)種槽的型孔，隨著導(dǎo)種槽傾角的增大，充種單粒率先增大后減小，重充率先減小后增大，在傾角為43.0°時達到最佳，此時單粒率最大，重充率最小，可見帶有43.0°導(dǎo)種槽的型孔具有很好的充種和清種性能。

對三七種子與排種盤間的平均法向力進行仿真分析，結(jié)果見圖14。

圖14表明，隨著導(dǎo)種槽傾角的增加，型孔的導(dǎo)種、清種效果變差，種群離散程度減小、流動性減弱，導(dǎo)致種子復(fù)充、漏充現(xiàn)象增加。因此選擇導(dǎo)種槽傾角為43.0°作為正交試驗中導(dǎo)種槽傾角因素的零水平，對該因素進行進一步優(yōu)化。

4.2.4 種層高度 為分析種層高度對排種器充種性能的影響，依據(jù)經(jīng)驗選取種層高度分別為45.0，55.0，65.0和75.0 mm進行仿真試驗，結(jié)果如表5所示。由表5可知，當種層高度小于等于65.0 mm時，單粒率和重充率平均值變化均較?。划敺N層高度大于65.0 mm時，單粒率平均值大幅下降，而重充率平均值大幅上升。通過仿真試驗得知，當種層高度過高，清種槽清種時，種子會受到種群力的作用而進入到下一個攜帶種子的型孔中，從而導(dǎo)致重充?？傮w來看，隨著種層高度的增加，排種器充種性能變差，型孔對種群的擾動減小，種群的離散程度減小，流動性變差，不利于多余種子離開型孔。種層高度為55.0 mm時，充種單粒率較高，單粒率變異系數(shù)較小，是比較理想的種層高度。

表5 種層高度對充種性能的影響Table 5 Effect of seed layer height on seed filling performance

4.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗

4.3.1 試驗方案與結(jié)果 排種盤轉(zhuǎn)速、種層高度和導(dǎo)種槽傾角是排種器可靠充種、穩(wěn)定攜種的關(guān)鍵指標，直接影響著排種性能，因此選取排種盤轉(zhuǎn)速(X1)、種層高度(X2)和導(dǎo)種槽傾角(X3)作為試驗因素，以單粒率(Y1)、漏充率(Y2)、重充率(Y3)作為考察指標，進行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗，進一步研究各因素對排種器工作性能的影響。試驗因素編碼如表6所示，試驗設(shè)計方案與結(jié)果如表7所示，利用Design-Expert軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果如表8所示。

表6 排種器工作性能影響因素的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗的因素水平編碼表Table 6 Factor-level coding table of quadratic regression orthogonal rotation combination test for influencing factors of seed metering performance

表7 排種器工作性能影響因素的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗方案與結(jié)果Table 7 Quadratic regression orthogonal rotation combination test scheme and results of factors affecting working performance of seed metering device

表8 排種器工作性能影響因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗結(jié)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，漏充率模型的擬合度達極顯著水平(P<0.000 1);失擬項P為0.588 7，說明除設(shè)定的3個因素外再無其他影響因素;交互項X1X2和X1X3影響極顯著。剔除交互項中不顯著因素后的回歸模型為：

(15)

(16)

4.3.2 試驗因素交互作用對單粒率的影響 通過對試驗數(shù)據(jù)進行處理，可得排種盤轉(zhuǎn)速、種層高度、導(dǎo)種槽傾角兩兩互作對單粒率影響的響應(yīng)曲面，結(jié)果如圖15所示。由圖15-A可知，導(dǎo)種槽傾角為43.0°時，隨著排種盤轉(zhuǎn)速和種層高度的增加，單粒率先增大后減小，其原因是當排種盤轉(zhuǎn)速和種層高度處于較低水平時，種層高度越大，種群對充種性能的正向力越大，越利于充種；當排種盤轉(zhuǎn)速和種層高度處于較高水平時，排種盤轉(zhuǎn)速越大，充種時間越短，導(dǎo)致漏充現(xiàn)象嚴重。由圖15-B可知，種層高度為55.0 mm時，隨著排種盤轉(zhuǎn)速和導(dǎo)種槽傾角的增大，單粒率先增大后減小，其原因是排種盤轉(zhuǎn)速和導(dǎo)種槽傾角適度的增大使型孔更易于充入種子，單粒率增加，而導(dǎo)種槽傾角較大和排種盤轉(zhuǎn)速較高時，轉(zhuǎn)速對充種性能影響較大，排種盤充種時間減少，導(dǎo)致單粒率呈下降趨勢。由圖15-C可知，排種盤轉(zhuǎn)速為35.0 r/min時，隨著種層高度和導(dǎo)種槽傾角的增加，單粒率先增大后減小，其原因是種層高度和導(dǎo)種槽傾角在合適范圍內(nèi)增加時，其會給種子一個正向壓力，使種子更容易充入型孔中，導(dǎo)致單粒率逐漸增加，但當種層高度和導(dǎo)種槽傾角處于較高水平時，隨著導(dǎo)種槽傾角的繼續(xù)增大，型孔容積增大，加之種層高度的增加，使得清種槽傾角發(fā)揮不了作用，導(dǎo)致單粒率逐漸降低。

4.3.3 最佳參數(shù)優(yōu)化 為確定排種盤轉(zhuǎn)速、種層高度及導(dǎo)種槽傾角的最佳取值范圍，設(shè)定單粒率大于96.00%，漏充率小于2.50%，重充率小于1.50%，在此條件下采用多目標優(yōu)化法進行優(yōu)化分析。因?qū)ХN槽傾角對充種性能影響相對較小，故設(shè)置導(dǎo)種槽傾角為43.0°，對排種盤轉(zhuǎn)速和種層高度的最佳取值范圍進行優(yōu)化，結(jié)果如圖16所示。由圖16可知，當導(dǎo)種槽傾角為43.0°，排種盤轉(zhuǎn)速為31.1～37.8 r/min，種層高度為46.6～58.2 mm時，單粒率大于96.00%，漏充率小于2.50%，重充率小于1.50%。

5 臺架試驗驗證

5.1 臺架搭建

為驗證仿真試驗的優(yōu)化結(jié)果，選取云南省文山州七丹藥業(yè)種植基地的三七種子(平均含水率為40%)，在昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院的JPS-12視覺排種器性能試驗臺上進行試驗驗證，按照仿真試驗優(yōu)化后的參數(shù)使用ABS材料3D打印排種盤并制作排種器，為方便觀察種群的運動情況，排種器外殼用亞克力板制作。在臺架上安裝了種層高度控制刻度尺以便對種層高度進行控制。利用合肥富煌君達高科信息技術(shù)有限公司提供的千眼狼5F01高速攝像機拍攝充種情況。試驗裝置如圖17所示。

5.2 充種性能試驗

按照仿真優(yōu)化結(jié)果中排種盤轉(zhuǎn)速為31.1～37.8 r/min，種層高度為46.6～58.2 mm，導(dǎo)種槽傾角為43.0°,設(shè)置排種盤轉(zhuǎn)速分別為32.0，34.0和36.0 r/min，對應(yīng)的種層高度分別為47.0，55.0和58.0 mm的3組試驗，每組重復(fù)測試3次，待排種器工作穩(wěn)定后取10轉(zhuǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)果如表9所示。表9表明，3組試驗的排種器充種單粒率平均值分別為96.67%，96.67%和96.33%，漏充率平均值分別為2.00%，2.33%和2.33%，重充率平均值分別為1.33%，1.00%和1.33%，結(jié)果與仿真試驗吻合，驗證了仿真試驗結(jié)果的可靠性。同時，從高速攝像的記錄中可以看出，種子多以“平躺”狀態(tài)充入型孔，柔性護種板可以避免傷種問題。

6 結(jié) 論

1)基于TRIZ理論設(shè)計了內(nèi)充式三七精密排種器，確定排種盤內(nèi)徑為180 mm；型孔數(shù)為20個；型孔的直徑和深度分別為9.5和6.0 mm；導(dǎo)種槽和清種槽結(jié)構(gòu)尺寸相同，其中導(dǎo)種槽傾角、長度和儲種深度分別為43.0°，1.7 mm和4.4 mm；投種槽傾角、長度和深度分別為35.0°，3.8 mm和2.7 mm。

2)針對排種盤轉(zhuǎn)速、種層高度、導(dǎo)種槽傾角和凸包分布位置，利用EDEM軟件進行了仿真單因素試驗，確定凸包與型孔同位分布，并確定了排種盤轉(zhuǎn)速、種層高度和導(dǎo)種槽傾角3個因素各自的取值范圍。二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗表明，排種盤轉(zhuǎn)速對單粒率影響最大，其次是種層高度，再次是導(dǎo)種槽傾角，其中排種盤轉(zhuǎn)速和種層高度的交互作用不容忽視；影響漏充率的因素重要性依次為排種盤轉(zhuǎn)速、凸包高徑比、種層高度，其中凸包高徑比與種層高度間存在交互作用。在導(dǎo)種槽傾角為43.0°、排種盤轉(zhuǎn)速為31.1～37.8 r/min、種層高度為46.6～58.2 mm時，單粒率大于96.00%，漏充率小于2.50%，重充率小于1.50%。

3)對最優(yōu)組合參數(shù)進行了臺架試驗驗證,結(jié)果顯示3組9次試驗的排種器充種單粒率平均值為96.33%～96.67%，漏充率平均值為2.00%～2.33%，重充率平均值為1.00%～1.33%，與仿真試驗結(jié)果一致。結(jié)果表明，設(shè)計的內(nèi)充式三七精密排種器排種性能好，能滿足三七精密播種農(nóng)藝要求。