精密播种是按照精确的播种粒数、播种间距、行距和播种深度将种子播入土壤的方式，这一系列的作业过程需由精密播种机来完成。排种器作为播种机关键部件，其性能决定着播种质量^[1]。三七Panax notoginseng属密集型播种作物，在播种作业时行距、株距均需控制在50 mm左右，为实现三七播种行距和株距一致的农艺要求，需对三七进行精密播种^[2]。随着优良三七种子的推广使用，其昂贵的价格也使种植成本逐步增加，为了减少三七种植成本，进一步实现对三七“一穴一粒”的精播要求，除了要有性能良好的排种器外，种子的清选分级也十分重要。当前，将玉米、大豆种子在清选分级后进行精密播种在国内外已十分普遍^[3-5]。刘佳等^[6]在不同类型气力式排种器中对分级前后玉米种子进行了充种匹配对比试验，证明气吹式排种器更适于分级后玉米种子的播种。孙士明等^[7]对分级后的玉米种子在相应机械式、气力式排种器中进行充种匹配对比试验，证明分级后不同形状的玉米种子均有实现其最佳播种效果的排种器类型。三七播种作业中窝眼轮排种器虽已广泛应用，但窝眼轮排种器存在种子与型孔适配性差等问题^[8]。有关三七种子尺寸相适应的窝眼轮型孔尺寸设计研究鲜见报道，使得分级后的三七种子在当前设计的窝眼轮排种器中充种时，由于种子与窝眼轮型孔适配性差，依然存在充种性能差、播种效率低等问题。为了提高三七精密播种性能、降低成本和损失，本文使用离散元软件EDEM模拟分析各级种子在不同型孔尺寸窝眼轮排种器中的充种情况和性能，并通过台架试验探究各分级三七种子与其适配窝眼轮排种器型孔尺寸之间的规律，为三七精密播种机排种器的设计提供理论依据。

1 三七种子状况与分级 1.1 种子状况

选取云南省文山州七丹药业种植基地的三七种子，如图1所示。所选三七种子密度为1 100 kg/m³，其球度为90.86%，近似球体，未分级时种子的长轴、宽轴和高轴尺寸集中分布范围为5.2~7.2、4.8~6.8和4.0~6.0 mm，含水率(w)为60%，休止角为34.8°，内摩擦角为27.9°^[9]。

1.2 种子分级

试验仪器：标准振筛机(型号XSB-88、筛机振幅为8 mm、回转半径12.5 mm、电机功率0.37 kW)，电子游标卡尺(精度为0.01 mm)，圆孔筛等。

本研究主要目的是探究分级三七种子与窝眼轮排种器型孔尺寸的适配性对充种性能的影响，确定各级种子的适配型孔尺寸并找出三七种子与适配型孔尺寸间的关系规律，因此首先需采用分级设备对三七种子进行分级，以保证分级后同级三七种子形状规则、尺寸范围一致，使排种器试验时达到最佳充种效果。

种子等物料分级由标准振筛机与分样筛等设备完成。根据GB/T 12620—2008^[10]可知，当前对谷物、油料、饲料以及种子清选分级的筛孔形状不一，综合而言主要分为长圆孔、长方孔、圆孔3类。三七种子近似球体，可采用圆孔筛。如图2所示，圆孔筛片分为T_a、T_b型2类，前者用于种子直径(D)＞3 mm物料的筛分，后者用于种子D＜3 mm物料的筛分。三七种子D平均为5.62 mm^[9]，因此选用圆孔T_a型筛片对三七种子进行清选分级。

对三七种子进行分级时，圆孔筛上层筛孔孔径为7.5 mm、下层筛孔孔径为4.5 mm，上下相邻两层分样筛孔径差为0.5 mm，共7层，当种子直径处在上层筛片圆孔孔径与下层筛片圆孔孔径之间时，即可按筛片尺寸区间对种子进行分级。利用圆孔筛对三七种子进行分级时，筛分面积为筛面上筛片的总面积与整个有效工作总面积(冲孔部分面积)之比^[11]。任意选取图2a中由圆孔组成的六边形，则分样筛筛分面积可由下式导出：

$ S = \frac{{\dfrac{{3\pi }}{4}{d^2}}}{{\dfrac{3\sqrt 3}{2} {D^2}}} \times 100{\text{%}} = \dfrac{{{d^2}}}{{{D^2}}} \times 90.7{\text{%}}\text{，} $

(1)

式中，S为筛分面积，d为筛孔直径，D为正六边形边长。

取d为7.5 mm、D为10 mm时，根据公式(1)可以计算出最小筛分面积(S_min)为51.01%。利用标准振筛机与圆孔分样筛对三七种子进行分级，筛分后的三七种子分为6级，即种子直径4.5~5.0、5.0~5.5、5.5~6.0、6.0~6.5、6.5~7.0和7.0~7.5 mm。参照GB/T3543.6—1995^[12]测得分级后三七种子的含水率(w)为59.39%。统计各分级段种子数量，结果表明，5.0~7.0 mm粒径分级段的种子占所筛分种子总数的95%左右。故采用5.0~7.0 mm之间4个分级段的种子进行试验。

在各分级段种子中随机抽取200粒种子，采用电子游标卡尺对种子长轴、宽轴和高轴进行测量，使用SPSS软件统计分析测量的数据，去掉5%的特大粒和5%的极小粒后^[13]，结果见表1。

2 排种器结构及工作原理 2.1 排种器结构

采用窝眼轮排种器，其结构示意图如图3所示，主要由护种板、种箱侧板、毛刷轴、清种毛刷、种箱前侧板、种箱后侧板、窝眼轮、排种轴、投种片等组成，其中窝眼轮、护种板采用3D打印技术加工。

2.2 排种器的工作原理

窝眼轮排种器的工作原理：窝眼轮转动时，种子与窝眼轮之间形成速度差使种子滚入窝眼轮型孔内，经清种毛刷刷去多余种子，而后种子随窝眼轮沿护种板转到下方，在自身重力或投种片强制作用下投入种沟，完成排种过程。

2.3 窝眼轮型孔参数

窝眼轮排种器工作时，其型孔尺寸和形状直接影响种子在种箱中的充种性能。为提高各级三七种子在窝眼轮型孔中的单粒率，窝眼轮型孔尺寸与三七种子尺寸的适配度十分重要。为使容纳单粒种子的型孔内不同时滚入2粒及以上种子，其型孔直径和深度必须满足以下条件^[14-16]：

$ {l_{{\rm{max}}}} \text{≤} L \text{＜} 2{l_{{\rm{min}}}}\text{，} $

(2)

$ {h_{{\rm{max}}}} \text{≤} H \text{＜} 2{h_{{\rm{min}}}}\text{，} $

(3)

式中，l、h分别为三七种子长轴尺寸和高轴尺寸，L、H分别为窝眼轮型孔的直径和深度。

将表1数据代入式(2)和式(3)，确定4类型孔参数，如表2所示。

地轮与排种器之间传动比(i)的计算公式如下：

$ i = \frac{{zA}}{{\pi d^\prime\left({1 + \delta } \right)}}\text{，} $

(4)

式中，z为三七之间的株距，δ为地轮滑移率，A为窝眼轮型孔数，d'为地轮的直径。

三七播种农艺要求行距和株距均为50 mm，本试验中窝眼轮排种器直径为120 mm，三七精密播种机地轮直径为275 mm，地轮与排种器之间传动比为1.1。根据前期试验并结合云南文山州三七种植区域土壤状况，得到地轮滑移率(δ)为5.27%，将上述数据代入式(4)中计算后，确定出窝眼轮型孔数为20。

3 试验与结果分析 3.1 仿真试验与结果

采用离散元软件EDEM进行模拟分析。离散元法是一种处理非连续介质问题的数值模拟方法^[17]，可用于进行离散颗粒体的仿真运动分析，目前已广泛应用于离心式排种器^[18]、水平圆盘式排种器^[19]、指夹式排种器^[20]等研究之中。与传统试验方法相比，该方法具有试验周期短、成本低等特点。

3.1.1 窝眼轮排种器模型的建立

使用三维建模软件SolidWorks建立窝眼轮排种器的三维模型，将其保存为“.stp”格式后导入EDEM软件。在EDEM软件中，定义种箱侧板与投种片为不锈钢材料、毛刷为猪鬓材料、窝眼轮与护种板为尼龙材料，将此模型在EDEM软件中网格化，结果如图4所示。

3.1.2 三七种子模型的建立

确定三七种子在排种器中的充种过程十分重要，利用离散元软件EDEM可以观察种子的充种过程和运动状态。为最大限度得到真实的仿真结果，采用组合球法建立三七种子离散元颗粒模型，建成后的种子模型如图5所示。

3.1.3 模型变量参数的设定

由于三七种子、猪鬓、尼龙材料及不锈钢之间无黏附性，因此种子与种子、种子与窝眼轮、种子与种箱侧板、种子与毛刷之间均选用Hertz-Mindlin(no slip)接触模型^[17,21]，模型参数见表3。

3.1.4 仿真结果分析

建立EDEM颗粒工厂，根据表3数据设置材料数据及颗粒间接触参数，根据表1数据导入种子颗粒模型并设置其产生方式为静态填充，产生数量为5 000粒；添加窝眼轮和清种毛刷的运动参数，设置窝眼轮转速为35.2 r·min⁻¹，清种毛刷转速为105.5 r·min⁻¹，转动方向相同；仿真Rayleight时间步长百分比为10%，输出时间步长为0.01 s，总时间为6 s(其中0~1 s为颗粒生成时间段，其余为充种时间段)，网格尺寸为最小颗粒半径的2.5倍。

仿真时，种子在种箱充种区充种作业时会出现单粒充种、漏种、2粒及多粒以上重复充种等现象，如图6所示。窝眼孔最大限度地实现单粒充种是排种器进行精密播种的重要环节。因此，在仿真时，三七种子在窝眼轮排种器中实现单粒充种是考察种子与窝眼轮排种器型孔适配程度的重要指标。

各级三七种子在不同型孔尺寸窝眼轮中进行3次仿真试验后，分别统计出200粒各级种子在窝眼轮中充种时的合格粒数、漏播粒数与重播粒数，取3次试验平均值，按文献[22]计算出种子合格指数、漏播指数与重播指数，各级种子在不同型孔尺寸窝眼轮排种器中具体充种情况及相应变化趋势如图7所示。由图7可知，就同级种子充种情况而言，其在各型孔尺寸窝眼轮中差异显著，5.0~5.5 mm分级段种子在各型孔尺寸窝眼轮中充种时，合格指数由高到低为7.5 mm轮>8.5 mm轮>8.0 mm轮>7.0 mm轮，漏播指数由低到高为8.0 mm轮<8.5 mm轮<7.5 mm轮<7.0 mm轮，重播指数由低到高为7.5 mm轮<7.0 mm轮<8.5 mm轮<8.0 mm轮。以合格指数最优指标确定最佳充种性能，综合比较分析，5.0~5.5 mm分级段种子在窝眼轮型孔尺寸为7.5 mm时充种性能最佳，其合格指数、漏播指数、重播指数分别达到97.99%、1.67%和0.34%。当型孔尺寸为7.0 mm时，型孔尺寸的限制使得该级粒径较大的种子在充种过程中滚入相应型孔的概率降低，造成漏充，进而使该级种子在该型号窝眼轮中合格指数下降，充种性能降低；当型孔尺寸＞7.5 mm时，随着型孔尺寸的增加，充种过程中每粒种子滚入型孔的机会增加，使得漏播指数降到很低的水平，但重播现象亦会随着种子充种概率的增大而增加，造成重播指数升高，导致合格指数随之下降。5.5~6.0、6.0~6.5 mm分级段种子在窝眼轮型孔尺寸为8.0 mm时充种性能最佳，5.5~6.0 mm分级段种子的合格指数、漏播指数和重播指数分别为97.83%、1.83%和0.34%，6.0~6.5 mm分级段种子则分别为98.67%、0.99%和0.34%；6.5~7.0 mm分级段种子在窝眼轮型孔尺寸为8.5 mm时充种性能最佳，其合格指数、漏播指数、重播指数分别为98.5%、0.67%和0.83%。

综上所述，在窝眼轮与清种毛刷转速相同的情况下进行排种仿真试验，对于同级三七种子，窝眼轮型孔尺寸是影响充种性能的重要因素，窝眼轮排种器型孔尺寸为7.0 mm时，各级种子在其种箱内充种性能较差，进而影响排种性能，窝眼轮型孔尺寸＞7.5 mm时，各级种子均有适配型号的窝眼轮排种器，其在种箱内充种性能良好，合格指数高。

3.2 验证试验与结果

在昆明理工大学农业与食品学院农机实验室进行排种性能验证试验，如图8所示。验证试验中设置窝眼轮转速为35.2 r·min⁻¹、清种毛刷转速为105.5 r·min⁻¹(窝眼轮与清种毛刷之间为链传动，两者传动比为1︰3)，与仿真参数设置相同，随机选取各级三七种子5 000粒，并分别进行3次试验验证，统计200粒种子在窝眼轮排种器中充种后的合格粒数、漏播粒数以及重播粒数，并取3次试验平均值，依此数据分别计算出其合格指数、漏播指数与重播指数，分析后可得三七种子在窝眼轮中的充种情况如图9所示。

对比图7和图9发现，试验中各项性能指标与仿真结果相比均有所下降，但两者大致趋势走向一致。图9表明，窝眼轮型孔尺寸为7.0 mm时，各级种子在其种箱内充种性能较差，合格指数呈降低趋势，漏播指数、重播指数呈上升趋势。窝眼轮型孔尺寸为7.5 mm时最适于5.0~5.5 mm分级段种子充种，其合格指数、漏播指数、重播指数分别达到97.83%、1.67%和0.50%；窝眼轮型孔尺寸为8.0 mm时最适于5.5~6.0和6.0~6.5 mm分级段种子充种，其合格指数、漏播指数、重播指数前者分别达到95.83%、2.00%、2.17%，后者分别达到98.33%、1.00%、0.67%；窝眼轮型孔尺寸为8.5 mm时最适于6.5~7.0 mm分级段种子充种，其合格指数、漏播指数、重播指数分别达到98.50%、0.33%和1.17%。以上结果虽与前述仿真结果有一定差异，但在反映种子粒径尺寸与窝眼轮型孔尺寸之间关系的结果是一致的。

综上所述，随着各级三七种子粒径的增加，适于其充种的窝眼轮型孔尺寸亦发生变化，因此，合理确定窝眼轮的型孔尺寸与种子粒径关系对于提高三七种子的充种性能和播种效率至关重要。对各分级段的三七种子与相应窝眼轮排种器的型孔尺寸之间的关系进行分析，可得如下等式：

$ L = 0.58l + 4.28\text{，} $

(5)

$ H = 0.75h + 3.96\text{，} $

(6)

式中，L：窝眼轮排种器型孔直径；l：不同分级段三七种子平均长轴；H：窝眼轮排种器型孔深度；h：不同分级段三七种子平均高轴。

计算可知窝眼轮排种器型孔尺寸与三七种子粒径之间呈线性关系，R₁=0.937 3，R₂=0.878 1。

4 结论

1)采用标准振筛机与圆孔筛将三七种子分为4级，通过电子游标卡尺测量分级后三七种子的三轴尺寸，并依此数据进行窝眼轮排种器型孔参数设计。

2)借助离散元软件EDEM，进行各级种子与不同型孔尺寸排种器充种过程仿真分析。按照仿真建模参数利用3D打印技术加工各型号排种器，进行台架试验。综合仿真结果与台架试验结果，在窝眼轮转速为35.2 r·min⁻¹、清种毛刷转速为105.5 r·min⁻¹时，种子与窝眼轮型孔是否适配是影响充种性能的重要因素，同级种子在适配型孔窝眼轮中充种时合格指数远远大于非适配型孔窝眼轮。以合格指数为最优指标，分析各级种子在不同型孔尺寸排种器中的合格指数、漏播指数与重播指数，得出各级种子充种时适配窝眼轮型孔尺寸：5.0~5.5、6.5~7.0 mm分级段三七种子适配窝眼轮型孔尺寸分别为7.5和8.5 mm，5.5~6.0和6.0~6.5 mm分级段三七种子适配窝眼轮型孔尺寸均为8.0 mm。各级种子在其适配型孔窝眼轮中充种时，其合格指数均大于95.83%，漏播指数和重播指数均分别小于2.00%和2.17%，充种性能满足三七精密播种的农艺要求。

3)分析各级三七种子尺寸数据及其适配排种器型孔尺寸数据，确定了种子长轴(l)与型孔直径(L)的线性关系式为L=0.58l+4.28，种子高轴(h)与型孔深度(H)之间的线性关系式为H=0.75h+3.96，为三七窝眼轮排种器型孔尺寸的设计提供了依据。