王 磊，席日晶，廖宜涛，张青松，肖文立，廖庆喜

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

0 引 言1

油菜是中国主要的油料作物之一，在长江中下游和新疆等地区均有广泛种植[1-4]。随着油菜产业发展政策支持及农业生产新型经营主体对油菜规模化经营、机械化生产的需求，发展高速、宽幅的高效油菜播种机将成为各油菜种植地区的油菜主要技术需求[5-7]。气送式播种机因适应于高速、宽幅播种，在国内外已广泛应用，因其集中供种、排种，地表坡度对其供种、排种性能有较大影响[8-11]。根据耕地坡度等级划分，耕地坡度为0～5°时，不仅影响播种开沟器的播种深度[12-14]，对气送式集排器的供种、排种性能均会造成显著影响。

为提高播种机及排种器的作业稳定性及对不同地表工况的适应性，刘宏新等[15]设计了地轮中置式高机动性宽幅农具机架，通过仿真模拟提高了机具在地表起伏下的作业效果；王奇等[16]为研究播种机在免耕地表作业时的振动特性及振动对排种器排种性能的影响，建立了整机振动特性模型；雷小龙等[17-19]设计了油麦兼用型气送式集排器，开展了排种器仿真分析及结构优化；张晓辉等[20]为提高小麦播种机幅宽及播种均匀性，开展了气力式集排器排种分配系统的设计，运用流体力学仿真分析了排种器参数对气流场的影响；Yatskul[21-22]针对宽幅播种机作业工况，开展了集中分配器结构尺寸对气送式集排器排种均匀性影响的研究；Han 等[23]运用DEM-CFD气固耦合仿真分析了型孔位置、尺寸、平均弧长对内充种式玉米精量排种器排种性能的影响。综上，现有对播种机研究主要针对整机及排种器在平整地表作业下的优化改进设计，而作业地表坡度对播种机排种性能影响的研究鲜见报道。

本文针对油菜种植区域作业方向地表坡度变化范围较大，影响油菜宽幅精量免耕播种机播种质量的问题，应用EDEM 软件建立了供种装置地表坡度和供种装置转速与供种速率之间的数学模型，利用DEM-CFD耦合仿真分析地表坡度对集中分配器各行排种粒数一致性的影响。采用智能种植机械测试平台模拟地表上坡、下坡等工况对气送式油菜宽幅精量免耕播种机排种性能的影响规律，以期确定供种量、供种装置转速与地表坡度的匹配关系，于连续上坡时降低供种装置转速，连续下坡时提高供种装置转速，实现有坡度地表的排种量与平整地表的排种量一致，为播种机及气送式集排器结构优化以满足不同地表坡度下的播种作业提供参考。

1 总体结构及有坡度地表的播种工作原理

1.1 总体结构

油菜宽幅精量免耕播种机主要由地轮、机架、高压风机、种肥箱、气送式排肥器、气送式集排器、施肥开沟器、播种开沟器等组成。气送式排种系统主要由高压风机、气流分配管、种箱、供种装置、等分送料装置、集中分配器等组成，播种机及气送式排种系统结构如图1所示。

图1 宽幅精量免耕播种机及气送式排种系统结构示意图 Fig.1 Structural diagrams of the broad width precision no-tillage planter and air-assisted metering system

1.2 有坡度地表的工作过程及原理

播种机在有坡度地表作业时，在上坡过程中向后倾斜，下坡过程中向前倾斜，如图2 所示。作业中，气送式集排器随播种机一并倾斜，种箱中的种子落入供种装置，供种装置单位时间内因地表坡度而变化的供种量进入等分送料装置，高压风机产生的正压气流经气流分配管进入等分送料装置与种子混合，形成气固两相流，气流的吹送力裹挟种子经两侧送料管上升进入2 个集中分配器分配成行，集中分配器中种子因地表坡度的影响难以均匀从各排种口中排出，导致经排种口及输种管至开沟器的种子各行一致性变差，影响播种质量。播种机主要技术参数如表1 所示。

图2 播种机在有坡度地表的作业过程示意图 Fig.2 Schematic diagram of operation process of planter on sloped ground

表1 油菜宽幅精量免耕播种机主要技术参数 Table 1 Main technical parameters of broad width precision no-tillage planter for rapeseed

2 气送式集排器及排种随机过程分析

2.1 供种装置结构及力学分析

油菜供种装置主要由硅胶刮种板、卸种板、充种室、种量调节板、种量调节弹簧、供种壳体、种箱、种子密封板、传动轴、播量调控轮、外切圆弧型孔轮、隔板等组成，如图3 所示。

图3 供种装置结构示意图 Fig.3 Structural diagrams of the seed feeding device

供种装置的工作过程包括充种、携种和投种[24]，油菜种子由充种区至携种区的瞬时受力如图4 所示，该时刻型孔与充种室内的种子间作用力消失，型孔内种子所受的力为型孔内种子群的相互作用力及种子与型孔壁面的作用力。假设油菜种子为球形，以携种区型孔内最接近充种室的种子为受力质点，基于型孔轮廓为3 段外切圆弧，质点与型孔壁面相切，建立质点经充种区至携种区的瞬时受力平衡方程：

由式（1）可得：

式（1）～（2）中，m 为质点质量，kg；μ1为质点与型孔壁面的摩擦因数；μ2为种子间摩擦因数；g 为重力加速度，m/s2。

根据式（1）～（2）可知，为保证种子由充种区至携种区时不被从型孔中抛出，y 轴方向的重力、型孔内剩余种子的作用力及型孔壁作用力的合力应大于种子的惯性离心力。在有坡度地表，当播种机的倾斜角度与供种轮转动方向相同时，y 轴与水平面的夹角δ 增大，型孔内剩余种子对质点摩擦力与y 轴的夹角α、y 轴与型孔壁对质点的摩擦力的夹角β 均减小，重力在y 轴上的分力Gsinδ、型孔内剩余种子对质点的摩擦力在y 轴上的分力Fkcosα、型孔壁对质点的摩擦力在y 轴上的分力Ffcosβ均增大，型孔壁对质点的支持力在y 轴上的分力Fnsinβ减小，降低了种子从型孔中抛出的概率；如果播种机的倾斜角度与供种轮转动方向相反，y 轴与水平面的夹角δ减小，型孔内剩余种子对质点摩擦力与y 轴的夹角α、y轴与型孔壁对质点的摩擦力的夹角β 均增大，增加了种子从型孔中抛出的概率。为保证种子由充种区至携种区不从型孔中滑落到充种室内，种子在x 轴方向所受的力应保持平衡。在有坡度地表，播种机倾斜角度与供种轮转动方向相同时，型孔壁对种子的摩擦力Ff、型孔内剩余种子的摩擦力Fk在x 轴上的分力均增大，降低了种子从型孔中滑落到充种室内的概率；如果播种机倾斜角度与供种轮转动方向相反，型孔壁对种子的摩擦力Ff、型孔内剩余种子的摩擦力Fk在x 轴上的分力均减小，增加了种子从型孔中滑落到充种室内的概率。

图4 型孔中的质点受力示意图 Fig.4 Force diagram of particle in type hole

根据受力分析结果可知，播种机作业方向的地表坡度方向与供种轮转动方向相同时，地表坡度越大，种子越不容易从型孔中滑落和被抛出；地表坡度方向与供种轮转动方向相反时，地表坡度倾斜角度越大，种子越容易从型孔中滑落和被抛出。

2.2 集中分配器结构及力学分析

集中分配器主要由弧形盖、集中分配器主体、排种口、送料管等组成，如图5a 所示。

气流裹挟种子经送料管进入集中分配器主体，种子撞击弧形盖后随机进入排种口，种子在撞击弧形盖后受重力、浮力、Bssset 力、Magnus 升力，压力梯度力、气流阻力的共同作用[25]。由于分配器主体中种子群的受力及运动规律基本相同，为更好地分析地表坡度对集中分配器中种子输送过程的影响，取分配器主体中心点的油菜种子质点进行受力分析。在均匀稳定的气固两项流中，与种子所受气流阻力相比，气流对种子的其他作用力可忽略不计，简化质点的受力如图5b 所示。建立质点的受力平衡方程：

由式（3）可得种子在x 轴方向的加速度为

式中a 为质点在x 轴方向加速度，m/s2。

根据气固两相流中固体颗粒的受力规律，对于倾斜条件下的分配器主体中心质点，气流对种子右侧的阻力与左侧阻力相等，种子的重力加速度在倾斜方向的加速度分量gsinθ 打破了分配器在无倾斜状态下种子随机均匀分配到各排种口的趋势，增加了种子向x轴正方向即倾斜方向运动的趋势，增加了x 轴正方向排种口的排种量，从而使种子从位于x 轴正方向的排种口排出概率增加。

图5 集中分配器及种子质点的受力分析 Fig.5 Central distributor and force analysis of seed particle

2.3 气送式集排器排种随机过程分析

气送式集排器排种过程分为供种环节和排种环节。根据随机过程中的平稳随机过程理论，建立排种过程的随机过程模型。以供种装置60 s 的供种质量表示供种速率Vg：

式中Vg为供种速率，g/min；tg为一个供种周期，s；Tg为供种环节的总供种时间，s。

以集中分配器60 s 内各排种口的排种质量表示排种速率Vp：

式中Vp为排种口排种速率，g/min；tp为一个排种周期，s；Tp为排种环节的总排种时间，s。

由式（5）～（6）可知，当播种机作业地表平整、排种器供种装置转速稳定时，供种速率Vg和排种速率Vp不受供种周期tg和排种周期tp影响，供种速率Vg和排种速率Vp均为随机过程中的平稳过程。

基于联合平稳随机过程理论，结合式（5）～（6）有：

式中Vh为整个排种过程的排种速率，g/min；th为完成一个排种过程的时间，s；Th为整个排种过程的排种时间，s。

当作业地表具有坡度时，基于对排种过程种子的力学分析可知，供种环节的供种速率Vg和排种环节的排种速率Vp随供种周期tg和排种周期tp的变化而改变，供种环节和排种环节不再为随机平稳过程，破坏了气送式集排器排种过程的随机平稳过程，影响排种均匀性和各行排种量一致性。

3 地表坡度对气送式集排器排种性能的影响

为明确地表坡度导致的播种机倾斜对气送式集排器供种装置的供种性能及集中分配器排种性能的影响，运用EDEM 仿真分析地表坡度倾斜角度和供种装置转速对供种装置供种速率的影响；运用DEM-CFD 耦合仿真分析地表坡度对集中分配器各排种口排种粒数及各行排种粒数一致性的影响。

3.1 地表坡度对供种性能影响的仿真分析

3.1.1 仿真模型

将仿真模型的几何体分为外壳与供种轮2 个模块，外壳材料为铝合金，供种轮材料为ABS 工程树脂[26]。仿真模型如图6 所示。

图6 供种装置仿真模型 Fig.6 Simulation model of seed feeding device

3.1.2 仿真试验方法

结合田间播种试验并参照GB/T 6973—2005“单粒（精密）播种机试验方法”[27-28]开展供种装置转速与地表坡度双因素试验，综合考虑播种机田间作业效率及变量调节装置的调速范围，供种装置转速确定为 20 ～40 r/min，每间隔10 r/min 为一个水平；以y 轴为倾斜轴，x 轴正方向为负角度倾斜方向，选取地表坡度为-5°～5°，每间隔1°为一个水平。试验重复5 次，仿真时间为8 s，选取稳定供种的3～6 s 的供种数据进行分析，油菜品种为华油杂62，千粒质量为4.67 g。

3.1.3 仿真试验结果分析

地表坡度、供种装置转速与供种速率之间的关系曲面如图7 所示。

图7 地表坡度和供种装置转速对供种速率的影响 Fig.7 Effects of land slope and rotation speed of seed feeding device on seed feeding rate

由图7 可知，供种速率随地表坡度的增加而逐渐减小，破坏了供种装置供种环节的随机平稳过程。地表坡度角绝对值|θ|为0°～2°时，供种环节的供种速率相对无倾斜时的变化量低于25%，对供种速率影响较小；|θ|为3°～5°时，供种速率相对无倾斜时的变化量达50%，对供种速率影响较大。相同地表坡度角下，供种装置转速越高，供种速率相对变化值越小；负向地表坡度相对无倾斜的供种速率增加量高于正向地表坡度。

利用Matlab 软件中的Cftool 工具箱对试验数据进行二元回归拟合，得出地表坡度角、供种装置转速对供种速率影响的数学模型为

式中qn为供种速率，g/min；xn为地表坡度角，（°）；xvn为供种装置转速，r/min。

经显著性检验，式（8）回归模型显著(P＜0.01)，表明回归方程与仿真结果相符，能较好地描述仿真结果。实际播种作业中，可将确定的播种质量和地表坡度值带入式（8），确定播种时的供种量、供种装置转速与地表坡度角的匹配关系，在连续上坡时降低供种装置转速，连续下坡时提高供种装置转速，实现有坡度地表具作业时排种量与平整地表作业的排种量一致，以满足坡地播种质量。

3.2 地表坡度对排种性能影响的仿真分析

采用ANSYS Fluent 17.0 和EDEM 2018 软件开展DEM-CFD 气固耦合仿真[29-30]，分析集中分配器中气流对各排种口排种量的影响。

利用Workbench 17.0 的ICEM 非结构化方法自动划分集中分配器网格[29-30]。送料管入口设为气流与种子速度入口，排种口设为气流与种子出口。集中分配器仿真结构如图8 所示。集中分配器倾斜时，以y 轴为倾斜旋转轴，x 轴为倾斜方向，集中分配器绕z 轴旋转，对各排种口编号，如图8，根据图中几何关系，Hi＜Hn＜Hm。

图8 集中分配器仿真模型 Fig.8 Simulation model of central distributor

集中分配器发生倾斜时，排种环节的随机平稳过程被破坏。集中分配器各排种口的排种量和气流速度分布如图9 所示。

图9 无倾斜和倾斜5°时集中分配器各排种口的排种粒数和 气流速度分布 Fig.9 Seeding numbers of each seed outlet and distribution of airflow velocity of central distributor with no tilt or tilt 5°

统计各排种口前6 s 的排种粒数，以各排种口排种粒数表征地表坡度对各行排种量一致性的影响。各行排种粒数一致性变异系数计算式为

式中Sn为各排种口排种粒数的标准差；Xn为各排种口排种粒数平均值；Vn为各行排种粒数一致性变异系数，%。

基于仿真结果和式（9），得到集中分配器各排种口排种粒数和不同地表坡度角下各行排种粒数一致性变异系数，如图10 所示。

图10 不同地表坡度下各排种口排种粒数及其一致性变异系数 Fig.10 Seeding numbers of each seed outlet and it’s uniformity variation coefficient under different land slopes

根据试验结果可知，排种口2～6 与排种口8～12 的排种粒数随地表坡度的增加而逐渐增大，表明在播种机倾斜状态下，位置较低的排种口排种数量多，倾斜角度越大，各排种口的排种量差异越大；各行排种粒数一致性变异系数为4.95%～14.91%，并随播种机倾斜角度的增大而逐渐增加；根据气流速度分布可知，播种机倾斜角度不影响各排种口的气流速度分布均匀性，各行排种粒数一致性变异系数的差异是由于种子的重力加速度在x 轴正方向的分量破坏了各排种口的排种随机过程而导致的，倾斜角度越大，随机平稳过程破坏越严重，排种粒数一致性变异系数越大。

4 地表坡度对播种机排种性能影响的模拟试验

4.1 试验设备

为明确播种机在田间不同地表坡度下的作业效果，并验证仿真试验的合理性，在华中农业大学工程训练中心开展不同地表坡度下播种机在作业方向前后倾斜对油菜宽幅精量免耕播种机排种性能影响的模拟试验。试验设备为智能种植机械测试平台，试验装置如图11 所示。该平台可模拟并实时显示田间作业工况下播种机在地表的工作状态，可实现播种机沿作业方向前后、左右各-5°～5°的倾斜、往复摆动，前后、左右各0°～5°或-5～0°单向摆动，前后、左右各-5°～5°任意组合摆动。测试平台技术参数如表2 所示。

图11 种植机械智能测试平台 Fig.11 Intelligent test platform for planting machines

表2 种植机械智能测试平台主要技术参数 Table 2 Main technical parameters of intelligent test platform for planting machines

4.2 试验方案

根据油菜宽幅精量免耕播种机实际田间作业工况，播种机在沿作业方向有坡度地表的前后倾斜存在如下状态：①地表坡度一定，播种机的倾斜方不变，为连续上坡或连续下坡；②播种机沿地表上坡、下坡交替变换，倾斜角度随机变化；③播种机仅上坡或下坡，随机变换倾斜角度。为更好地研究地表坡度对排种性能的影响规律，状态①简化为作业方向与地表坡度倾斜一致，状态②简化为沿作业方向前后往复摆动倾斜，状态③简化为沿作业方向前或后单向摆动。试验中以作业方向为倾斜、摆动方向的负向。

试验中2 个集中分配器对称安装在播种机左右轴中心，由于播种机倾斜对集中分配器的排种性能影响规律相同，故将2 个集中分配器的相同倾斜状态排种口的排种结果合并分析，集中分配器的排种口编号与图8 相同。基于油菜种植区域播量农艺要求，设定供种装置转速为30 r/min，用尼龙网袋收集2 个集中分配器60 s 内各排种口的排种质量，计算各地表坡度状态的供种速率、供种速率稳定性变异系数、各行排种质量、各行排种量一致性变异系数。

作业方向与地表倾斜方向一致的单因素试验中，地表坡度角为-5°～5°，每间隔1°为一个水平，试验重复5次，供种速率为qn。

沿作业方向前后往复摆动的单因素试验中，试验水平为-5°～5°、-4°～4°、-3°～3°、-2°～2°、-1°～1°，试验重复5 次，供种速率为ym。

沿作业方向前或后单向摆动的单因素试验中，试验水平为-5°～0°、-4°～0°、-3°～0°、-2°～0°、-1°～0°、0°～1°、0°～2°、0°～3°、0°～4°、0°～5°，试验重复5 次，供种速率为zu。

4.3 试验结果与分析

每次试验结束，送种装置、送料管、集中分配器内均无残留种子，表明播种机倾斜状态对气送式集排器种子流的通过性无影响。

4.3.1 播种机作业方向与地表倾斜方向一致时的排种性能分析

图12 为播种机作业方向与地表倾斜方向一致时的供种速率及其变异系数。由图12 可知，供种速率qn随地表坡度角的增大而逐渐减少，与EDEM 仿真试验的变化趋势相同；供种速率稳定性变异系数与无倾斜时基本一致，表明连续上坡或下坡对供种速率稳定性影响较小。将台架试验的转速和倾斜角度带入式（8），得出理论供种速率与台架试验供种速率的平均误差为4.28%，表明式（8）可用于描述地表坡度、排种量与供种装置转速的关系。

图12 播种机作业方向与地表倾斜方向一致时的供种速率及其变异系数 Fig.12 Seed feeding rate and its CV under the condition that the operating direction of planter consistent with tilt direction of land surface

图13 为不同地表坡度下各排种口排种质量及其一致性变异系数。由图13 可知，各行排种质量一致性变异系数随地表坡度角绝对值的增大而逐渐增大。各排种口的排种总质量随地表坡度角的增大而逐渐减小，与供种装置的供种速率变化规律一致。地表负向倾斜时，排种口2～6与排种口8～12 的平均排种质量差值随|θ|的增大而逐渐增大，各行排种质量一致性变异系数为4.76%～13.85%；地表正向倾斜时，排种口8～12 与排种口2～6 的排种质量差值随θ 的增大而逐渐增大，各行排种质量一致性变异系数为4.76%～13.65%。各排种口排种质量及其一致性变异系数随地表坡度的变化规律与DEM-CFD 耦合仿真结果相同，表明DEM-CFD 仿真结果可信。

图13 不同地表坡度下各排种口排种质量及其一致性变异系数 Fig.13 Seeding quality of each seed outlet and its uniformity variation coefficient under different land slopes

4.3.2 播种机沿作业方向前后往复摆动的排种性能分析

图14 为播种机沿作业方向前后往复摆动下的供种速率及其变异系数。由图可知，往复摆动角度范围越小，往复摆动的供种速率ym越小。往复摆动-5°～5°时，供种速率ym比无倾斜时增加16.31%，往复摆动对供种速率有较大影响。供种速率变异系数略高于无倾斜，表明播种机作业方向的地表坡度影响供种稳定性。

图14 播种机沿作业方向前后往复摆动对供种速率的影响 Fig.14 Effects of planter swing front and back along working direction on seed feeding rate

根据实际试验结果，结合图14 有：

式中m 为往复摆动角度的最大值，（°）；n 为地表坡度角，（°）。

将式（8）带入式（10）可得：

由式（11）可知，通过确定沿作业方向前后往复摆动的供种速率ym与地表坡度角和供种装置转速的匹配关系，可以保证播种作业中播种机沿作业方向连续上坡、下坡交替变换下的排种量与平整地表作业时一致。

图15 为播种机沿作业方向前后往复摆动下的各行排种质量及其一致性变异系数。由图15 可知，随着往复摆动角度范围的增大，供种速率变化量高于集中分配器倾斜引起的排种量变化，排种口2～6 与排种口8～12 的平均排种质量差随摆动角度范围的增加逐渐增大，各排种口的平均排种质量逐渐增加，各行排种质量一致性变异系数逐渐增大，变异系数为4.76%～10.27%，与前后往复摆动下供种速率ym的变化规律一致。

图15 播种机沿作业方向前后往复摆动时的各行排种质量及其一致性变异系数 Fig.15 Seeding quality of each seed outlet and its uniformity CV under the condition that the planter swing front and back along working direction

4.3.3 播种机沿作业方向向前或向后单向摆动的排种性能分析

图16 为播种机沿作业方向向前或向后单向摆动时的排种性能试验结果。由图16 可知，播种机沿作业方向负向摆动到正向摆动的过程中，供种速率逐渐减少，供种速率变异系数略高于无倾斜状态，表明播种机沿作业方向上坡或下坡过程中的随机倾斜会影响播种机的排种量稳定性。各排种口排种质量及其一致性变异系数的变化趋势与单一方向倾斜的变化趋势一致，但排种质量一致性变异系数大于无倾斜状态。各行排种质量一致性变异系数随前后单向摆动角度范围的增大而逐渐增大；正向摆动与负向摆动时，各行排种质量一致性变异系数变化规律相同；负向摆动时，各排种口排种质量随摆动角度的增加而逐渐增大；正向摆动时，各排种口排种质量随摆动角度的增加而逐渐减小，与供种装置供种速率随作业方向前后往复摆动的变化规律一致。单向负向摆动时，排种口2～6 与排种口8～12 的平均排种质量差值随摆动角度范围的增加而逐渐增大，各行排种质量一致性变异系数为6.84%～10.68%；单向正向摆动时，排种口8～12与排种口2～6 的平均排种质量差值随摆动角度范围的增加而逐渐增大，各行排种质量一致性变异系数为6.76%～10.71%。

根据播种机向前或后单向摆动的试验结果，结合图 16 有：

式中u 为单向往复摆动角度的最大值，（°）。

将式（8）带入式（12）可得：

由式（13）可知，通过确定沿作业方向前或后单向摆动的供种速率zu与地表坡度角和供种装置转速的匹配关系，可以保证播种作业中播种机沿作业方向仅上坡随机倾斜或仅下坡随机倾斜的排种量与平整地表时的排种量一致。

综上可知，随着作业方向地表坡度角的增加，供种速率逐渐减小；地表坡度角|θ|的最大值相同时，沿作业方向前或后单向摆动和沿作业方向前后往复摆动的各行排种质量一致性变异系数均低于播种机倾斜方向与地表坡度一致的性变异系数，这表明沿作业方向前后往复摆动和沿作业方向前或后单向摆动时的排种过程更趋于随机平稳过程。供种装置的供种速率随机平稳过程仅受地表坡度影响；地表坡度导致集中分配器的各行排种量差异，导致从供种装置进入分配器中的种量不均匀，故集中分配器的排种速率随机平稳过程受地表坡度和供种速率影响。

图16 播种机沿作业方向前或后单向摆动时各排种口排种质量及其一致性变异系数 Fig.16 Seed quality and its uniformity CV of each seed outlet under the condition that the planter swing front or back in one way along the working direction

基于地表坡度角、沿作业方向前后往复摆动角度、向前或后单向摆动角度、供种装置转速与供种速率的数学模型方程，可确定播种机沿地表坡度倾斜方向连续上坡或连续下坡、播种机沿作业方向随地表坡度连续上坡和下坡交替变换、播种机沿作业方向上坡单向随机倾斜或下坡单向随机倾斜时排种量与供种装置转速的匹配关系，以保证有坡度地表作业时的排种量与平整地表作业的排种量趋同，保持播种机随机平稳的排种过程。

5 结 论

为探究沿作业方向的地表坡度变化对油菜宽幅精量免耕播种机气送式集排器供种、排种性能的影响规律，本文以播种机及气送式集排器为研究对象，构建了不同地表坡度下种子与外切圆弧型孔、种子-气流与集中分配器间的力学模型，建立了气送式集排器供种速率和排种速率的随机过程模型，主要结论如下：

1）通过EDEM 仿真分析了地表坡度角对供种装置供种性能的影响，利用DEM-CFD 耦合仿真分析了地表坡度角对集中分配器排种性能的影响。仿真结果表明：以平整地表为基准，供种速率随地表坡度在-5°～5°内先增大而后逐渐减小，地表坡度绝对值为3°～5°时，供种速率相对无倾斜时的变化量达50%；各行排种粒数一致性变异系数随地表坡度角的增加而逐渐增大，各行排种粒数一致性变异系数为4.95%～14.91%。

2）利用种植机械智能测试平台模拟播种机田间作业时不同地表坡度下的作业效果，结果表明，仿真模型计算的不同地表坡度下的供种速率与台架试验结果的平均误差为4.28%，并建立了沿作业方向前后往复摆动的供种速率与地表坡度角和供种装置转速、沿作业方向前或后单向摆动的供种速率与地表坡度角和供种装置转速之间的数学模型，确定了不同地表坡度下，排种量与供种装置转速的匹配关系。

3）各行排种量一致性变异系数随地表坡度角绝对值的增加而逐渐增大，各行排种量一致性变异系数为4.76%～13.85%；播种机沿作业方向前后往复摆动时，各行排种量一致性变异系数随往复摆动角度范围的增加而逐渐增大，各行排种量一致性变异系数为 4.76%～10.27%；播种机沿作业方向前或后单向摆动时，各行排种量一致性变异系数随单向摆动角度范围的增大而逐渐增大，各行排种量一致性变异系数为6.76%～10.71%。

本研究可为气送式油菜宽幅精量免耕播种机供种装置转速、地表坡度角与供种速率的匹配关系提供参考。后续将针对地表左右倾斜对气送式播种机排种性能影响及提高气送式集排器对坡度地表作业工况适应性做进一步研究。