地表坡度對(duì)油菜寬幅精量免耕播種機(jī)排種性能的影響

王 磊，席日晶，廖宜濤，張青松，肖文立，廖慶喜

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

0 引 言1

油菜是中國(guó)主要的油料作物之一，在長(zhǎng)江中下游和新疆等地區(qū)均有廣泛種植[1-4]。隨著油菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策支持及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新型經(jīng)營(yíng)主體對(duì)油菜規(guī)?；?jīng)營(yíng)、機(jī)械化生產(chǎn)的需求，發(fā)展高速、寬幅的高效油菜播種機(jī)將成為各油菜種植地區(qū)的油菜主要技術(shù)需求[5-7]。氣送式播種機(jī)因適應(yīng)于高速、寬幅播種，在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用，因其集中供種、排種，地表坡度對(duì)其供種、排種性能有較大影響[8-11]。根據(jù)耕地坡度等級(jí)劃分，耕地坡度為0～5°時(shí)，不僅影響播種開(kāi)溝器的播種深度[12-14]，對(duì)氣送式集排器的供種、排種性能均會(huì)造成顯著影響。

為提高播種機(jī)及排種器的作業(yè)穩(wěn)定性及對(duì)不同地表工況的適應(yīng)性，劉宏新等[15]設(shè)計(jì)了地輪中置式高機(jī)動(dòng)性寬幅農(nóng)具機(jī)架，通過(guò)仿真模擬提高了機(jī)具在地表起伏下的作業(yè)效果；王奇等[16]為研究播種機(jī)在免耕地表作業(yè)時(shí)的振動(dòng)特性及振動(dòng)對(duì)排種器排種性能的影響，建立了整機(jī)振動(dòng)特性模型；雷小龍等[17-19]設(shè)計(jì)了油麥兼用型氣送式集排器，開(kāi)展了排種器仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化；張曉輝等[20]為提高小麥播種機(jī)幅寬及播種均勻性，開(kāi)展了氣力式集排器排種分配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用流體力學(xué)仿真分析了排種器參數(shù)對(duì)氣流場(chǎng)的影響；Yatskul[21-22]針對(duì)寬幅播種機(jī)作業(yè)工況，開(kāi)展了集中分配器結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)氣送式集排器排種均勻性影響的研究；Han 等[23]運(yùn)用DEM-CFD氣固耦合仿真分析了型孔位置、尺寸、平均弧長(zhǎng)對(duì)內(nèi)充種式玉米精量排種器排種性能的影響。綜上，現(xiàn)有對(duì)播種機(jī)研究主要針對(duì)整機(jī)及排種器在平整地表作業(yè)下的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，而作業(yè)地表坡度對(duì)播種機(jī)排種性能影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)油菜種植區(qū)域作業(yè)方向地表坡度變化范圍較大，影響油菜寬幅精量免耕播種機(jī)播種質(zhì)量的問(wèn)題，應(yīng)用EDEM 軟件建立了供種裝置地表坡度和供種裝置轉(zhuǎn)速與供種速率之間的數(shù)學(xué)模型，利用DEM-CFD耦合仿真分析地表坡度對(duì)集中分配器各行排種粒數(shù)一致性的影響。采用智能種植機(jī)械測(cè)試平臺(tái)模擬地表上坡、下坡等工況對(duì)氣送式油菜寬幅精量免耕播種機(jī)排種性能的影響規(guī)律，以期確定供種量、供種裝置轉(zhuǎn)速與地表坡度的匹配關(guān)系，于連續(xù)上坡時(shí)降低供種裝置轉(zhuǎn)速，連續(xù)下坡時(shí)提高供種裝置轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)有坡度地表的排種量與平整地表的排種量一致，為播種機(jī)及氣送式集排器結(jié)構(gòu)優(yōu)化以滿(mǎn)足不同地表坡度下的播種作業(yè)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)及有坡度地表的播種工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

油菜寬幅精量免耕播種機(jī)主要由地輪、機(jī)架、高壓風(fēng)機(jī)、種肥箱、氣送式排肥器、氣送式集排器、施肥開(kāi)溝器、播種開(kāi)溝器等組成。氣送式排種系統(tǒng)主要由高壓風(fēng)機(jī)、氣流分配管、種箱、供種裝置、等分送料裝置、集中分配器等組成，播種機(jī)及氣送式排種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 寬幅精量免耕播種機(jī)及氣送式排種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Structural diagrams of the broad width precision no-tillage planter and air-assisted metering system

1.2 有坡度地表的工作過(guò)程及原理

播種機(jī)在有坡度地表作業(yè)時(shí)，在上坡過(guò)程中向后傾斜，下坡過(guò)程中向前傾斜，如圖2 所示。作業(yè)中，氣送式集排器隨播種機(jī)一并傾斜，種箱中的種子落入供種裝置，供種裝置單位時(shí)間內(nèi)因地表坡度而變化的供種量進(jìn)入等分送料裝置，高壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的正壓氣流經(jīng)氣流分配管進(jìn)入等分送料裝置與種子混合，形成氣固兩相流，氣流的吹送力裹挾種子經(jīng)兩側(cè)送料管上升進(jìn)入2 個(gè)集中分配器分配成行，集中分配器中種子因地表坡度的影響難以均勻從各排種口中排出，導(dǎo)致經(jīng)排種口及輸種管至開(kāi)溝器的種子各行一致性變差，影響播種質(zhì)量。播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

圖2 播種機(jī)在有坡度地表的作業(yè)過(guò)程示意圖 Fig.2 Schematic diagram of operation process of planter on sloped ground

表1 油菜寬幅精量免耕播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù) Table 1 Main technical parameters of broad width precision no-tillage planter for rapeseed

2 氣送式集排器及排種隨機(jī)過(guò)程分析

2.1 供種裝置結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析

油菜供種裝置主要由硅膠刮種板、卸種板、充種室、種量調(diào)節(jié)板、種量調(diào)節(jié)彈簧、供種殼體、種箱、種子密封板、傳動(dòng)軸、播量調(diào)控輪、外切圓弧型孔輪、隔板等組成，如圖3 所示。

圖3 供種裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.3 Structural diagrams of the seed feeding device

供種裝置的工作過(guò)程包括充種、攜種和投種[24]，油菜種子由充種區(qū)至攜種區(qū)的瞬時(shí)受力如圖4 所示，該時(shí)刻型孔與充種室內(nèi)的種子間作用力消失，型孔內(nèi)種子所受的力為型孔內(nèi)種子群的相互作用力及種子與型孔壁面的作用力。假設(shè)油菜種子為球形，以攜種區(qū)型孔內(nèi)最接近充種室的種子為受力質(zhì)點(diǎn)，基于型孔輪廓為3 段外切圓弧，質(zhì)點(diǎn)與型孔壁面相切，建立質(zhì)點(diǎn)經(jīng)充種區(qū)至攜種區(qū)的瞬時(shí)受力平衡方程：

由式（1）可得：

式（1）～（2）中，m 為質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，kg；μ1為質(zhì)點(diǎn)與型孔壁面的摩擦因數(shù)；μ2為種子間摩擦因數(shù)；g 為重力加速度，m/s2。

根據(jù)式（1）～（2）可知，為保證種子由充種區(qū)至攜種區(qū)時(shí)不被從型孔中拋出，y 軸方向的重力、型孔內(nèi)剩余種子的作用力及型孔壁作用力的合力應(yīng)大于種子的慣性離心力。在有坡度地表，當(dāng)播種機(jī)的傾斜角度與供種輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同時(shí)，y 軸與水平面的夾角δ 增大，型孔內(nèi)剩余種子對(duì)質(zhì)點(diǎn)摩擦力與y 軸的夾角α、y 軸與型孔壁對(duì)質(zhì)點(diǎn)的摩擦力的夾角β 均減小，重力在y 軸上的分力Gsinδ、型孔內(nèi)剩余種子對(duì)質(zhì)點(diǎn)的摩擦力在y 軸上的分力Fkcosα、型孔壁對(duì)質(zhì)點(diǎn)的摩擦力在y 軸上的分力Ffcosβ均增大，型孔壁對(duì)質(zhì)點(diǎn)的支持力在y 軸上的分力Fnsinβ減小，降低了種子從型孔中拋出的概率；如果播種機(jī)的傾斜角度與供種輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，y 軸與水平面的夾角δ減小，型孔內(nèi)剩余種子對(duì)質(zhì)點(diǎn)摩擦力與y 軸的夾角α、y軸與型孔壁對(duì)質(zhì)點(diǎn)的摩擦力的夾角β 均增大，增加了種子從型孔中拋出的概率。為保證種子由充種區(qū)至攜種區(qū)不從型孔中滑落到充種室內(nèi)，種子在x 軸方向所受的力應(yīng)保持平衡。在有坡度地表，播種機(jī)傾斜角度與供種輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同時(shí)，型孔壁對(duì)種子的摩擦力Ff、型孔內(nèi)剩余種子的摩擦力Fk在x 軸上的分力均增大，降低了種子從型孔中滑落到充種室內(nèi)的概率；如果播種機(jī)傾斜角度與供種輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，型孔壁對(duì)種子的摩擦力Ff、型孔內(nèi)剩余種子的摩擦力Fk在x 軸上的分力均減小，增加了種子從型孔中滑落到充種室內(nèi)的概率。

圖4 型孔中的質(zhì)點(diǎn)受力示意圖 Fig.4 Force diagram of particle in type hole

根據(jù)受力分析結(jié)果可知，播種機(jī)作業(yè)方向的地表坡度方向與供種輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同時(shí)，地表坡度越大，種子越不容易從型孔中滑落和被拋出；地表坡度方向與供種輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反時(shí)，地表坡度傾斜角度越大，種子越容易從型孔中滑落和被拋出。

2.2 集中分配器結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析

集中分配器主要由弧形蓋、集中分配器主體、排種口、送料管等組成，如圖5a 所示。

氣流裹挾種子經(jīng)送料管進(jìn)入集中分配器主體，種子撞擊弧形蓋后隨機(jī)進(jìn)入排種口，種子在撞擊弧形蓋后受重力、浮力、Bssset 力、Magnus 升力，壓力梯度力、氣流阻力的共同作用[25]。由于分配器主體中種子群的受力及運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本相同，為更好地分析地表坡度對(duì)集中分配器中種子輸送過(guò)程的影響，取分配器主體中心點(diǎn)的油菜種子質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析。在均勻穩(wěn)定的氣固兩項(xiàng)流中，與種子所受氣流阻力相比，氣流對(duì)種子的其他作用力可忽略不計(jì)，簡(jiǎn)化質(zhì)點(diǎn)的受力如圖5b 所示。建立質(zhì)點(diǎn)的受力平衡方程：

由式（3）可得種子在x 軸方向的加速度為

式中a 為質(zhì)點(diǎn)在x 軸方向加速度，m/s2。

根據(jù)氣固兩相流中固體顆粒的受力規(guī)律，對(duì)于傾斜條件下的分配器主體中心質(zhì)點(diǎn)，氣流對(duì)種子右側(cè)的阻力與左側(cè)阻力相等，種子的重力加速度在傾斜方向的加速度分量gsinθ 打破了分配器在無(wú)傾斜狀態(tài)下種子隨機(jī)均勻分配到各排種口的趨勢(shì)，增加了種子向x軸正方向即傾斜方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，增加了x 軸正方向排種口的排種量，從而使種子從位于x 軸正方向的排種口排出概率增加。

圖5 集中分配器及種子質(zhì)點(diǎn)的受力分析 Fig.5 Central distributor and force analysis of seed particle

2.3 氣送式集排器排種隨機(jī)過(guò)程分析

氣送式集排器排種過(guò)程分為供種環(huán)節(jié)和排種環(huán)節(jié)。根據(jù)隨機(jī)過(guò)程中的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程理論，建立排種過(guò)程的隨機(jī)過(guò)程模型。以供種裝置60 s 的供種質(zhì)量表示供種速率Vg：

式中Vg為供種速率，g/min；tg為一個(gè)供種周期，s；Tg為供種環(huán)節(jié)的總供種時(shí)間，s。

以集中分配器60 s 內(nèi)各排種口的排種質(zhì)量表示排種速率Vp：

式中Vp為排種口排種速率，g/min；tp為一個(gè)排種周期，s；Tp為排種環(huán)節(jié)的總排種時(shí)間，s。

由式（5）～（6）可知，當(dāng)播種機(jī)作業(yè)地表平整、排種器供種裝置轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，供種速率Vg和排種速率Vp不受供種周期tg和排種周期tp影響，供種速率Vg和排種速率Vp均為隨機(jī)過(guò)程中的平穩(wěn)過(guò)程。

基于聯(lián)合平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程理論，結(jié)合式（5）～（6）有：

式中Vh為整個(gè)排種過(guò)程的排種速率，g/min；th為完成一個(gè)排種過(guò)程的時(shí)間，s；Th為整個(gè)排種過(guò)程的排種時(shí)間，s。

當(dāng)作業(yè)地表具有坡度時(shí)，基于對(duì)排種過(guò)程種子的力學(xué)分析可知，供種環(huán)節(jié)的供種速率Vg和排種環(huán)節(jié)的排種速率Vp隨供種周期tg和排種周期tp的變化而改變，供種環(huán)節(jié)和排種環(huán)節(jié)不再為隨機(jī)平穩(wěn)過(guò)程，破壞了氣送式集排器排種過(guò)程的隨機(jī)平穩(wěn)過(guò)程，影響排種均勻性和各行排種量一致性。

3 地表坡度對(duì)氣送式集排器排種性能的影響

為明確地表坡度導(dǎo)致的播種機(jī)傾斜對(duì)氣送式集排器供種裝置的供種性能及集中分配器排種性能的影響，運(yùn)用EDEM 仿真分析地表坡度傾斜角度和供種裝置轉(zhuǎn)速對(duì)供種裝置供種速率的影響；運(yùn)用DEM-CFD 耦合仿真分析地表坡度對(duì)集中分配器各排種口排種粒數(shù)及各行排種粒數(shù)一致性的影響。

3.1 地表坡度對(duì)供種性能影響的仿真分析

3.1.1 仿真模型

將仿真模型的幾何體分為外殼與供種輪2 個(gè)模塊，外殼材料為鋁合金，供種輪材料為ABS 工程樹(shù)脂[26]。仿真模型如圖6 所示。

圖6 供種裝置仿真模型 Fig.6 Simulation model of seed feeding device

3.1.2 仿真試驗(yàn)方法

結(jié)合田間播種試驗(yàn)并參照GB/T 6973—2005“單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法”[27-28]開(kāi)展供種裝置轉(zhuǎn)速與地表坡度雙因素試驗(yàn)，綜合考慮播種機(jī)田間作業(yè)效率及變量調(diào)節(jié)裝置的調(diào)速范圍，供種裝置轉(zhuǎn)速確定為 20 ～40 r/min，每間隔10 r/min 為一個(gè)水平；以y 軸為傾斜軸，x 軸正方向?yàn)樨?fù)角度傾斜方向，選取地表坡度為-5°～5°，每間隔1°為一個(gè)水平。試驗(yàn)重復(fù)5 次，仿真時(shí)間為8 s，選取穩(wěn)定供種的3～6 s 的供種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，油菜品種為華油雜62，千粒質(zhì)量為4.67 g。

3.1.3 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

地表坡度、供種裝置轉(zhuǎn)速與供種速率之間的關(guān)系曲面如圖7 所示。

圖7 地表坡度和供種裝置轉(zhuǎn)速對(duì)供種速率的影響 Fig.7 Effects of land slope and rotation speed of seed feeding device on seed feeding rate

由圖7 可知，供種速率隨地表坡度的增加而逐漸減小，破壞了供種裝置供種環(huán)節(jié)的隨機(jī)平穩(wěn)過(guò)程。地表坡度角絕對(duì)值|θ|為0°～2°時(shí)，供種環(huán)節(jié)的供種速率相對(duì)無(wú)傾斜時(shí)的變化量低于25%，對(duì)供種速率影響較??；|θ|為3°～5°時(shí)，供種速率相對(duì)無(wú)傾斜時(shí)的變化量達(dá)50%，對(duì)供種速率影響較大。相同地表坡度角下，供種裝置轉(zhuǎn)速越高，供種速率相對(duì)變化值越?。回?fù)向地表坡度相對(duì)無(wú)傾斜的供種速率增加量高于正向地表坡度。

利用Matlab 軟件中的Cftool 工具箱對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元回歸擬合，得出地表坡度角、供種裝置轉(zhuǎn)速對(duì)供種速率影響的數(shù)學(xué)模型為

式中qn為供種速率，g/min；xn為地表坡度角，（°）；xvn為供種裝置轉(zhuǎn)速，r/min。

經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，式（8）回歸模型顯著(P＜0.01)，表明回歸方程與仿真結(jié)果相符，能較好地描述仿真結(jié)果。實(shí)際播種作業(yè)中，可將確定的播種質(zhì)量和地表坡度值帶入式（8），確定播種時(shí)的供種量、供種裝置轉(zhuǎn)速與地表坡度角的匹配關(guān)系，在連續(xù)上坡時(shí)降低供種裝置轉(zhuǎn)速，連續(xù)下坡時(shí)提高供種裝置轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)有坡度地表具作業(yè)時(shí)排種量與平整地表作業(yè)的排種量一致，以滿(mǎn)足坡地播種質(zhì)量。

3.2 地表坡度對(duì)排種性能影響的仿真分析

采用ANSYS Fluent 17.0 和EDEM 2018 軟件開(kāi)展DEM-CFD 氣固耦合仿真[29-30]，分析集中分配器中氣流對(duì)各排種口排種量的影響。

利用Workbench 17.0 的ICEM 非結(jié)構(gòu)化方法自動(dòng)劃分集中分配器網(wǎng)格[29-30]。送料管入口設(shè)為氣流與種子速度入口，排種口設(shè)為氣流與種子出口。集中分配器仿真結(jié)構(gòu)如圖8 所示。集中分配器傾斜時(shí)，以y 軸為傾斜旋轉(zhuǎn)軸，x 軸為傾斜方向，集中分配器繞z 軸旋轉(zhuǎn)，對(duì)各排種口編號(hào)，如圖8，根據(jù)圖中幾何關(guān)系，Hi＜Hn＜Hm。

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

集中分配器發(fā)生傾斜時(shí)，排種環(huán)節(jié)的隨機(jī)平穩(wěn)過(guò)程被破壞。集中分配器各排種口的排種量和氣流速度分布如圖9 所示。

圖9 無(wú)傾斜和傾斜5°時(shí)集中分配器各排種口的排種粒數(shù)和 氣流速度分布 Fig.9 Seeding numbers of each seed outlet and distribution of airflow velocity of central distributor with no tilt or tilt 5°

統(tǒng)計(jì)各排種口前6 s 的排種粒數(shù)，以各排種口排種粒數(shù)表征地表坡度對(duì)各行排種量一致性的影響。各行排種粒數(shù)一致性變異系數(shù)計(jì)算式為

式中Sn為各排種口排種粒數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差；Xn為各排種口排種粒數(shù)平均值；Vn為各行排種粒數(shù)一致性變異系數(shù)，%。

基于仿真結(jié)果和式（9），得到集中分配器各排種口排種粒數(shù)和不同地表坡度角下各行排種粒數(shù)一致性變異系數(shù)，如圖10 所示。

圖10 不同地表坡度下各排種口排種粒數(shù)及其一致性變異系數(shù) Fig.10 Seeding numbers of each seed outlet and it’s uniformity variation coefficient under different land slopes

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，排種口2～6 與排種口8～12 的排種粒數(shù)隨地表坡度的增加而逐漸增大，表明在播種機(jī)傾斜狀態(tài)下，位置較低的排種口排種數(shù)量多，傾斜角度越大，各排種口的排種量差異越大；各行排種粒數(shù)一致性變異系數(shù)為4.95%～14.91%，并隨播種機(jī)傾斜角度的增大而逐漸增加；根據(jù)氣流速度分布可知，播種機(jī)傾斜角度不影響各排種口的氣流速度分布均勻性，各行排種粒數(shù)一致性變異系數(shù)的差異是由于種子的重力加速度在x 軸正方向的分量破壞了各排種口的排種隨機(jī)過(guò)程而導(dǎo)致的，傾斜角度越大，隨機(jī)平穩(wěn)過(guò)程破壞越嚴(yán)重，排種粒數(shù)一致性變異系數(shù)越大。

4 地表坡度對(duì)播種機(jī)排種性能影響的模擬試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

為明確播種機(jī)在田間不同地表坡度下的作業(yè)效果，并驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的合理性，在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心開(kāi)展不同地表坡度下播種機(jī)在作業(yè)方向前后傾斜對(duì)油菜寬幅精量免耕播種機(jī)排種性能影響的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備為智能種植機(jī)械測(cè)試平臺(tái)，試驗(yàn)裝置如圖11 所示。該平臺(tái)可模擬并實(shí)時(shí)顯示田間作業(yè)工況下播種機(jī)在地表的工作狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)播種機(jī)沿作業(yè)方向前后、左右各-5°～5°的傾斜、往復(fù)擺動(dòng)，前后、左右各0°～5°或-5～0°單向擺動(dòng)，前后、左右各-5°～5°任意組合擺動(dòng)。測(cè)試平臺(tái)技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

圖11 種植機(jī)械智能測(cè)試平臺(tái) Fig.11 Intelligent test platform for planting machines

表2 種植機(jī)械智能測(cè)試平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù) Table 2 Main technical parameters of intelligent test platform for planting machines

4.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)油菜寬幅精量免耕播種機(jī)實(shí)際田間作業(yè)工況，播種機(jī)在沿作業(yè)方向有坡度地表的前后傾斜存在如下?tīng)顟B(tài)：①地表坡度一定，播種機(jī)的傾斜方不變，為連續(xù)上坡或連續(xù)下坡；②播種機(jī)沿地表上坡、下坡交替變換，傾斜角度隨機(jī)變化；③播種機(jī)僅上坡或下坡，隨機(jī)變換傾斜角度。為更好地研究地表坡度對(duì)排種性能的影響規(guī)律，狀態(tài)①簡(jiǎn)化為作業(yè)方向與地表坡度傾斜一致，狀態(tài)②簡(jiǎn)化為沿作業(yè)方向前后往復(fù)擺動(dòng)傾斜，狀態(tài)③簡(jiǎn)化為沿作業(yè)方向前或后單向擺動(dòng)。試驗(yàn)中以作業(yè)方向?yàn)閮A斜、擺動(dòng)方向的負(fù)向。

試驗(yàn)中2 個(gè)集中分配器對(duì)稱(chēng)安裝在播種機(jī)左右軸中心，由于播種機(jī)傾斜對(duì)集中分配器的排種性能影響規(guī)律相同，故將2 個(gè)集中分配器的相同傾斜狀態(tài)排種口的排種結(jié)果合并分析，集中分配器的排種口編號(hào)與圖8 相同。基于油菜種植區(qū)域播量農(nóng)藝要求，設(shè)定供種裝置轉(zhuǎn)速為30 r/min，用尼龍網(wǎng)袋收集2 個(gè)集中分配器60 s 內(nèi)各排種口的排種質(zhì)量，計(jì)算各地表坡度狀態(tài)的供種速率、供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排種質(zhì)量、各行排種量一致性變異系數(shù)。

作業(yè)方向與地表傾斜方向一致的單因素試驗(yàn)中，地表坡度角為-5°～5°，每間隔1°為一個(gè)水平，試驗(yàn)重復(fù)5次，供種速率為qn。

沿作業(yè)方向前后往復(fù)擺動(dòng)的單因素試驗(yàn)中，試驗(yàn)水平為-5°～5°、-4°～4°、-3°～3°、-2°～2°、-1°～1°，試驗(yàn)重復(fù)5 次，供種速率為ym。

沿作業(yè)方向前或后單向擺動(dòng)的單因素試驗(yàn)中，試驗(yàn)水平為-5°～0°、-4°～0°、-3°～0°、-2°～0°、-1°～0°、0°～1°、0°～2°、0°～3°、0°～4°、0°～5°，試驗(yàn)重復(fù)5 次，供種速率為zu。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

每次試驗(yàn)結(jié)束，送種裝置、送料管、集中分配器內(nèi)均無(wú)殘留種子，表明播種機(jī)傾斜狀態(tài)對(duì)氣送式集排器種子流的通過(guò)性無(wú)影響。

4.3.1 播種機(jī)作業(yè)方向與地表傾斜方向一致時(shí)的排種性能分析

圖12 為播種機(jī)作業(yè)方向與地表傾斜方向一致時(shí)的供種速率及其變異系數(shù)。由圖12 可知，供種速率qn隨地表坡度角的增大而逐漸減少，與EDEM 仿真試驗(yàn)的變化趨勢(shì)相同；供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)與無(wú)傾斜時(shí)基本一致，表明連續(xù)上坡或下坡對(duì)供種速率穩(wěn)定性影響較小。將臺(tái)架試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速和傾斜角度帶入式（8），得出理論供種速率與臺(tái)架試驗(yàn)供種速率的平均誤差為4.28%，表明式（8）可用于描述地表坡度、排種量與供種裝置轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

圖12 播種機(jī)作業(yè)方向與地表傾斜方向一致時(shí)的供種速率及其變異系數(shù) Fig.12 Seed feeding rate and its CV under the condition that the operating direction of planter consistent with tilt direction of land surface

圖13 為不同地表坡度下各排種口排種質(zhì)量及其一致性變異系數(shù)。由圖13 可知，各行排種質(zhì)量一致性變異系數(shù)隨地表坡度角絕對(duì)值的增大而逐漸增大。各排種口的排種總質(zhì)量隨地表坡度角的增大而逐漸減小，與供種裝置的供種速率變化規(guī)律一致。地表負(fù)向傾斜時(shí)，排種口2～6與排種口8～12 的平均排種質(zhì)量差值隨|θ|的增大而逐漸增大，各行排種質(zhì)量一致性變異系數(shù)為4.76%～13.85%；地表正向傾斜時(shí)，排種口8～12 與排種口2～6 的排種質(zhì)量差值隨θ 的增大而逐漸增大，各行排種質(zhì)量一致性變異系數(shù)為4.76%～13.65%。各排種口排種質(zhì)量及其一致性變異系數(shù)隨地表坡度的變化規(guī)律與DEM-CFD 耦合仿真結(jié)果相同，表明DEM-CFD 仿真結(jié)果可信。

圖13 不同地表坡度下各排種口排種質(zhì)量及其一致性變異系數(shù) Fig.13 Seeding quality of each seed outlet and its uniformity variation coefficient under different land slopes

4.3.2 播種機(jī)沿作業(yè)方向前后往復(fù)擺動(dòng)的排種性能分析

圖14 為播種機(jī)沿作業(yè)方向前后往復(fù)擺動(dòng)下的供種速率及其變異系數(shù)。由圖可知，往復(fù)擺動(dòng)角度范圍越小，往復(fù)擺動(dòng)的供種速率ym越小。往復(fù)擺動(dòng)-5°～5°時(shí)，供種速率ym比無(wú)傾斜時(shí)增加16.31%，往復(fù)擺動(dòng)對(duì)供種速率有較大影響。供種速率變異系數(shù)略高于無(wú)傾斜，表明播種機(jī)作業(yè)方向的地表坡度影響供種穩(wěn)定性。

圖14 播種機(jī)沿作業(yè)方向前后往復(fù)擺動(dòng)對(duì)供種速率的影響 Fig.14 Effects of planter swing front and back along working direction on seed feeding rate

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合圖14 有：

式中m 為往復(fù)擺動(dòng)角度的最大值，（°）；n 為地表坡度角，（°）。

將式（8）帶入式（10）可得：

由式（11）可知，通過(guò)確定沿作業(yè)方向前后往復(fù)擺動(dòng)的供種速率ym與地表坡度角和供種裝置轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系，可以保證播種作業(yè)中播種機(jī)沿作業(yè)方向連續(xù)上坡、下坡交替變換下的排種量與平整地表作業(yè)時(shí)一致。

圖15 為播種機(jī)沿作業(yè)方向前后往復(fù)擺動(dòng)下的各行排種質(zhì)量及其一致性變異系數(shù)。由圖15 可知，隨著往復(fù)擺動(dòng)角度范圍的增大，供種速率變化量高于集中分配器傾斜引起的排種量變化，排種口2～6 與排種口8～12 的平均排種質(zhì)量差隨擺動(dòng)角度范圍的增加逐漸增大，各排種口的平均排種質(zhì)量逐漸增加，各行排種質(zhì)量一致性變異系數(shù)逐漸增大，變異系數(shù)為4.76%～10.27%，與前后往復(fù)擺動(dòng)下供種速率ym的變化規(guī)律一致。

圖15 播種機(jī)沿作業(yè)方向前后往復(fù)擺動(dòng)時(shí)的各行排種質(zhì)量及其一致性變異系數(shù) 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 播種機(jī)沿作業(yè)方向向前或向后單向擺動(dòng)的排種性能分析

圖16 為播種機(jī)沿作業(yè)方向向前或向后單向擺動(dòng)時(shí)的排種性能試驗(yàn)結(jié)果。由圖16 可知，播種機(jī)沿作業(yè)方向負(fù)向擺動(dòng)到正向擺動(dòng)的過(guò)程中，供種速率逐漸減少，供種速率變異系數(shù)略高于無(wú)傾斜狀態(tài)，表明播種機(jī)沿作業(yè)方向上坡或下坡過(guò)程中的隨機(jī)傾斜會(huì)影響播種機(jī)的排種量穩(wěn)定性。各排種口排種質(zhì)量及其一致性變異系數(shù)的變化趨勢(shì)與單一方向傾斜的變化趨勢(shì)一致，但排種質(zhì)量一致性變異系數(shù)大于無(wú)傾斜狀態(tài)。各行排種質(zhì)量一致性變異系數(shù)隨前后單向擺動(dòng)角度范圍的增大而逐漸增大；正向擺動(dòng)與負(fù)向擺動(dòng)時(shí)，各行排種質(zhì)量一致性變異系數(shù)變化規(guī)律相同；負(fù)向擺動(dòng)時(shí)，各排種口排種質(zhì)量隨擺動(dòng)角度的增加而逐漸增大；正向擺動(dòng)時(shí)，各排種口排種質(zhì)量隨擺動(dòng)角度的增加而逐漸減小，與供種裝置供種速率隨作業(yè)方向前后往復(fù)擺動(dòng)的變化規(guī)律一致。單向負(fù)向擺動(dòng)時(shí)，排種口2～6 與排種口8～12 的平均排種質(zhì)量差值隨擺動(dòng)角度范圍的增加而逐漸增大，各行排種質(zhì)量一致性變異系數(shù)為6.84%～10.68%；單向正向擺動(dòng)時(shí)，排種口8～12與排種口2～6 的平均排種質(zhì)量差值隨擺動(dòng)角度范圍的增加而逐漸增大，各行排種質(zhì)量一致性變異系數(shù)為6.76%～10.71%。

根據(jù)播種機(jī)向前或后單向擺動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合圖 16 有：

式中u 為單向往復(fù)擺動(dòng)角度的最大值，（°）。

將式（8）帶入式（12）可得：

由式（13）可知，通過(guò)確定沿作業(yè)方向前或后單向擺動(dòng)的供種速率zu與地表坡度角和供種裝置轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系，可以保證播種作業(yè)中播種機(jī)沿作業(yè)方向僅上坡隨機(jī)傾斜或僅下坡隨機(jī)傾斜的排種量與平整地表時(shí)的排種量一致。

綜上可知，隨著作業(yè)方向地表坡度角的增加，供種速率逐漸減小；地表坡度角|θ|的最大值相同時(shí)，沿作業(yè)方向前或后單向擺動(dòng)和沿作業(yè)方向前后往復(fù)擺動(dòng)的各行排種質(zhì)量一致性變異系數(shù)均低于播種機(jī)傾斜方向與地表坡度一致的性變異系數(shù)，這表明沿作業(yè)方向前后往復(fù)擺動(dòng)和沿作業(yè)方向前或后單向擺動(dòng)時(shí)的排種過(guò)程更趨于隨機(jī)平穩(wěn)過(guò)程。供種裝置的供種速率隨機(jī)平穩(wěn)過(guò)程僅受地表坡度影響；地表坡度導(dǎo)致集中分配器的各行排種量差異，導(dǎo)致從供種裝置進(jìn)入分配器中的種量不均勻，故集中分配器的排種速率隨機(jī)平穩(wěn)過(guò)程受地表坡度和供種速率影響。

圖16 播種機(jī)沿作業(yè)方向前或后單向擺動(dòng)時(shí)各排種口排種質(zhì)量及其一致性變異系數(shù) 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、沿作業(yè)方向前后往復(fù)擺動(dòng)角度、向前或后單向擺動(dòng)角度、供種裝置轉(zhuǎn)速與供種速率的數(shù)學(xué)模型方程，可確定播種機(jī)沿地表坡度傾斜方向連續(xù)上坡或連續(xù)下坡、播種機(jī)沿作業(yè)方向隨地表坡度連續(xù)上坡和下坡交替變換、播種機(jī)沿作業(yè)方向上坡單向隨機(jī)傾斜或下坡單向隨機(jī)傾斜時(shí)排種量與供種裝置轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系，以保證有坡度地表作業(yè)時(shí)的排種量與平整地表作業(yè)的排種量趨同，保持播種機(jī)隨機(jī)平穩(wěn)的排種過(guò)程。

5 結(jié) 論

為探究沿作業(yè)方向的地表坡度變化對(duì)油菜寬幅精量免耕播種機(jī)氣送式集排器供種、排種性能的影響規(guī)律，本文以播種機(jī)及氣送式集排器為研究對(duì)象，構(gòu)建了不同地表坡度下種子與外切圓弧型孔、種子-氣流與集中分配器間的力學(xué)模型，建立了氣送式集排器供種速率和排種速率的隨機(jī)過(guò)程模型，主要結(jié)論如下：

1）通過(guò)EDEM 仿真分析了地表坡度角對(duì)供種裝置供種性能的影響，利用DEM-CFD 耦合仿真分析了地表坡度角對(duì)集中分配器排種性能的影響。仿真結(jié)果表明：以平整地表為基準(zhǔn)，供種速率隨地表坡度在-5°～5°內(nèi)先增大而后逐漸減小，地表坡度絕對(duì)值為3°～5°時(shí)，供種速率相對(duì)無(wú)傾斜時(shí)的變化量達(dá)50%；各行排種粒數(shù)一致性變異系數(shù)隨地表坡度角的增加而逐漸增大，各行排種粒數(shù)一致性變異系數(shù)為4.95%～14.91%。

2）利用種植機(jī)械智能測(cè)試平臺(tái)模擬播種機(jī)田間作業(yè)時(shí)不同地表坡度下的作業(yè)效果，結(jié)果表明，仿真模型計(jì)算的不同地表坡度下的供種速率與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的平均誤差為4.28%，并建立了沿作業(yè)方向前后往復(fù)擺動(dòng)的供種速率與地表坡度角和供種裝置轉(zhuǎn)速、沿作業(yè)方向前或后單向擺動(dòng)的供種速率與地表坡度角和供種裝置轉(zhuǎn)速之間的數(shù)學(xué)模型，確定了不同地表坡度下，排種量與供種裝置轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系。

3）各行排種量一致性變異系數(shù)隨地表坡度角絕對(duì)值的增加而逐漸增大，各行排種量一致性變異系數(shù)為4.76%～13.85%；播種機(jī)沿作業(yè)方向前后往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，各行排種量一致性變異系數(shù)隨往復(fù)擺動(dòng)角度范圍的增加而逐漸增大，各行排種量一致性變異系數(shù)為 4.76%～10.27%；播種機(jī)沿作業(yè)方向前或后單向擺動(dòng)時(shí)，各行排種量一致性變異系數(shù)隨單向擺動(dòng)角度范圍的增大而逐漸增大，各行排種量一致性變異系數(shù)為6.76%～10.71%。

本研究可為氣送式油菜寬幅精量免耕播種機(jī)供種裝置轉(zhuǎn)速、地表坡度角與供種速率的匹配關(guān)系提供參考。后續(xù)將針對(duì)地表左右傾斜對(duì)氣送式播種機(jī)排種性能影響及提高氣送式集排器對(duì)坡度地表作業(yè)工況適應(yīng)性做進(jìn)一步研究。