地表坡度對油菜寬幅精量免耕播種機排種性能的影響

王 磊，席日晶，廖宜濤，張青松，肖文立，廖慶喜

（1. 華中農業大學工學院，武漢 430070；2. 農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430070）

0 引 言1

油菜是中國主要的油料作物之一，在長江中下游和新疆等地區均有廣泛種植[1-4]。隨著油菜產業發展政策支持及農業生產新型經營主體對油菜規?；洜I、機械化生產的需求，發展高速、寬幅的高效油菜播種機將成為各油菜種植地區的油菜主要技術需求[5-7]。氣送式播種機因適應于高速、寬幅播種，在國內外已廣泛應用，因其集中供種、排種，地表坡度對其供種、排種性能有較大影響[8-11]。根據耕地坡度等級劃分，耕地坡度為0～5°時，不僅影響播種開溝器的播種深度[12-14]，對氣送式集排器的供種、排種性能均會造成顯著影響。

為提高播種機及排種器的作業穩定性及對不同地表工況的適應性，劉宏新等[15]設計了地輪中置式高機動性寬幅農具機架，通過仿真模擬提高了機具在地表起伏下的作業效果；王奇等[16]為研究播種機在免耕地表作業時的振動特性及振動對排種器排種性能的影響，建立了整機振動特性模型；雷小龍等[17-19]設計了油麥兼用型氣送式集排器，開展了排種器仿真分析及結構優化；張曉輝等[20]為提高小麥播種機幅寬及播種均勻性，開展了氣力式集排器排種分配系統的設計，運用流體力學仿真分析了排種器參數對氣流場的影響；Yatskul[21-22]針對寬幅播種機作業工況，開展了集中分配器結構尺寸對氣送式集排器排種均勻性影響的研究；Han 等[23]運用DEM-CFD氣固耦合仿真分析了型孔位置、尺寸、平均弧長對內充種式玉米精量排種器排種性能的影響。綜上，現有對播種機研究主要針對整機及排種器在平整地表作業下的優化改進設計，而作業地表坡度對播種機排種性能影響的研究鮮見報道。

本文針對油菜種植區域作業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播種質量的問題，應用EDEM 軟件建立了供種裝置地表坡度和供種裝置轉速與供種速率之間的數學模型，利用DEM-CFD耦合仿真分析地表坡度對集中分配器各行排種粒數一致性的影響。采用智能種植機械測試平臺模擬地表上坡、下坡等工況對氣送式油菜寬幅精量免耕播種機排種性能的影響規律，以期確定供種量、供種裝置轉速與地表坡度的匹配關系，于連續上坡時降低供種裝置轉速，連續下坡時提高供種裝置轉速，實現有坡度地表的排種量與平整地表的排種量一致，為播種機及氣送式集排器結構優化以滿足不同地表坡度下的播種作業提供參考。

1 總體結構及有坡度地表的播種工作原理

1.1 總體結構

油菜寬幅精量免耕播種機主要由地輪、機架、高壓風機、種肥箱、氣送式排肥器、氣送式集排器、施肥開溝器、播種開溝器等組成。氣送式排種系統主要由高壓風機、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，播種機及氣送式排種系統結構如圖1所示。

圖1 寬幅精量免耕播種機及氣送式排種系統結構示意圖 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程及原理

播種機在有坡度地表作業時，在上坡過程中向后傾斜，下坡過程中向前傾斜，如圖2 所示。作業中，氣送式集排器隨播種機一并傾斜，種箱中的種子落入供種裝置，供種裝置單位時間內因地表坡度而變化的供種量進入等分送料裝置，高壓風機產生的正壓氣流經氣流分配管進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兩側送料管上升進入2 個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，導致經排種口及輸種管至開溝器的種子各行一致性變差，影響播種質量。播種機主要技術參數如表1 所示。

圖2 播種機在有坡度地表的作業過程示意圖 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主要技術參數 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過程分析

2.1 供種裝置結構及力學分析

油菜供種裝置主要由硅膠刮種板、卸種板、充種室、種量調節板、種量調節彈簧、供種殼體、種箱、種子密封板、傳動軸、播量調控輪、外切圓弧型孔輪、隔板等組成，如圖3 所示。

圖3 供種裝置結構示意圖 Fig.3 Structural diagrams of the seed feeding device

供種裝置的工作過程包括充種、攜種和投種[24]，油菜種子由充種區至攜種區的瞬時受力如圖4 所示，該時刻型孔與充種室內的種子間作用力消失，型孔內種子所受的力為型孔內種子群的相互作用力及種子與型孔壁面的作用力。假設油菜種子為球形，以攜種區型孔內最接近充種室的種子為受力質點，基于型孔輪廓為3 段外切圓弧，質點與型孔壁面相切，建立質點經充種區至攜種區的瞬時受力平衡方程：

由式（1）可得：

式（1）～（2）中，m 為質點質量，kg；μ1為質點與型孔壁面的摩擦因數；μ2為種子間摩擦因數；g 為重力加速度，m/s2。

根據式（1）～（2）可知，為保證種子由充種區至攜種區時不被從型孔中拋出，y 軸方向的重力、型孔內剩余種子的作用力及型孔壁作用力的合力應大于種子的慣性離心力。在有坡度地表，當播種機的傾斜角度與供種輪轉動方向相同時，y 軸與水平面的夾角δ 增大，型孔內剩余種子對質點摩擦力與y 軸的夾角α、y 軸與型孔壁對質點的摩擦力的夾角β 均減小，重力在y 軸上的分力Gsinδ、型孔內剩余種子對質點的摩擦力在y 軸上的分力Fkcosα、型孔壁對質點的摩擦力在y 軸上的分力Ffcosβ均增大，型孔壁對質點的支持力在y 軸上的分力Fnsinβ減小，降低了種子從型孔中拋出的概率；如果播種機的傾斜角度與供種輪轉動方向相反，y 軸與水平面的夾角δ減小，型孔內剩余種子對質點摩擦力與y 軸的夾角α、y軸與型孔壁對質點的摩擦力的夾角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至攜種區不從型孔中滑落到充種室內，種子在x 軸方向所受的力應保持平衡。在有坡度地表，播種機傾斜角度與供種輪轉動方向相同時，型孔壁對種子的摩擦力Ff、型孔內剩余種子的摩擦力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的概率；如果播種機傾斜角度與供種輪轉動方向相反，型孔壁對種子的摩擦力Ff、型孔內剩余種子的摩擦力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的概率。

圖4 型孔中的質點受力示意圖 Fig.4 Force diagram of particle in type hole

根據受力分析結果可知，播種機作業方向的地表坡度方向與供種輪轉動方向相同時，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動方向相反時，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 集中分配器結構及力學分析

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。

氣流裹挾種子經送料管進入集中分配器主體，種子撞擊弧形蓋后隨機進入排種口，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動規律基本相同，為更好地分析地表坡度對集中分配器中種子輸送過程的影響，取分配器主體中心點的油菜種子質點進行受力分析。在均勻穩定的氣固兩項流中，與種子所受氣流阻力相比，氣流對種子的其他作用力可忽略不計，簡化質點的受力如圖5b 所示。建立質點的受力平衡方程：

由式（3）可得種子在x 軸方向的加速度為

式中a 為質點在x 軸方向加速度，m/s2。

根據氣固兩相流中固體顆粒的受力規律，對于傾斜條件下的分配器主體中心質點，氣流對種子右側的阻力與左側阻力相等，種子的重力加速度在傾斜方向的加速度分量gsinθ 打破了分配器在無傾斜狀態下種子隨機均勻分配到各排種口的趨勢，增加了種子向x軸正方向即傾斜方向運動的趨勢，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點的受力分析 Fig.5 Central distributor and force analysis of seed particle

2.3 氣送式集排器排種隨機過程分析

氣送式集排器排種過程分為供種環節和排種環節。根據隨機過程中的平穩隨機過程理論，建立排種過程的隨機過程模型。以供種裝置60 s 的供種質量表示供種速率Vg：

式中Vg為供種速率，g/min；tg為一個供種周期，s；Tg為供種環節的總供種時間，s。

以集中分配器60 s 內各排種口的排種質量表示排種速率Vp：

式中Vp為排種口排種速率，g/min；tp為一個排種周期，s；Tp為排種環節的總排種時間，s。

由式（5）～（6）可知，當播種機作業地表平整、排種器供種裝置轉速穩定時，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均為隨機過程中的平穩過程。

基于聯合平穩隨機過程理論，結合式（5）～（6）有：

式中Vh為整個排種過程的排種速率，g/min；th為完成一個排種過程的時間，s；Th為整個排種過程的排種時間，s。

當作業地表具有坡度時，基于對排種過程種子的力學分析可知，供種環節的供種速率Vg和排種環節的排種速率Vp隨供種周期tg和排種周期tp的變化而改變，供種環節和排種環節不再為隨機平穩過程，破壞了氣送式集排器排種過程的隨機平穩過程，影響排種均勻性和各行排種量一致性。

3 地表坡度對氣送式集排器排種性能的影響

為明確地表坡度導致的播種機傾斜對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，運用EDEM 仿真分析地表坡度傾斜角度和供種裝置轉速對供種裝置供種速率的影響；運用DEM-CFD 耦合仿真分析地表坡度對集中分配器各排種口排種粒數及各行排種粒數一致性的影響。

3.1 地表坡度對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 個模塊，外殼材料為鋁合金，供種輪材料為ABS 工程樹脂[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 仿真試驗方法

結合田間播種試驗并參照GB/T 6973—2005“單粒（精密）播種機試驗方法”[27-28]開展供種裝置轉速與地表坡度雙因素試驗，綜合考慮播種機田間作業效率及變量調節裝置的調速范圍，供種裝置轉速確定為 20 ～40 r/min，每間隔10 r/min 為一個水平；以y 軸為傾斜軸，x 軸正方向為負角度傾斜方向，選取地表坡度為-5°～5°，每間隔1°為一個水平。試驗重復5 次，仿真時間為8 s，選取穩定供種的3～6 s 的供種數據進行分析，油菜品種為華油雜62，千粒質量為4.67 g。

3.1.3 仿真試驗結果分析

地表坡度、供種裝置轉速與供種速率之間的關系曲面如圖7 所示。

圖7 地表坡度和供種裝置轉速對供種速率的影響 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節的隨機平穩過程。地表坡度角絕對值|θ|為0°～2°時，供種環節的供種速率相對無傾斜時的變化量低于25%，對供種速率影響較??；|θ|為3°～5°時，供種速率相對無傾斜時的變化量達50%，對供種速率影響較大。相同地表坡度角下，供種裝置轉速越高，供種速率相對變化值越??；負向地表坡度相對無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 工具箱對試驗數據進行二元回歸擬合，得出地表坡度角、供種裝置轉速對供種速率影響的數學模型為

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

經顯著性檢驗，式（8）回歸模型顯著(P＜0.01)，表明回歸方程與仿真結果相符，能較好地描述仿真結果。實際播種作業中，可將確定的播種質量和地表坡度值帶入式（8），確定播種時的供種量、供種裝置轉速與地表坡度角的匹配關系，在連續上坡時降低供種裝置轉速，連續下坡時提高供種裝置轉速，實現有坡度地表具作業時排種量與平整地表作業的排種量一致，以滿足坡地播種質量。

3.2 地表坡度對排種性能影響的仿真分析

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

利用Workbench 17.0 的ICEM 非結構化方法自動劃分集中分配器網格[29-30]。送料管入口設為氣流與種子速度入口，排種口設為氣流與種子出口。集中分配器仿真結構如圖8 所示。集中分配器傾斜時，以y 軸為傾斜旋轉軸，x 軸為傾斜方向，集中分配器繞z 軸旋轉，對各排種口編號，如圖8，根據圖中幾何關系，Hi＜Hn＜Hm。

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

集中分配器發生傾斜時，排種環節的隨機平穩過程被破壞。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 無傾斜和傾斜5°時集中分配器各排種口的排種粒數和 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°

統計各排種口前6 s 的排種粒數，以各排種口排種粒數表征地表坡度對各行排種量一致性的影響。各行排種粒數一致性變異系數計算式為

式中Sn為各排種口排種粒數的標準差；Xn為各排種口排種粒數平均值；Vn為各行排種粒數一致性變異系數，%。

基于仿真結果和式（9），得到集中分配器各排種口排種粒數和不同地表坡度角下各行排種粒數一致性變異系數，如圖10 所示。

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

根據試驗結果可知，排種口2～6 與排種口8～12 的排種粒數隨地表坡度的增加而逐漸增大，表明在播種機傾斜狀態下，位置較低的排種口排種數量多，傾斜角度越大，各排種口的排種量差異越大；各行排種粒數一致性變異系數為4.95%～14.91%，并隨播種機傾斜角度的增大而逐漸增加；根據氣流速度分布可知，播種機傾斜角度不影響各排種口的氣流速度分布均勻性，各行排種粒數一致性變異系數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過程而導致的，傾斜角度越大，隨機平穩過程破壞越嚴重，排種粒數一致性變異系數越大。

4 地表坡度對播種機排種性能影響的模擬試驗

4.1 試驗設備

為明確播種機在田間不同地表坡度下的作業效果，并驗證仿真試驗的合理性，在華中農業大學工程訓練中心開展不同地表坡度下播種機在作業方向前后傾斜對油菜寬幅精量免耕播種機排種性能影響的模擬試驗。試驗設備為智能種植機械測試平臺，試驗裝置如圖11 所示。該平臺可模擬并實時顯示田間作業工況下播種機在地表的工作狀態，可實現播種機沿作業方向前后、左右各-5°～5°的傾斜、往復擺動，前后、左右各0°～5°或-5～0°單向擺動，前后、左右各-5°～5°任意組合擺動。測試平臺技術參數如表2 所示。

圖11 種植機械智能測試平臺 Fig.11 Intelligent test platform for planting machines

表2 種植機械智能測試平臺主要技術參數 Table 2 Main technical parameters of intelligent test platform for planting machines

4.2 試驗方案

根據油菜寬幅精量免耕播種機實際田間作業工況，播種機在沿作業方向有坡度地表的前后傾斜存在如下狀態：①地表坡度一定，播種機的傾斜方不變，為連續上坡或連續下坡；②播種機沿地表上坡、下坡交替變換，傾斜角度隨機變化；③播種機僅上坡或下坡，隨機變換傾斜角度。為更好地研究地表坡度對排種性能的影響規律，狀態①簡化為作業方向與地表坡度傾斜一致，狀態②簡化為沿作業方向前后往復擺動傾斜，狀態③簡化為沿作業方向前或后單向擺動。試驗中以作業方向為傾斜、擺動方向的負向。

試驗中2 個集中分配器對稱安裝在播種機左右軸中心，由于播種機傾斜對集中分配器的排種性能影響規律相同，故將2 個集中分配器的相同傾斜狀態排種口的排種結果合并分析，集中分配器的排種口編號與圖8 相同?；谟筒朔N植區域播量農藝要求，設定供種裝置轉速為30 r/min，用尼龍網袋收集2 個集中分配器60 s 內各排種口的排種質量，計算各地表坡度狀態的供種速率、供種速率穩定性變異系數、各行排種質量、各行排種量一致性變異系數。

作業方向與地表傾斜方向一致的單因素試驗中，地表坡度角為-5°～5°，每間隔1°為一個水平，試驗重復5次，供種速率為qn。

沿作業方向前后往復擺動的單因素試驗中，試驗水平為-5°～5°、-4°～4°、-3°～3°、-2°～2°、-1°～1°，試驗重復5 次，供種速率為ym。

沿作業方向前或后單向擺動的單因素試驗中，試驗水平為-5°～0°、-4°～0°、-3°～0°、-2°～0°、-1°～0°、0°～1°、0°～2°、0°～3°、0°～4°、0°～5°，試驗重復5 次，供種速率為zu。

4.3 試驗結果與分析

每次試驗結束，送種裝置、送料管、集中分配器內均無殘留種子，表明播種機傾斜狀態對氣送式集排器種子流的通過性無影響。

4.3.1 播種機作業方向與地表傾斜方向一致時的排種性能分析

圖12 為播種機作業方向與地表傾斜方向一致時的供種速率及其變異系數。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 仿真試驗的變化趨勢相同；供種速率穩定性變異系數與無傾斜時基本一致，表明連續上坡或下坡對供種速率穩定性影響較小。將臺架試驗的轉速和傾斜角度帶入式（8），得出理論供種速率與臺架試驗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速的關系。

圖12 播種機作業方向與地表傾斜方向一致時的供種速率及其變異系數 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量及其一致性變異系數。由圖13 可知，各行排種質量一致性變異系數隨地表坡度角絕對值的增大而逐漸增大。各排種口的排種總質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律一致。地表負向傾斜時，排種口2～6與排種口8～12 的平均排種質量差值隨|θ|的增大而逐漸增大，各行排種質量一致性變異系數為4.76%～13.85%；地表正向傾斜時，排種口8～12 與排種口2～6 的排種質量差值隨θ 的增大而逐漸增大，各行排種質量一致性變異系數為4.76%～13.65%。各排種口排種質量及其一致性變異系數隨地表坡度的變化規律與DEM-CFD 耦合仿真結果相同，表明DEM-CFD 仿真結果可信。

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

4.3.2 播種機沿作業方向前后往復擺動的排種性能分析

圖14 為播種機沿作業方向前后往復擺動下的供種速率及其變異系數。由圖可知，往復擺動角度范圍越小，往復擺動的供種速率ym越小。往復擺動-5°～5°時，供種速率ym比無傾斜時增加16.31%，往復擺動對供種速率有較大影響。供種速率變異系數略高于無傾斜，表明播種機作業方向的地表坡度影響供種穩定性。

圖14 播種機沿作業方向前后往復擺動對供種速率的影響 Fig.14 Effects of planter swing front and back along working direction on seed feeding rate

根據實際試驗結果，結合圖14 有：

式中m 為往復擺動角度的最大值，（°）；n 為地表坡度角，（°）。

將式（8）帶入式（10）可得：

由式（11）可知，通過確定沿作業方向前后往復擺動的供種速率ym與地表坡度角和供種裝置轉速的匹配關系，可以保證播種作業中播種機沿作業方向連續上坡、下坡交替變換下的排種量與平整地表作業時一致。

圖15 為播種機沿作業方向前后往復擺動下的各行排種質量及其一致性變異系數。由圖15 可知，隨著往復擺動角度范圍的增大，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 的平均排種質量差隨擺動角度范圍的增加逐漸增大，各排種口的平均排種質量逐漸增加，各行排種質量一致性變異系數逐漸增大，變異系數為4.76%～10.27%，與前后往復擺動下供種速率ym的變化規律一致。

圖15 播種機沿作業方向前后往復擺動時的各行排種質量及其一致性變異系數 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 播種機沿作業方向向前或向后單向擺動的排種性能分析

圖16 為播種機沿作業方向向前或向后單向擺動時的排種性能試驗結果。由圖16 可知，播種機沿作業方向負向擺動到正向擺動的過程中，供種速率逐漸減少，供種速率變異系數略高于無傾斜狀態，表明播種機沿作業方向上坡或下坡過程中的隨機傾斜會影響播種機的排種量穩定性。各排種口排種質量及其一致性變異系數的變化趨勢與單一方向傾斜的變化趨勢一致，但排種質量一致性變異系數大于無傾斜狀態。各行排種質量一致性變異系數隨前后單向擺動角度范圍的增大而逐漸增大；正向擺動與負向擺動時，各行排種質量一致性變異系數變化規律相同；負向擺動時，各排種口排種質量隨擺動角度的增加而逐漸增大；正向擺動時，各排種口排種質量隨擺動角度的增加而逐漸減小，與供種裝置供種速率隨作業方向前后往復擺動的變化規律一致。單向負向擺動時，排種口2～6 與排種口8～12 的平均排種質量差值隨擺動角度范圍的增加而逐漸增大，各行排種質量一致性變異系數為6.84%～10.68%；單向正向擺動時，排種口8～12與排種口2～6 的平均排種質量差值隨擺動角度范圍的增加而逐漸增大，各行排種質量一致性變異系數為6.76%～10.71%。

根據播種機向前或后單向擺動的試驗結果，結合圖 16 有：

式中u 為單向往復擺動角度的最大值，（°）。

將式（8）帶入式（12）可得：

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

綜上可知，隨著作業方向地表坡度角的增加，供種速率逐漸減??；地表坡度角|θ|的最大值相同時，沿作業方向前或后單向擺動和沿作業方向前后往復擺動的各行排種質量一致性變異系數均低于播種機傾斜方向與地表坡度一致的性變異系數，這表明沿作業方向前后往復擺動和沿作業方向前或后單向擺動時的排種過程更趨于隨機平穩過程。供種裝置的供種速率隨機平穩過程僅受地表坡度影響；地表坡度導致集中分配器的各行排種量差異，導致從供種裝置進入分配器中的種量不均勻，故集中分配器的排種速率隨機平穩過程受地表坡度和供種速率影響。

圖16 播種機沿作業方向前或后單向擺動時各排種口排種質量及其一致性變異系數 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、沿作業方向前后往復擺動角度、向前或后單向擺動角度、供種裝置轉速與供種速率的數學模型方程，可確定播種機沿地表坡度傾斜方向連續上坡或連續下坡、播種機沿作業方向隨地表坡度連續上坡和下坡交替變換、播種機沿作業方向上坡單向隨機傾斜或下坡單向隨機傾斜時排種量與供種裝置轉速的匹配關系，以保證有坡度地表作業時的排種量與平整地表作業的排種量趨同，保持播種機隨機平穩的排種過程。

5 結 論

為探究沿作業方向的地表坡度變化對油菜寬幅精量免耕播種機氣送式集排器供種、排種性能的影響規律，本文以播種機及氣送式集排器為研究對象，構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模型，建立了氣送式集排器供種速率和排種速率的隨機過程模型，主要結論如下：

1）通過EDEM 仿真分析了地表坡度角對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集中分配器排種性能的影響。仿真結果表明：以平整地表為基準，供種速率隨地表坡度在-5°～5°內先增大而后逐漸減小，地表坡度絕對值為3°～5°時，供種速率相對無傾斜時的變化量達50%；各行排種粒數一致性變異系數隨地表坡度角的增加而逐漸增大，各行排種粒數一致性變異系數為4.95%～14.91%。

2）利用種植機械智能測試平臺模擬播種機田間作業時不同地表坡度下的作業效果，結果表明，仿真模型計算的不同地表坡度下的供種速率與臺架試驗結果的平均誤差為4.28%，并建立了沿作業方向前后往復擺動的供種速率與地表坡度角和供種裝置轉速、沿作業方向前或后單向擺動的供種速率與地表坡度角和供種裝置轉速之間的數學模型，確定了不同地表坡度下，排種量與供種裝置轉速的匹配關系。

3）各行排種量一致性變異系數隨地表坡度角絕對值的增加而逐漸增大，各行排種量一致性變異系數為4.76%～13.85%；播種機沿作業方向前后往復擺動時，各行排種量一致性變異系數隨往復擺動角度范圍的增加而逐漸增大，各行排種量一致性變異系數為 4.76%～10.27%；播種機沿作業方向前或后單向擺動時，各行排種量一致性變異系數隨單向擺動角度范圍的增大而逐漸增大，各行排種量一致性變異系數為6.76%～10.71%。

本研究可為氣送式油菜寬幅精量免耕播種機供種裝置轉速、地表坡度角與供種速率的匹配關系提供參考。后續將針對地表左右傾斜對氣送式播種機排種性能影響及提高氣送式集排器對坡度地表作業工況適應性做進一步研究。