油菜小麦兼用气送式直播机集排器参数优化与试验

雷小龙，廖宜涛，丛锦玲，王 磊，张青松，廖庆喜※

（1.四川农业大学机电学院，雅安 625014；2.华中农业大学工学院，武汉 430070；3.石河子大学机械电气工程学院， 石河子 832003）

0 引 言

油菜、小麦是长江流域重要的冬季种植作物[1-2]，播种期邻近，机械化播种工序相似[3]，为油菜小麦兼用提供了条件。物料特性和单位面积播种量差异大是油菜、小麦兼用播种的难题，提高播种机通用性是提高机具利用率和生产效率的重要方式[4]。气送式播种机由于适应作物范围广、高速、宽幅作业得以广泛应用[5-10]，但国外气送式播种机主要适应大型农场和旱地作业[11]；长江流域的冬油菜种植区具有一年多熟种植制度（主要为水旱轮作模式）、地块狭小而分散和土壤黏重板结等特点[12]，大型宽幅免耕播种机难以适用。因此，针对长江流域油菜种植区的地形特点和种植制度研发了油菜小麦兼用气送式集排器，可实现油菜、小麦兼用并获得较优的排种性能。

油菜小麦兼用气送式集排器应用“机械定量供种+气流均匀分配”的原理，前期设计了油菜小麦兼用气送式集排器的关键部件，并优化了结构与工作参数[13-18]，实现了油麦兼用和“一器多行”均匀排种。排种性能是影响田间植株分布进而影响作物群体结构的重要因素[19]，也是评价播种机播种质量的重要指标。油菜小麦兼用气送式集排器关键部件为供种装置→供料装置→输种管道→增压管→分配器呈串联式结构，分配器将种子均匀分配成多行，种子离开分配器由导种管将种子流输送到开沟器进入土壤。油菜小麦兼用气送式集排器的分配器安装位置较高、导种管较长且管道中存有气流是该类型排种器的主要特征；与单行排种器相比，气送式集排器因导种管长致使投种过程的种子运动轨迹更不易控制。导种管结构对种子流与气流分配均匀性和种子在导种管中运动轨迹均有显著影响，进而影响种子落点位置和播种均匀性。实现种子在导种管平稳运移是提高排种质量的重要手段[20]。

排种器是决定排种精度的关键部件，而导种管作为排种系统的重要组成部分影响种子投种过程和落点位置，影响播种质量。马旭等[21]分析了精密播种机安装导种管后田间植株分布规律，明确了排种器结构和导种管曲线形式等对田间植株分布的影响。Duane等[22]分析了牧草气力式排种系统中气流速度和开沟器结构对种子出苗的影响，发现滑刀式开沟器和适宜的气流速度有利于提高排种均匀性。目前研究主要集中于排种器结构研究以提高排种性能，涉及排种系统辅助部件研究较少，尤其有关导种管结构对播种质量影响的研究鲜见报道。

本文针对油菜小麦兼用气送式集排器具有较长导种管和气流扰动影响种子迁移轨迹的问题，应用力学分析确定影响排种性能的因素，试验研究导种管材料、结构和集排器工作参数对排种性能的影响，从而优化气送式集排器导种管结构参数及集排器工作参数，并开展田间试验检测播种性能和出苗质量，以期为提高油菜、小麦播种质量提供参考。

1 油菜小麦兼用气送式直播机结构与导种过程分析

1.1 油菜小麦兼用气送式直播机结构与工作原理

油菜小麦兼用气送式直播机如图1所示，包括地轮、旋耕系统、畦沟犁、种箱、供种装置、供料装置、输种管道、增压管、分配器、导种管、风泵、变速装置和开沟器等。分配器安装于种箱后部，分配器距地面高度约1.5 m；分配器与开沟器通过8个导种管连接。

图1 油菜小麦兼用气送式直播机结构示意图Fig.1 Structure diagram of air-assisted direct seeding machine for rapeseed and wheat

直播机工作时，地轮驱动供种装置向供料装置定量供种，风泵产生的高速气流与种子流在供料装置中混合形成气固两相流，气固两相流经输种管道、增压管进行输送、混合，种子流在分配器中被均匀分配成8行，经导种管输送至开沟器，开沟器在旋耕系统形成的平整种床上开沟、覆土，使种子到达适宜的位置，畦沟犁同步开出畦沟。油菜小麦兼用气送式直播机同步完成旋耕、开畦沟、播种、开沟和覆土等复式作业。由于供种装置与风泵气流作为输入对象，分别输入种子流和气流；8行导种管输出气流与种子流形成的气固两相流，各导种管的结构与布置均影响排种系统的气流分布，进行影响排种均匀性。因此，导种管是影响油菜小麦兼用气送式集排器排种性能的关键部件。

1.2 集排器导种过程力学分析

种子在导种管中的迁移轨迹受流体阻力、重力等的作用[23]，采用pco.dimax HD高速摄像机（德国PCO公司）拍摄油菜种子在导种管的状态如图2所示。从单个颗粒运动状态来看（图2a～图2b），种子在导种管中以间隔较均匀的单个颗粒运动；将15张种子运动状态图合成种子在导种管中的落点分布（图2c），发现种子在导种管中具有一定的随机性，呈现集中于导种管中部的特征。

图2 油菜种子在导种管中运动状态Fig.2 Rapeseed movement status in seed tube

种子在导种管的受力分析如图3所示，种子经正压气流分配后进入导种管时忽略气流对种子作用的浮力和升力，主要分析气流阻力Fd和重力G对种子的作用。

图3 种子在导种管中受力分析Fig.3 Mechanics analysis of seeds in seed tube

根据种子在导种管中的受力分析，建立动力学方程。

式中m为种子的质量，kg；g为重力加速度，m/s2；υpx为x轴方向种子速度，m/s；υpy为y轴方向种子速度，m/s；t为时间，s。

根据颗粒流体力学理论，流体阻力Fd表达为[24-28]

式中CD为阻力系数，由于种子在导种管中为稀相流（种子在气流场中体积分数占比低于10%），气流场为湍流状态，取CD为 0.44[16-17]；ρg为气流密度，取值为 1.225 kg/m3；Ap为种子截面积，m2；υg为气流速度，m/s；υp为种子合速度，m/s。

由于分配器分配的气固两相流均匀进入导种管，忽略空气压力损失，可视为各导种管气流流量相等，则导种管中的气流速度为

式中Q为气体流量，m3/s；AT为导种管截面积，m2。联立式（1）～式（3），得出

由式（4）可知，种子沿导种管轴线的加速度受气流速度υg、种子合速度υp和导种管与水平面夹角θ的影响；种子沿导种管径向的加速度主要受导种管与水平面夹角θ的影响。综合来看，由于流体阻力Fd的作用，种子投种的速度υp和加速度明显增加这可能会导致种子落地时产生弹跳现象，而气流速度υg受导种入口气体流量Q和导种管截面积AT的影响；当导种入口气体流量Q一定时，保证不同导种管间截面积AT相同是提高气流分配均匀性的重要手段。导种管截面积AT因导种管材料和管径会发生变化，从而影响气流速度υg及不同导种管之间的气流均匀性。同时直播机田间作业时由于导种管多行配置致使θ不一致，在导种管径向加速度和气流扰动的作用下种子可能与导种管壁碰撞。入口气体流量Q受气流压强控制，进而对种子在气流场的分布与速度产生影响。因此，影响种子速度及种子-气流气固两相流分配均匀性的因素主要包括导种管材料、结构和集排器工作参数。

2 台架试验装置与试验方法

2.1 试验装置

油菜小麦兼用气送式集排器试验台如图4所示，主要由供种装置、供料装置、分配器、输种管道、增压管、风泵、调压阀和导种管等组成。试验时，供种装置通过调节供种转速和锥孔轮数量改变供种量，供种转速由变频器控制。调压阀调节风泵向供料装置输送的风量，气流压强采用U型管压差计测定。

油菜小麦兼用气送式集排器试验台工作时，变频器控制减速电机，通过链传动将动力传递给供种装置，使供种装置中的供种机构转动实现定量供种。风泵通过调压阀提供合适的风量至供料装置，供种装置排出的种子与高速气流在供料装置中混合，种子-气流形成的气固两相流经输种管道和增压管完成输送、混合后进入分配器，分配器将种子流均匀分配成8行进入到导种管，导种管排出的均匀种子流用种子袋收集。

2.2 试验材料

试验中油菜、小麦种子分别为华油杂62和郑麦9023，华油杂62由湖北国科高新技术有限公司生产，千粒质量为4.67 g，含水率为7.15%；郑麦9023由河南黄泛区地神种业有限公司生产，千粒质量为44.87 g，含水率为8.44%。

图4 油菜小麦兼用气送式直播机集排器试验台Fig.4 Test bench of air-assisted centralized metering device of direct seeding machine for rapeseed and wheat

2.3 试验设计

根据导种过程理论分析，导种管材料、结构和气流压强等均可能影响气流场分布和种子速度，进而约束种子的运动轨迹和影响排种性能，影响因素主要包括导种管材料、结构和布置方式。导种管结构参数包括直径、长度，布置方式主要为导种管与水平面夹角θ；集排器工作参数主要包括供种转速和气流压强。

2.3.1 导种管材料与结构参数试验

选取导种管直径、导种管长度组合和布置角度3个因素，在导种管材料、供种转速和气流压强分别为PVC钢丝软管、20 r/min和1 200 Pa条件下，开展单因素试验，分析结构参数与布置角度对排种性能的影响。

1）导种管直径：为与分配器排种口配合，在导种管长度均为1 m和θ为90°条件下，导种管直径设定10、16、20和25 mm共4个水平。

2）导种管长度组合：油菜小麦兼用气送式集排器的分配器至土壤工作部件间的导种管由于行数要求导致长度不一，开展了导种管长度对排种性能影响的试验，试验设计如表1所示。导种管直径和θ分别为16 mm和90°时，设置成等长度、二梯度长度和三梯度长度共3种方式，导种管长度分别设定为1.0、1.5、2.0 m共3个水平。

3）导种管布置角度：田间播种时需根据行距布置导种管，因此研究导种管长度均为1 m和直径为16 mm时，导种管与水平面夹角θ（30°、45°、60°、90°）对排种性能的影响。

为进一步优化导种管结构和材料，开展了导种管材料（A）和直径（B）的两因素试验。导种管材料（A）选择3种材质，分别为PVC钢丝软管、透明橡胶管和纤维塑料管3种类型，如图5所示。导种管直径（B）选取单因素试验较优的3个水平。

表1 导 种管长度 试验设 计Table 1 Experimental design of seed tube’s length

图5 导种管材料Fig.5 Materials of seed tube

2.3.2 集排器工作参数试验

气流压强单因素试验：为确定油菜小麦兼用气送式集排器气流压强的范围，在已获得的较优结构参数条件下，开展了气流压强对排种性能影响的单因素试验。气流压强设400、800、1 200、1 600 Pa共4个水平。

根据油菜、小麦播种的农艺要求，开展了气流压强（C）和供种转速（D）对排种性能影响的试验。气流压强通过调节调压阀控制，选取单因素试验较优的3个水平。油菜供种转速设10～40 r/min共4个水平，小麦供种转速设10～30 r/min共3个水平，增量均为10 r/min。

2.3.3 评价指标

试验按照GB/T 9478-2005“谷物条播机试验方法”测试集排器的排种性能[29]，试验时用种子袋收集导种管排出的种子，称量净质量，排种时间为1 min，重复5次，计算不同处理下各行排种量、各行排量一致性变异系数、总排量稳定性变异系数和种子破损率。

为进一步分析种子的排种性能，应用JPS-12型排种器视觉检测试验台模拟检测集排器排种时种子在种沟内的分布。试验中将图4的导种管安装于JPS-12型排种器视觉检测试验台上检测种子分布，由于该检测试验台仅有3条油带可用于检测，试验中检测3行种子。一次选取油带上5 m种子带为试验对象，每1 m为1组，共为5组[30]，重复5次，统计1 m内的种子数量，计算排种均匀性变异系数。

3 试验结果与分析

3.1 导种管结构参数与材料对排种性能的影响

3.1.1 导种管直径对排种性能影响

表2表明，导种管材料、长度和θ分别为PVC钢丝软管、1 m和90°条件下，直径为10 mm的平均行播种量明显低于其他直径处理。导种管直径在16～25 mm范围内的平均行播种量差异较小。从各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数来看，各行排量一致性变异系数以直径为10 mm最高，直径在16～20 mm范围内均较低，不高于4.5%；总排量稳定性变异系数随导种管直径变化趋势与各行排量一致性变异系数变化趋势一致，因此，导种管较小（10 mm）时，由于气流沿程损失很高，各行排种量很低，且各行排量一致性变异系数很高，不适用于气送式集排器导种；确定导种管直径范围为16～25 mm。

表2 导种管直径对排种性能的影响Table 2 Influence of seed tube diameter on seeding performance

3.1.2 导种管长度组合对排种性能影响

导种管直径和θ分别为16 mm和90°时，导种管长度组合对各行排量一致性变异系数影响显著（表3），其中等长度和二梯度处理的各行排量一致性变异系数明显低于三梯度处理；导种管长度为1 m的等长度处理为最低，与三梯度处理间的差异显著。相同梯度处理条件下，不同导种管长度间的各行排量一致性变异系数无显著差异，总排量稳定性变异系数均低于1.0%。因此，布置导种管位置时应尽量降低不同行之间导种管长度的差异。

3.1.3 导种管布置角度对排种性能影响

导种管布置角度对排种性能的影响结果表明（图6），导种管长度均为1 m和直径为16 mm时，导种管与水平面夹角θ对各行排量一致性变异系数影响不显著（F=1.05），则因行距要求使导种管布置角度不同对各行排量一致性变异系数的影响可以忽略。总排量稳定性变异系数随放置角度降低呈先增后降的趋势，在放置角度60°时达到最高，但最高值低于1.2%。试验中采用PVC钢丝软管，θ不同影响导种管出口的截面积较小。因此，在田间试验中，可忽略导种管被放置不同角度对排种性能的影响。

表3 导种管长度组合对排种性能的影响Table 3 Influence of seed tube length’s combination on seeding performance

注：导种管材料、供种转速和气流压强分别为PVC钢丝软管、20 r·min-1和1 200 Pa。导种管直径和θ分别为16 mm和90°。采用LSD检验比较样本平均数的差异显著性，表中同列中数字后跟相同小写字母表示差异未达0.05显著水平。*和**分别表示方差分析在0.05和0.01水平上显著，下同。Note:The seed tube material,rotational speed and airflow pressure are PVC tube,20 r·min-1and 1 200 Pa,respectively.The seed tube diameter and θ are 16 mm and 90°,respectively.The least significant difference test(LSD)at the 0.05 level is used to determine differences between the means of the treatments.Values within a colum follow small letter are not significantly different at P<0.05.*and**denote significance of variance analysis at the 0.05 and 0.01 levels,respectively.Same as below.

图6 导种管与水平面夹角对排种性能的影响Fig.6 Effects of angle between seed tube and horizontal plane on seeding performance

3.1.4 导种管材料和直径对排种性能的影响

在导种管长度和θ分别为1 m和90°条件下，开展了导种管材料与直径对排种性能影响的试验，结果如表4所示。

表4 导种管材料与直径对油菜与小麦排种性能的影响Table 4 Effects of seed tube material and diameter on seeding performance for rapeseed and wheat

排种油菜时，导种管材料、直径和材料与直径的交互作用对平均行排种量和各行排量一致性变异系数均有极显著影响，对总排量稳定性变异系数影响不显著。从各行排量一致性变异系数来看，导种管材料表现为PVC钢丝软管<透明橡胶管<纤维塑料管；而各行排量一致性变异系数随导种管直径增加呈增加的趋势，尤其是透明橡胶管和纤维塑料管当直径为25 mm时迅速增加，以直径为16～20 mm的PVC钢丝软管材料的增压管各行排量一致性变异系数较低，低于4.50%。排种小麦时，导种管材料、直径和材料与直径的交互作用对各行排量一致性变异系数影响均达到极显著水平，PVC钢丝软管和透明橡胶管的各行排量一致性变异系数显著低于纤维塑料管材料；PVC钢丝软管和透明橡胶管的各行排量一致性变异系数随直径增加呈增加的趋势，以直径为25 mm处理最高，直径为16和20 mm处理间的差异较小。总排量稳定性变异系数随导种管直径增加均呈降低的趋势，种子破损率均低于0.1%。

综合分析，PVC钢丝软管通过增加强度，保持各导种管出口截面积相等，使各行排量一致性变异系数较低且稳定。而透明橡胶管和纤维塑料管在直径为16 mm时导种管变形较小，能够保证导种管出口截面积一致；当直径达到20和25 mm时，由于透明橡胶管和纤维塑料管材料柔性均较大，导种管长度大且容易发生变形，从而导致导种管出口面积不一，进一步影响不同行之间导种管出口的压强，降低了各行排种一致性，与理论分析一致。油菜的各行排量一致性变异系数整体低于小麦，这是由于小麦排种量较高，增加了种子在气流场中的体积分数，对气流分配均匀性影响更灵敏。

由极差分析可知（表5），排种油菜和小麦时影响各行排量一致性变异系数的主次因素均为：导种管材料>直径；而影响总排量稳定性变异系数的主次因素均为：导种管直径>材料。对于排种油菜和小麦时的各行排量一致性变异系数的最优材料为A1，即导种管材料为PVC钢丝软管；排种油菜时的各行排量一致性变异系数以16 mm最优（B1），排种小麦则为20 mm（B2），综合考虑油菜小麦兼用的排种要求与排种性能，排种管直径选取20 mm。

表5 试验结果极差分析Table 5 Range analysis of experimental results

3.2 工作参数对排种性能的影响

3.2.1 气流压强对排种性能影响

由图7可知，在导种管直径、长度和θ分别为20 mm、1 m和90°时，气流压强为400 Pa时排种小麦的平均行排种量明显低于其他气流压强处理，排种油菜时差异不明显。气流压强为400 Pa时排种油菜、小麦的各行排量一致性变异系数均明显高于其他气流压强处理。综合来看，排种油菜时气流压强为400～1 600 Pa均能正常排种，但各行排量一致性变异系数存在差异；由于小麦种子千粒质量显著高于油菜种子，在气流压强为400 Pa时不能达到排种量要求，因此试验中气流压强取800～1 600 Pa。

图7 气流压强对油菜、小麦排种性能的影响Fig.7 Effects of airflow pressure on seeding performance for rape and wheat

3.2.2 气流压强和供种速率对排种性能的影响

根据单因素试验结果，气流压强选择800、1 200、1 600 Pa共3个水平。表6所明，气流压强、转速、气流压强与转速交互作用对平均行排种量均有极显著影响（P<0.01），排种油菜、小麦时平均行排种量随转速增加均极显著增加；不同气流压强条件下的平均行排种量差异显著（P<0.05），随气流压强增加呈降低的趋势。气流压强对各行排量一致性变异系数影响不显著，说明当气流压强达到800 Pa以上时，油菜种子分配均匀性受气流压强影响较小；转速对各行排量一致性变异系数影响达显著水平，随转速增加呈先降后升的趋势；排种小麦时，各行排量一致性变异系数随气流压强增加呈降低趋势，转速对各行排量一致性变异系数影响极显著（P<0.01），转速为10 r/min时最高。气流压强和转速对总排量稳定性变异系数和种子破损率影响均不显著。

对试验结果进行拟合，应用Matlab软件拟合得到油菜、小麦排种时气流压强和供种转速与各行排量一致性变异系数之间关系如式（5）所示，二次多元回归方程的决定系数分别为0.933 4和0.868 4。

表6 气流压强与供种转速对油菜小麦排种性能的影响Table 6 Effects of airflow pressure and rotational speed on seeding performance for rape and wheat

式中yr为油菜的各行排量一致性变异系数，%；yw为小麦的各行排量一致性变异系数，%；x1为气流压强，Pa；x2为供种转速，r/min。通过分析排种油菜、小麦的各行排量一致性变异系数的三维图（图8），排种油菜、小麦时气流压强分别为1 200和1 600 Pa时具有较好的排种均匀性，在转速为20～40 r/min时总排量稳定性变异系数和各行排量一致性变异系数分别低于1.0%和4.00%；在转速为20 r/min时排种油菜、小麦的各行排量一致性变异系数分别为2.85%和2.58%。

3.3 排种均匀性试验

在较优的集排器结构参数条件下，排种油菜、小麦气流压强分别为1 200、1 600 Pa和供种转速为20 r/min时，在JPS-12型排种器视觉检测试验台上检测了集排器排种均匀性，试验结果如表7所示。排种油菜、小麦时1 m内平均排种数量分别为20.92～22.76和52.92～56.32，3行的排种均匀性变异系数分别低于19.0%和12.5%，满足JB/T 6274.1-2001“谷物条播机 技术条件”要求。从排种数量来看，油菜、小麦播种密度约为20和55粒/m，受田间土壤墒情、种子自身发芽率和后期天气等影响，油菜、小麦的实际成苗数会明显降低（油菜成苗率约60%），该种植密度能满足实际田间播种要求。

图8 供种转速与气流压强对油菜小麦种子排种性能的影响Fig.8 Effects of rotational speed and airflow pressure on seeding performance for rape and wheat seed

表7 油菜小麦的排种均匀性变异系数Table 7 Variation coefficient of seeding uniformity for rape and wheat

4 田间试验

为检验油菜小麦兼用气送式集排器的播种质量，2015～2017年在武汉、荆州和新疆昭苏等地进行了约20 hm2的油菜、小麦播种生产试验。各地生产试验结果表明，该油菜小麦兼用气送式集排器能够根据油菜、小麦不同播种量要求完成播种田间试验，田间播种试验及苗期长势如图9所示，油菜、小麦的成行性与均匀性均较好。

图9 田间播种后油菜小麦苗期长势Fig.9 Growth performance for rape and wheat after field sowing

2016年在华中农业大学校内现代农业科技d园设置了不同播种量的油菜、小麦播种试验，以评价播种和出苗质量。试验以2BFQ-6油菜精量联合直播机为平台，牵引动力为东方红-LX854，机组前进速度为2.52 km/h，播种行数均为8行，行距为200 mm，幅宽为2.0 m。播种后1月（油菜约4叶，小麦约3叶）测定不同处理下8行1 m内的植株数量，每个处理重复3次，统计不同处理的单位面积（1 m2）内8行的幼苗数量及各行植株分布变异系数，结果如表8所示。

表8表明，油菜、小麦的各行植株分布变异系数分别不高于22%和16%，各行植株分布均匀性较好。油菜种植密度范围为40～68株/m2，稳定性变异系数低于20%；小麦的单位面积植株数量约为129和252株/m2，稳定性变异系数分别为8.34%和8.12%。由于植株成苗数与受种子发芽率、地块平整度和降雨量等因素密切相关，植株田间分布与台架试验结果略有差异。整体上油菜、小麦的植株分布呈现出较好的均匀性，且苗期长势良好，满足油菜、小麦的农艺种植要求。

表8 油菜小麦田间幼苗分布Table 8 Seedling distribution for rape and wheat in field

5 结论

1）集排器导种过程力学分析确定影响排种一致性的因素主要包括导种管材料、结构和集排器工作参数。导种管材料与结构试验结果表明：导种管材料、直径和材料与直径的交互作用对平均行排种量和各行排量一致性变异系数均有极显著影响（P<0.01），对总排量稳定性变异系数影响不显著。导种管材料和直径分别为PVC钢丝软管和20 mm时，排种性能较优。导种管长度组合对各行排量一致性变异系数影响显著（P<0.05），排种时应尽量保持导种管长度一致。

2）气流压强和供种转速对各行排量一致性变异系数有显著或极显著影响，各行排量一致性变异系数随转速增加呈先降后升的趋势。供种转速为20～40 r/min，排种油菜、小麦气流压强分别为1 200和1 600 Pa时具有较好的排种均匀性，总排量稳定性变异系数和各行排量一致性变异系数分别低于1.0%和4.00%，种子破损率低于0.1%。

3）在较优的导种管结构和工作参数条件下，应用JPS-12型排种器视觉检测试验台上检测了集排器排种均匀性。油菜、小麦的排种均匀性变异系数分别低于19.0%和12.5%；田间试验的油菜、小麦的各行植株分布变异系数分别不高于22%和16%；油菜种植密度为40～68株/m2时，稳定性变异系数低于20%；小麦的单位面积植株数量为129和252株/m2时，稳定性变异系数分别为8.34%和8.12%，达到油菜、小麦的农艺种植要求。

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