油菜集排器供种装置侧向倾斜排种性能试验与分析

王　磊，廖宜涛，张青松，刘　海，王宝山，廖庆喜

·农业装备工程与机械化·

油菜集排器供种装置侧向倾斜排种性能试验与分析

王磊，廖宜涛，张青松，刘海，王宝山，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）

针对油菜机械化播种中地表不平引起集排器供种装置倾斜，导致排种稳定性不足的问题，该研究以油菜集排器供种装置为对象，构建排种过程中侧向倾斜时种子与供种装置型孔间的力学模型，应用EDEM仿真开展供种装置侧向倾斜角度和供种装置转速对排种过程中型孔中的种子种量及种子运移轨迹影响的双因素试验。仿真结果表明：在0°～5°范围内，沿播种机作业方向侧向倾斜角度逐渐增大时，充种、携种过程中倾斜一侧型孔中的种子数量相对无倾斜状态时的平均增加量在0～36.55%内逐渐增加，另一侧型孔中的种子数量相对无倾斜状态时的平均减少量在0～26.68%内逐渐增加。利用智能种植机械测试平台开展供种装置转速为20～40 r/min时不同侧向倾斜和摆动对供种装置排种性能影响的试验。结果表明：投种口Ⅰ、投种口Ⅱ排种量与仿真试验中投种口Ⅰ、投种口Ⅱ排种量比值的平均误差为3.86%；随侧向倾斜、侧向摆动、侧向往复摆动角度的增加，总排种速率相对无倾斜状态时的增加量在0～9.02%内逐渐增大；通过提高供种装置转速，可减少侧向倾斜和摆动对排种性能的影响。研究结果可为供种装置的结构改进和性能提升提供参考。

农业机械；作物；试验；油菜；集排器；供种装置；侧向倾斜排种

0 引 言

油菜是重要的油料作物，其种植区域广泛[1-4]，既适应于平原地区大规模机械化种植[5-7]，也可实现丘陵山区等小而分散田块的机械化播种[8-10]。油菜集排器供种装置作为油菜播种机的核心部件之一，可与集中分配器装配为气送式集排器，实现油菜高速、宽幅、高效的机械化种植[11]，同时可安装投种口作为上排机械式集排器适于丘陵山区的油菜播种[12]，但播种作业中地表不平导致播种机侧向倾斜对集排器供种装置中种子运移轨迹及排种性能均具有显著影响[13-16]。

为提高平整地表供种装置排种稳定性，雷小龙等[17-18]应用高速摄影、EDEM仿真等技术，设计了油菜精量穴播集中排种装置，开展了供种装置充种性能优化试验；邢鹤琛等[19]为解决机械式油菜排种器种子易破损、堵塞的问题，设计了一种应用供种装置且无需清种和护种装置的油麦兼用斜锥型孔轮式集排器；李兆东等[20]为提高小麦的充种性能且适应高速播种，设计了一种具有倾斜抛物线型孔轮式小麦精量供种装置；周海波等[21-22]针对槽轮式排种装置存在充种不均匀的问题，设计了一种电磁振动勺型槽轮式供种装置；Yatskul等[23-24]针对气送式集排器的排种特性，开展了供种装置、气流输送系统、集中分配器参数匹配的研究；Mudarisov等[25]为研究供种装置对气送式集排器种子与气流两相流的影响机制，开展了CFD-DEM耦合仿真，分析了供种装置供种量对排种稳定性的影响。综上，现有供种装置的研究主要针对提高平整地表作业的充种稳定性、作业效率及降低破损率，而播种机作业方向侧向倾斜和摆动对供种装置排种性能及种子运移轨迹影响的研究较少，制约了供种装置在播种机作业方向侧向倾斜和摆动工况作业时的适应性。

本文针对油菜播种地表不平导致油菜供种装置侧向倾斜和摆动，影响排种稳定性的问题，应用EDEM仿真开展供种装置侧向倾斜角度和供种装置转速对供种装置充种、携种、投种过程中型孔中种子数量及种子运移轨迹影响的双因素试验。利用智能种植机械测试平台开展播种机沿作业方向侧向倾斜、侧向摆动、侧向往复摆动对供种装置排种性能影响的试验，以期为供种装置的结构改进和性能提升提供参考。

1 供种装置总体结构及排种过程分析

1.1 总体结构

供种装置与高压风机、气流分配管、种箱、送料装置、集中分配器组成气送式排种系统，与种箱、投种口装配为上排机械式集排器，实现油菜集中排种功能[26-27]。油菜供种装置主要由播量调控轮、隔板、型孔1、型孔2、型孔3、型孔4、外切圆弧型孔轮、传动轴、供种口、硅胶刮种板、卸种板、充种室、种量调节板、供种壳体、种箱等组成，其主要技术参数如表1，主要结构如图1。供种装置型孔排布的顺序参考方向为沿播种机作业方向，侧向倾斜以图1a的对称轴为分界线。

表1 供种装置主要技术参数

1.播量调控轮 2.隔板 3.左1型孔 4.左2型孔 5.右1型孔 6.右2型孔 7.外切圆弧型孔轮 8.传动轴 9.种箱 10.壳体 11.种量调节板 12.充种室 13.卸种板 14.硅胶刮种板 15.投种口 Ⅰ.供种装置左侧 Ⅱ.供种装置右侧 Ⅲ充种区 Ⅳ.携种区 Ⅴ.投种区

注：为倾斜侧与另一侧的划分线。

1.Seed adjusting wheel 2.Baffle plate 3.1 type hole on left side 4.2 type hole on left side 5.1 type hole on right side 6. 2 type hole on right side 7.Circumscribed arc type hole wheel 8.Transmission shaft 9.Seed box 10.Shell 11.Seed regulating board 12.Seed filling room 13.Seed unloading plate 14.Silica gel seed scraping plate 15.Seed dropping port Ⅰ.Left side of seed feeding device Ⅱ.Right side of seed feeding device Ⅲ.Seed filling area Ⅳ.Seed carrying area Ⅴ.Seed dropping area

Note:is the dividing line between the tilt side and the other side.

图1 供种装置结构示意图

Fig.1 Structural diagrams of seed feeding device

1.2 地表不平侧向倾斜时的工作过程及原理

播种机沿不平地表作业时将发生侧向倾斜。若播种机侧向倾斜，气送式集排器将随播种机一并倾斜，种箱中的种子落入供种装置，充种过程中，油菜种子进入充种区，种量调节板与型孔轮间形成的充种区中倾斜侧充种区种层厚度增加，另一侧充种区种层厚度降低，导致倾斜侧型孔充中种量增加，另一侧型孔中种量减少；携种过程中型孔中种量分布规律与充种过程相同；投种过程中，种子受重力及脱离型孔瞬时初速度的影响，具有向倾斜侧运动的速度分量，导致投种区倾斜侧种量进一步增加，另一侧种量进一步减少，则进入送料装置倾斜侧腔室的种量相对平整地表时增加，进入送料装置另一侧腔室的种量相对平整地表时减少，由倾斜侧腔室进入倾斜侧集中分配器、另一侧腔室进入另一侧集中分配器的种量因供种装置侧向倾斜具有较大差异，且供种装置倾斜导致进入送料装置及集中分配器中的种子迁移轨迹改变，倾斜侧的集中分配器管壁通道种量增加，破坏了进入集中分配种子流的均匀稳定输送状态，影响排种稳定性及各行排量一致性。若播种机安装上排机械式集排器作业时，供种装置投种过程中侧向倾斜分布不均的种量由上排机械式集排器各投种口排出，影响各行排量一致性。

1.3 充种及携种过程分析

设定播种机作业方向为侧向倾斜的参考方向，根据供种装置与播种机的装配关系，当供种装置向左侧向倾斜时，充种及携种过程中种子群与供种装置位置关系如图2所示。根据散粒体力学及堆放特性[28-29]，种量调节板与外切圆弧型孔轮间的充种区油菜种子表层应与水平面平行，倾斜侧充种区种层高度大于另一侧充种区种层高度。

1.供种装置左侧 2. 供种装置右侧 3.型孔4 4.型孔3 5.型孔2 6.型孔1 Ⅰ.充种区 Ⅱ.携种区

注：为供种装置侧向倾斜角度，（°）

1.Left side of seed feeding device 2.Right side of seed feeding device 3.Type hole 4 4.Type hole 3 5.Type hole 2 6.Type hole 1 Ⅰ.Seed filling area Ⅱ.Seed carrying area

Note:is the lateral tilt angle of seed feeding device, （°）

图2 充种及携种过程示意图

Fig.2 Schematic diagram of seed filling and seed carrying process

为了探究侧向倾斜状态时充种及携种过程中型孔内种子的运动特性，对油菜种子由充种区至携种区的瞬时受力进行分析，如图3所示。该时刻外切圆弧型孔内种子受力仅为型孔内种子群的相互作用力及种子与型孔壁面作用力。以携种区型孔内最接近充种室种子为受力质点，建立质点经充种区至携种区瞬时受力平衡方程：

由式（1）可得：

（2）

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

1.种量调节板 2.外切圆弧型孔轮

1. Seed regulating board 2. Circumscribed arc type hole wheel

注：为外切型孔轮转动中心；O为质点中心；、为坐标轴；F为惯性离心力，N；F为型孔壁对质点的支撑力，N；F为型孔壁对质点的摩擦力，N；F为型孔内剩余种子对质点的压力，N；F为型孔内剩余种子对质点的摩擦力，N；为质点重力，N；为型孔轮角速度，rad·s-1；为轴与水平面的夹角，(°)；为F与轴的夹角，(°)；为F与轴的夹角，(°)。

Note:is rotation center of circumscribed arc type hole wheel;andare the coordinates axis;Fis the inertial centrifugal force, N;Fis the support force of the type hole wall to the particle, N;Fis the friction of the type hole wall to the particle, N;Fis the pressure of the remaining seeds in the type hole to the particle, N;Fis the friction of the remaining seeds in the type hole to the particle, N;is the gravity of particle, N;is the angular velocity of type hole wheel, rad·s-1;is the angle betweenaxis and horizontal plane, (°);is the angle betweenFandaxis, (°);is the angle betweenFandaxis, (°).

图3 型孔中质点受力示意图

Fig.3 Sketch of forcing on particle in type hole

根据式（1）～（2）可知，为保证质点由充种区运动至携种区时不从型孔中抛出，轴方向质点重力、型孔内剩余种子对质点的作用力及型孔壁对质点作用力的合力应大于质点的惯性离心力。播种机侧向倾斜时，倾斜一侧型孔1和型孔2的充种区种层高度大于无倾斜状态，轴与水平面的夹角增大，型孔内剩余种子对质点摩擦力的夹角、轴与型孔壁对质点的摩擦力的夹角均减小，重力在轴上的分力sin、型孔内剩余种子对质点的摩擦力在轴上的分力Fcos、型孔壁对质点的摩擦力在轴上的分力Fcos均增大，型孔壁对质点的支持力在轴上的分力Fsin减小，降低了种子从型孔中抛出的概率；型孔3和型孔4的充种区种层高度小于无倾斜状态，轴与水平面的夹角减小，型孔内剩余种子对质点摩擦力的夹角、轴与型孔壁对质点的摩擦力的夹角均增大，增加了种子从型孔中抛出的概率。

为保证种子由充种区运动至携种区质点不从型孔中滑落到充种室内，轴方向力系应保持平衡。播种机侧向倾斜时，型孔1和型孔2的孔壁对质点的摩擦力F、型孔内剩余种子对质点的摩擦力F在轴上的分力均增加，降低了种子从型孔中滑落到充种室内的概率；型孔3和型孔4的孔壁对质点的摩擦力F、型孔内剩余种子对质点的摩擦力F在轴上的分力均减小，增加了种子从型孔中滑落到充种室内的概率。

基于对种子由充种区至携种区运动过程的受力分析可知，供种装置向左倾斜时，型孔1、型孔2、型孔3和型孔4在携种区单个型孔中的种量依次减少；供种装置向右倾斜时，型孔1、型孔2、型孔3和型孔4在携种区单个型孔中的种量依次增加。

小金鱼在鱼缸里悠游，众人围观赞赏，螃蟹羡慕极了，上蹿下跳，企图跳进鱼缸，却不能如愿。红箭鱼在池塘里游弋，引起红鲤鱼、鲫鱼、石斑鱼和灯科鱼们的追捧，螃蟹对红箭鱼羡慕嫉妒恨，对红箭鱼的追捧者傲慢鄙视怒。螃蟹气势磅礴地咆哮，我，伟大的螃蟹，不但能够比你们红，而且一定会大红大紫，无与伦比！看热闹的青蛙点点头，翘起大拇指，给螃蟹点了一个大大的赞！然后，遥指正在烹鱼的紫铜火锅，恭恭敬敬地对螃蟹说，您老人家紫铜锅里走一趟，一定会大红大紫！螃蟹蹿红心切，忘乎所以，直奔紫铜火锅。

1.4 投种过程分析

为了探究沿播种机作业方向侧向倾斜对种子运移轨迹的影响，对油菜种子投种过程中的受力进行分析。地表不平、播种机向左倾斜时，供种装置投种过程中种子仅受自身重力作用，种子由型孔中投落至接触供种装置壳体前的受力如图4所示，根据投种过程中种子的运动学关系，建立种子速度方程：

由式（3）可知，投种过程中，随侧向倾斜角度的增加，种子沿型孔轮切向速度减小，种子沿型孔轮法向速度增大，种子向倾斜侧运动的趋势增加，倾斜角度越大，倾侧投种区投种过程的种量越多，与由倾斜导致的充种及携种过程种量的变化规律一致；随供种装置转速的增加，种子沿型孔轮切向速度增加，投种时间缩短，降低了型孔轮法向速度，则倾斜对投种区种子向倾斜侧运移作用减弱。

注：O为种子中心；v为种子沿型孔轮的法向速度，m·s-1；v为种子沿型孔轮的切向速度，m·s-1；v为型孔轮线速度，m·s-1；v为种子竖直方向速度，m·s-1。

Note:Ois the seed center;vis the normal velocity of the seed along type hole wheel, m·s-1;vis the tangential velocity of the seed along type hole wheel, m·s-1;vis the linear velocity of the type hole wheel, m·s-1;vis the vertical velocity of the seed, m·s-1.

图4 投种过程中种子受力图

Fig.4 Sketch of forcing on seed in seed dropping process

2 侧向倾斜对供种装置排种性能的影响

为探究地表不平时供种装置沿播种机作业方向左右倾斜对供种装置排种性能的影响，应用EDEM仿真分析沿播种机作业方向供种装置的侧向倾斜角度和供种装置转速对充种、携种、投种过程种子运移轨迹的影响，揭示播种机侧向倾斜对供种装置排种性能的影响规律。

2.1 模型建立

将仿真模型分为外壳与型孔轮2个模块，外壳材料为铝合金，型孔轮材料为ABS工程树脂，为保证供种装置不同转速时充种室内油菜种量满足在无倾斜及最大倾斜状态的仿真时间段内，种量调节板与外切圆弧型孔轮间充种区种层高度保持稳定的要求，设置油菜种子为60 000粒；为有效统计在排种过程中各排型孔内的种量，设置型孔轮转动时间为8 s，总仿真时间为9 s[30]。仿真模型如图5所示，为便于分析，定义左侧投种口为投种口Ⅰ，右侧投种口为投种口Ⅱ。

1.投种口Ⅰ 2.投种口Ⅱ 3.型孔1 4.型孔2 5.型孔3 6.型孔4

2.2 仿真试验

综合考虑播种机作业效率和排种量需求，设置供种装置转速为20～40 r/min；以播种机作业方向轴为倾斜轴，轴正向为向左侧倾斜方向，基于新疆及长江中下游地区地表特征，油菜种植区耕地坡度为0°～5°，确定侧向倾斜角度为−5°～5°，由于供种装置结构左右对称，左右倾斜对排种过程种子运移轨迹影响规律相同，因此选取倾斜角度为0°～5°开展供种装置的侧向倾斜角度和供种装置转速的双因素试验。供种装置转速每间隔5 r/min为一个水平；倾斜角度每间隔1°为一个水平，每个试验水平重复5次。供种装置转速为30 r/min时的排种过程种子运移轨迹如图6所示。分别统计型孔1、型孔2、型孔3、型孔4充种及携种过程中的种量，投种口Ⅰ和投种口Ⅱ投种过程中的种量，分别计算投种口Ⅰ和投种口Ⅱ种量的比值、型孔1与型孔4、型孔1与型孔2种量、型孔3和型孔4的种量比值，结果如表2所示。

以侧向倾斜角度相对无倾斜状态下的型孔中的种子粒数变化量（相对变化量1），侧向倾斜角度相对无倾斜状态下的投种口种量变化量（相对变化量2）作为排种性能评价指标。相对变化量1计算式为

式中q为侧向倾斜角度时型孔中的种子粒数；q为无倾斜状态下型孔中的种子粒数。

式中m为侧向倾斜角度时投种口种量；m为无倾斜状态下投种口种量。

2.3 仿真试验结果分析

由图6可知，充种过程中，种量调节板与型孔轮间形成的充种区种子具有向倾斜方向运移的趋势，倾斜角度越大，充种区种子向倾斜侧运移的种子数量越多，倾斜一侧的充种区种层厚度越大。由于充种区种层厚度越大，携种过程中充入型孔的种子越多，则侧向倾斜角度越大，携种过程中倾斜侧型孔中种量越多，且种子在型孔中具有向倾斜侧运移的趋势，各排型孔中种量分布差异更明显。投种过程中，种子由型孔排出后受自身重力作用，具有向倾斜侧运移的趋势，倾斜角度越大，种子运移距离越远，倾斜侧排种过程中种量的增加量为充种、携种、投种过程对种子运移轨迹分布种量影响的共同作用而形成。投种过程中部分种子的运移轨迹具有无序性，是由于投种过程中种子接触到供种装置外壳，改变了既定的运移轨迹。

图6 不同倾斜角度下排种过程中的种子运移轨迹

由表2可知，充种及携种过程中，供种装置转速固定时，随侧向倾斜角度的增加，型孔1、型孔2内的种量逐渐增加且均高于无倾斜状态时的型孔充种量，型孔3、型孔4内种量逐渐减小且均低于无倾斜状态时的型孔充种量；当倾斜角度在0°～5°内逐渐增大时，倾斜侧型孔中的种子粒数相对无倾斜状态时的平均增加量在0～36.55%内逐渐增加，另一侧型孔中的种子粒数相对无倾斜状态时的平均减少量在0～26.68%内逐渐增加；充种量最高的型孔1与充种量最低的型孔4种量的比值为1.02～2.70。侧向倾斜时，充种过程导致了充种区种层厚度的变化，携种过程中倾斜侧与另一侧型孔中的种量差异是由于充种过程中充种量差异而产生，无重复双因素分析表明，侧向倾斜对由供种装置组成的气送式集排器及上排集排式集排器的充种及携种过程中倾斜侧与另一侧型孔内的种量具有显著影响（＜0.05）。充种及携种过程中，侧向倾斜角度一定时，随供种装置转速的增加，倾斜侧型孔与另一侧型孔内的种量比值、型孔1与型孔4内的种量比值总体先减小后趋于稳定，表明转速为20～40 r/min时，提高供种装置转速可降低侧向倾斜对供种装置充种及携种过程种子运移的影响。

投种过程中，供种装置转速一定时，随侧向倾斜角度的增加，投种口Ⅰ种量相对无倾斜状态时的平均增加量在0～86.82%内逐渐增加，投种口Ⅱ种量相对无倾斜状态时的平均减少量在0～75.65%内逐渐增加，无重复双因素分析表明，侧向倾斜对供种装置的投种过程中投种口Ⅰ与投种口Ⅱ的种量具有显著影响（＜0.05）；侧向倾斜时投种口种量相对无倾斜时的增加量可达到7.4%。投种过程中，侧向倾斜角度一定，随转速的增加，投种口Ⅰ与投种口Ⅱ的种量比值明显减小；倾斜5°、转速为20及40 r/min时，投种口Ⅰ与投种口Ⅱ的种量比值分别为14.4及5.29，表明转速为20～40 r/min时，提高转速可有效降低侧向倾斜对供种装置投种过程中种子运移的影响。

结合图6与表2可知，型孔1、型孔2、型孔3和型孔4的排种量差值随侧向倾斜角度的增加而逐渐增大；投种口Ⅰ、投种口Ⅱ的种量比值大于型孔内种量比值，表明由种子运移轨迹引起的投种过程种量变化量高于充种及携种过程；供种装置转速为20～40 r/min时，转速越高，侧向倾斜角度对供种装置排种过程中种子运移规律的影响越小，可通过增大供种装置转速提高供种装置的排种稳定性。

表2 供种装置转速与侧向倾斜对排种性能的影响

Note: FDRD: Rotating Speed of Seed Feeding Device, DP: Seed Dropping Port, SD: Seed quantity, TD: Type hole. The same as below.

3 侧向倾斜对供种装置排种性能影响试验

3.1 试验设备

为明确供种装置在地表不平导致侧向倾斜和摆动时的排种效果，并验证仿真试验的合理性，将供种装置安装于油菜宽幅精量免耕播种机，应用智能种植机械测试平台开展供种装置转速为20～40 r/min时侧向倾斜和摆动对供种装置排种性能影响的模拟试验，摆动周期为10 s，试验装置如图7所示。该平台可实现播种机沿作业方向前后、左右−5°～5°任意组合倾斜、摆动，并可提供播种机作业所需驱动力及风机压力。

1.油菜宽幅精量免耕播种机 2.测试平台 3.供种装置

3.2 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，供种装置随地表倾斜状态如下：1）地表倾斜角度一定，供种装置的倾斜方向不变，为连续侧向倾斜；2）供种装置仅单侧随机变换倾斜角度；3）供种装置沿地表向左、向右交替变换，倾斜角度随机变化。为更好地分析侧向倾斜对供种装置排种性能的影响规律，状态1）为侧向倾斜，状态2）为侧向摆动，状态3）为侧向往复摆动。

为减少种量变化对排种性能的影响，种箱中装入10 kg油菜种子。用尼龙网袋收集60 s内送料装置左右腔室中的种子，以供种装置60 s内的排种量为排种速率，计算各倾斜状态下供种装置投种口Ⅰ、投种口Ⅱ的排种速率、投种口总排种速率、总排种速率稳定性变异系数，试验油菜品种为华油杂62，千粒质量为4.67 g。

侧向倾斜试验：设定供种装置转速为20～40 r/min，每间隔10 r/min为一个水平，侧向倾斜角度为−5°～5°，每间隔1°为一个水平，试验重复5次。

侧向摆动试验：设定供种装置转速为20～40 r/min，每间隔10 r/min为一个水平，侧向摆动角度为−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。

侧向往复摆动试验：设定供种装置转速为20～40 r/min，每间隔10 r/min为一个水平，侧向往复摆动角度为−5°～5°、−4°～4°、−3°～3°、−2°～2°、−1°～1°，试验重复5次。

3.3 试验结果分析

通过对试验与数据的分析，可得投种口Ⅰ、投种口Ⅱ的排种速率、总排种速率、总排种速率稳定性变异系数如图8～10所示。

3.3.1 侧向倾斜时的排种性能分析

图8为侧向倾斜时的排种速率及其变异系数。由图8可知，随侧向倾斜角度的增大，投种口Ⅰ的排种速率逐渐增加，投种口Ⅱ的排种速率逐渐减小；投种口Ⅰ、投种口Ⅱ排种速率差值逐渐增大且差值相对无倾斜状态对称分布，表明侧向倾斜对各投种口的种子运移轨迹的影响规律一致；随侧向单侧倾斜角度绝对值的增加，总排种速率相对无倾斜状态时的增加量在0.76%～8.72%内逐渐增加；总排种速率稳定性变异系数与无倾斜时基本相同，表明侧向倾斜对排种速率稳定性影响较小。侧向倾斜时，投种口Ⅰ、投种口Ⅱ排种量比值与仿真试验中投种口Ⅰ、投种口Ⅱ排种量比值的平均误差为3.86%，表明仿真试验结果合理可信。侧向倾斜角度不变时，随供种装置转速在20～40 r/min内增加，投种口Ⅰ、投种口Ⅱ的排种速率比值的最大值在14.31～5.52内逐渐降低，侧向倾斜相对无倾斜状态时的总排种速率增加量的最大值在8.72%～5.22%逐渐减小，表明提高供种装置转速，可降低侧向倾斜对排种性能的影响，投种口Ⅰ、投种口Ⅱ排种量比值与仿真试验投种口Ⅰ、投种口Ⅱ排种量比值变化规律一致。

注：SR为排种速率，CV为变异系数。下同。

3.3.2 侧向摆动时的排种性能分析

图9为侧向摆动时的排种速率及其变异系数。由图9可知，随侧向摆动角度的增大，投种口Ⅰ的排种速率逐渐增加，投种口Ⅱ的排种速率逐渐减小。投种口Ⅰ、投种口Ⅱ的排种速率与侧向倾斜时的排种速率的变化规律相同，但排种速率的变化量低于侧向倾斜。随侧向摆动角度的增加，总排种速率相对无倾斜状态时的增加量在0.65%～4.23%内逐渐增加；投种口Ⅰ、投种口Ⅱ在侧向摆动时的排种速率变化量相对无倾斜状态时的增加量可达55.61%、减少量可达48.5%，表明侧向摆动对投种口Ⅰ、投种口Ⅱ排种速率具有明显影响。侧向摆动角度不变时，随供种装置转速在20～40 r/min内增加，投种口Ⅰ、投种口Ⅱ排种速率比值的最大值在3.03～2.24内逐渐减低，相对无倾斜状态时的总排种速率增加量的最大值在4.23%～2.56%内逐渐减小，表明提高供种装置转速，可降低侧向摆动对排种性能的影响。

图9 不同播种机转速下侧向摆动对排种速率及其变异系数的影响

3.3.3 侧向往复摆动时的排种性能分析

图10为侧向往复摆动时的排种速率及其变异系数。由图10可知，随侧向往复摆动角度的增加，转速为20 r/min时，投种口Ⅰ、投种口Ⅱ的排种速率均在37.36～41.12 g/min内逐渐增大，转速为30 r/min时，投种口Ⅰ、投种口Ⅱ的排种速率均在68.6～73.8 g/min内逐渐增大，转速为40 r/min时，投种口Ⅰ、投种口Ⅱ的排种速率均在98.01～106.86 g/min内逐渐增大，总排种速率相对无倾斜状态时的增加量在1.12%～9.02%内逐渐增大，且供种装置转速的增加对总排种速率变异系数相对无倾斜状态时的增加量影响较小，总排种速率变异系数小于0.66%，表明侧向往复摆动对排种速率稳定性影响较小，这是由于侧向往复摆动周期中倾斜一侧由种子迁移引起的种量增加量与另一侧种子迁移引起的种量减少量基本相同。侧向往复摆动角度不变时，相对无倾斜状态时的总排种速率增加量的最大值随供种装置转速增加而在9.02%～6.53%内逐渐减小，表明提高供种装置转速，可降低侧向往复摆动对排种性能的影响。

图10 不同播种机转速下侧向往复摆动对排种速率及其变异系数的影响

根据图8～图10并结合供种装置在侧向倾斜、侧向摆动、侧向往复摆动时的运动关系可知，侧向摆动、侧向往复摆动运动均为不同侧向倾斜角度连续运动叠加而成，侧向倾斜为供种装置各侧向运动的基础，实际田间作业中沿播种机作业方向侧向倾斜和摆动的任意组合对供种装置排种性能的影响，均可应用不同倾斜角度的连续侧向倾斜运动状态叠加开展分析。通过提高供种装置转速，可降低种口Ⅰ、投种口Ⅱ排种速率比值的最大值，减少沿播种机作业方向侧向倾斜和摆动对供种装置排种性能的影响。

4 结 论

1）应用EDEM仿真分析供种装置的侧向倾斜角度和供种装置转速对充种、携种、投种过程型孔内种量及种子运移轨迹的影响，仿真试验表明：沿播种机作业方向侧向倾斜角度越大，排种过程中种子向倾斜侧运移趋势越明显；当沿播种机作业方向侧向倾斜角度在0°～5°内逐渐增大时，充种、携种过程中倾斜侧型孔种子粒数相对无倾斜状态时的平均增加量在0～36.55%内逐渐增加，另一侧型孔内种子粒数相对无倾斜状态时的平均减少量在0～26.68%内逐渐增加。

2）利用智能种植机械测试平台模拟沿播种机作业方向侧向倾斜、侧向摆动、侧向往复摆动下供种装置的排种过程，试验结果表明：随侧向倾斜角度绝对值的增加，总排种速率相对无倾斜状态时的增加量在0.76%～8.72%内逐渐增加；随侧向摆动角度绝对值的增加，投种口Ⅰ、投种口Ⅱ排种速率相对无倾斜状态时的变化量为0～55.61%，总排种速率相对无倾斜状态时的增加量在0.65%～4.23%内逐渐增加；随侧向往复摆动角度的增大，总排种速率相对无倾斜状态时的增加量在1.12%～9.02%内逐渐增大；通过提高供种装置转速，可降低侧向倾斜和摆动相对无倾斜状态时总排种速率的增加量，并降低侧向倾斜和摆动时投种口Ⅰ、投种口Ⅱ排种速率比值的最大值，减少沿播种机作业方向侧向倾斜和摆动对供种装置排种性能的影响。

本研究开展了供种装置侧向倾斜和摆动对集排器供种装置排种性能影响的分析，可为供种装置结构优化改进、提高集排器供种装置对田间复地表杂作业工况的适宜性提供参考。后续将针对地表不平作业工况时的振动、振动与随机倾斜、摆动等多种工况条件对供种装置排种性能的影响做进一步深入研究。

[1] 毕影东，刘明，周广生，等. 黑龙江省饲料油菜品种筛选与种植技术研究[J]. 中国油料作物学报，2019，41(6)：835-841. Bi Yingdong，Liu Ming，Zhou Guangsheng, et a1. Selection and cultivation of forage rapeseed in Heilongjiang Province[J]. Chinese Journal of Oil Crop Sciences, 2019, 41(6): 835-841. (in Chinese with English abstract)

[2] 李兆东，杨文超，张甜，等. 油菜高速精量排种器槽齿组合式吸种盘设计与吸附性能试验[J]. 农业工程学报，2019，35(1)：12-22. Li Zhaodong, Yang Wenchao, Zhang Tian, et a1. Design and suction performance test of sucking-seed plate combined with groove-tooth structure on high speed precision metering device of rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 12-22. (in Chinese with English abstract)

[3] 赵必权，丁幼春，蔡晓斌，等. 基于低空无人机遥感技术的油菜机械直播苗期株数识别[J]. 农业工程学报，2017，33(19)：115-123. Zhao Biquan, Ding Youchun, Cai Xiaobin, et a1. Seedlings number identification of rape planter based on low altitude unmanned aerial vehicles remote sensing technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(19): 115-123. (in Chinese with English abstract)

[4] 段震宇，祁亚琴，邵玉林，等. 北疆麦后复播饲料油菜的播种量对其生长性状的影响[J]. 西南农业学报，2016，29(3)：516-519. Duan Zhenyu, Qi Yaqin, Shao Yulin, et a1. Effect of planting density on growth properties of rapeseed in wheat /silage rape multiple cropping in northern Xinjiang[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2016, 29(3): 516-519. (in Chinese with English abstract)

[5] 王磊，廖宜涛，张青松，等. 油麦兼用型精量宽幅免耕播种机仿形凿式开沟器研究[J]. 农业机械学报，2019，50(11)：63-73. Wang Lei, Liao Yitao, Zhang Qingsong, et al. Design on profiling chisel opener of precision broad width no-tillage planter for rapeseed and wheat[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(11): 63-73. (in Chinese with English abstract)

[6] 包攀峰，吴明亮，官春云，等. 犁旋组合式油菜播种开沟起垄装置设计[J]. 农业工程学报，2017，33(20)：23-31. Bao Panfeng, Wu Mingliang, Guan Chunyun, et a1. Design of plow-rotary style ditching and ridging device for rapeseed seeding[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 23-31. (in Chinese with English abstract)

[7] 丛日环，张智，鲁剑巍. 长江流域不同种植区气候因子对冬油菜产量的影响[J]. 中国油料作物学报，2019，41(6)：894-903.

Cong Rihuan, Zhang Zhi, Lu Jianwei. Climate impacts on yield of winter oilseed rape in different growth regions of the Yangtze River Basin[J]. Chinese Journal of Oil Crop Sciences, 2019, 41(6): 894-903. (in Chinese with English abstract)

[8] 冯军，石超，Linna Cholidah，等. 不同覆盖类型下减量施肥对油菜产量及水肥利用效率影响[J]. 农业工程学报，2019，35(15)：85-93. Feng Jun, Shi Chao, Linna Cholidah, et a1. Effects of reducing fertilizer application rate under different mulching types on yield and water-fertilizer utilization efficiency of rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 85-93. (in Chinese with English abstract)

[9] Li Xiaoyong, Zuo Qingsong, Chang Haibin, et a1. Higher density planting benefits mechanical harvesting of rapeseed in the Yangtze River Basin of China[J]. Field Crops Research, 2018, 218(4): 97-105.

[10] 曹秀英，廖宜涛，廖庆喜，等. 油菜离心式精量集排器枝状阀式分流装置设计与试验[J]. 农业机械学报，2015，46(9)：77-84. Cao Xiuying, Liao Yitao, Liao Qingxi, et a1. Design and experiment on valve-branch distributor of centrifugal precision metering device for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(9): 77-84. (in Chinese with English abstract)

[11] 雷小龙，廖宜涛，李兆东，等. 油麦兼用型气送式集排器供种装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(20)：10-18. Lei Xiaolong, Liao Yitao, Li Zhaodong, et a1. Design and experiment of seed feeding device in air-assisted centralized metering device for rapeseed and wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(20): 10-18. (in Chinese with English abstract)

[12] 雷小龙，杨文浩，杨龙君，等. 油菜精量穴播集中排种装置设计与试验[J]. 农业机械学报，2020，51(2): 54-64. Lei Xiaolong, Yang Wenhao, Yang Longjun, et a1. Design and experiment of seed hill-seeding centralized metering device for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(2): 54-64. (in Chinese with English abstract)

[13] 王磊，席日晶，廖宜涛，等. 地表坡度对油菜宽幅精量免耕播种机排种性能的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(7)： 11-21. Wang Lei, Xi Rijing, Liao Yitao, et al. Effects of land slope on seeding performance of a broad width precision no-tillage planter for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(7): 11-21. (in Chinese with English abstract)

[14] 雷小龙，李蒙良，张黎骅，等. 颗粒化肥水平气送式螺旋组合可调定量供肥装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(19)：9-18. Lei Xiaolong, Li Mengliang, Zhang Lihua, et a1. Design and experiment of horizontal pneumatic screw combination adjustable quantitative fertilizer feeding device for granular fertilizer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 9-18. (in Chinese with English abstract)

[15] 常金丽，张晓辉. 2BQ-10 型气流一阶集排式排种系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2011，27(1)：136-141. Chang Jinli, Zhang Xiaohui. Design and test of one-step centralized type pneumatic seeding system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 136-141. (in Chinese with English abstract)

[16] 邢赫，臧英，曹晓曼，等. 水稻气力式排种器投种轨迹试验与分析[J]. 农业工程学报，2015，31(12)：23-30. Xing He, Zang Ying, Cao Xiaoman, et al. Experiment and analysis of dropping trajectory on rice pneumatic metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(12): 23-30. (in Chinese with English abstract)

[17] Lei Xiaolong, Liao Yitao, Liao Qingxi, et a1. Simulation of seed motion in seed feeding device with DEM-CFD coupling approach for rapeseed and wheat[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2016, 131(12): 98-109.

[18] 雷小龙，廖宜涛，丛锦玲，等. 油菜小麦兼用气送式直播机集排器参数优化与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(12)：16-26. Lei Xiaolong, Liao Yitao, Cong Jinling, et al. Parameter optimization and experiment of air-assisted centralized seed-metering device of direct seeding machine for rape and wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(12): 16-26. (in Chinese with English abstract)

[19] 邢鹤琛，廖庆喜，王磊，等. 油麦兼用斜锥型孔轮式集排器设计与试验[J]. 华中农业大学学报，2019，38(5)：143-151.

Xing Hechen, Liao Qingxi, Wang Lei, et al. Design and test of oblique taper hole-type wheel centralized metering device for rapeseed and wheat[J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2019, 38(5): 143-151. (in Chinese with English abstract)

[20] 李兆东，王晴晴，张亚兰，等. 倾斜抛物线型孔轮式小麦供种装置设计与试验[J]. 农业机械学报，2018，49(5)：116-124. Li Zhaodong, Wang Qingqing, Zhang Yalan, et a1. Design and experiment of Inclined parabolic cell wheel in seed feeding device for wheat[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(5): 116-124. (in Chinese with English abstract)

[21] 周海波，梁秋艳，魏天路，等. 双级振动精密排种器外槽轮式供种装置设计与试验[J]. 农业机械学报，2016，47（增刊）：57-61，83. Zhou Haibo, Liang Qiuyan, Wei Tianlu, et a1. Design and experiment of quantitative seed supply sevice with fluted roller used for double-vibrating precision seed Meter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(Supp.): 57-61, 83. (in Chinese with English abstract)

[22] 周海波，马旭，姚亚利. 水稻秧盘育秧播种技术与装备的研究现状及发展趋势[J]. 农业工程学报，2008，24(4)：301-306. Zhou Haibo, Ma Xu, Yao Yali. Research advances and prospects in the seeding technology and equipment for tray nursing seedlings of rice [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(4)：301-306. (in Chinese with English abstract)

[23] Yatskul A, Lemiere J P, Cointault F. Influence of the divider head functioning conditions and geometry on the seed's distribution accuracy of the air-seeder[J]. Biosystems Engineering, 2017, 161(9): 120-134.

[24] Yatskul A, Lemiere J P. Establishing the conveying parameters required for the air-seeders[J]. Biosystems Engineering, 2018, 166(2): 1-12.

[25] Mudarisov S, Badretdinov I, Rakhimov Z. Numerical simulation of two-phase “Air-Seed” flow in the distribution system of the grain seeder[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2020, 168(1): 1-7.

[26] Kumar V J F, Durairaj C D. Influence of head geometry on the distributive performance of air-assisted seed drills[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 2000, 75(1): 81-95.

[27] 廖庆喜. 油麦兼用轮式精量集排器：108337960A[P]. 2018-07-31.

[28] 张波屏. 播种机械设计原理[M]. 北京：机械工业出版社，1982.

[29] 朱小旭，孙军杰，刘琨，等．重力条件下散体颗粒堆积特性研究[J]. 水利水电技术，2019，50(9)：154-161. Zhu Xiaoxu, Sun Junjie, Liu Kun, et al. Study on packing characteristics of granular particles under gravity[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2019, 50(9): 154-161. (in Chinese with English abstract)

[30] Shi Yinyan, Sun Xin, Wang Xiaochan. Numerical simulation and field tests of minimum-tillage planter with straw smashing and strip laying based on EDEM software[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2019, 166(10): 1-9.

Experiments and analysis on seeding performance of seed feeding device of rapeseed centralized metering device under lateral tilt

Wang Lei, Liao Yitao, Zhang Qingsong, Liu Hai, Wang Baoshan, Liao Qingxi※

(1. College of Engineering, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2. Key Laboratory of Agricultural Equipment in Mid-lower Yangtze River, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Wuhan 430070, China)

In order to solve the problems that the surface unevenness leads to the tilt of the seed feeding device of centralized metering device in rapeseed mechanized seeding, which causes insufficient seeding stability, the seed feeding device of centralized metering device was taken as the research object, the working process of the seed feeding device was analysied and the mechanical models between rapeseed and the type hole of the seed feeding device were built at different lateral tilt angle during the seed filling, seed carrying and seed dropping process. The effects of lateral tilt angle perpendicular to work direction and rotating speed of seed feeding device on seeds quantity in type hole and seeds migration trajectory during seeding process were analyzed by EDEM simulation. The simulation results showed that with the increase of the tilt angle within 0°-5°, the average increase of seed quantity in type hole of the tilt side relative to the no tilt increased within 0-36.55%, and the average decrease of seed quantity in type hole on the other side relative to the no tilt decreased within 0-26.68% during seed filling and seed carrying process. The ratio ranged from 1.02 to 2.70 between the highest seed quantity of type hole 1 and the lowest seed quantity of type hole 4. During the process of seed dropping, when the rotating speed of seed feeding device was fixed, with the increase of lateral tilt angle ranged from 0° to 5°, relative to the no tilt state, the average seed quantity increase of seed dropping port I was 0-86.82% and the average seed quantity decrease of seed dropping port II was 0-75.65%, respectively As the rotating speed of the seed feeding device was 20 r/min and 40 r/min, the ratio of seed quantity of seed dropping port I to that of seed dropping port II was 14.4 and 5.29, respectively. The intelligent test platform of planting machines was used to test the effects of different lateral tilt and swing on seeding performance of the seed feeding device. The experimental results indicated that the average error of seed quantity between the bench test and simulation test was 3.86%, which showed that the simulation results were reasonable and credible. With the increase of the absolute value of the lateral tilt angle, the increase of the total seeding rate was 0.76%-8.72% compared with the total seeding rate without tilt. With the increase of the absolute value of the lateral swing angle, the change of the seeding rate of the seed dropping port I and II was 0-55.61% compared with the no tilt state, and the increase of the total seeding rate was 0.65%-4.23%. With the increase of lateral reciprocating swing, the increase of total seeding rate was 1.12%-9.02% compared with that of no tilt state. The test results showed that lateral tilt, lateral swing and lateral reciprocating swing had significant influence on seeding stability. The effects of lateral tilt and swing on seeding performance could be reduced by increasing the rotating speed of the seed feeding device. The results can provide reference for promoting the structure improvement and performance improvement of the seed feeding device.

agricultural machinery; crops; test; rapeseed; centralized metering device; seed feeding device; lateral tilt seeding

王磊，廖宜涛，张青松，等. 油菜集排器供种装置侧向倾斜排种性能试验与分析[J]. 农业工程学报，2020，36(19)：1-10.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.001 http://www.tcsae.org

Wang Lei, Liao Yitao, Zhang Qingsong, et al. Experiments and analysis on seeding performance of seed feeding device of rapeseed centralized metering device under lateral tilt[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(19): 1-10. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.001 http://www.tcsae.org

2020-06-17

2020-07-20

国家自然科学基金资助项目（51875229）；国家油菜产业体系专项资助项目（CARS-12）；湖北省丘陵山区主要农作物机械化生产关键技术装备研发与集成示范项目

王磊，博士生，主要从事油菜播种技术与装备研究。Email：wangchong12356@126.com

廖庆喜，教授，博士生导师，主要从事油菜机械化生产技术与装备研究。Email：liaoqx@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.001

S223.2+3

A

1002-6819(2020)-19-0001-10