基于Bezier曲線的油菜旋轉盤式精量集排器設計與試驗

姚 露 廖慶喜 沈文惠 王 磊 李蒙良 胡喬磊

(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

油菜是我國國產植物油第一大油源[1-2]，2020年機播率僅為35.65%。長江流域作為冬油菜主產區，因其地塊面積狹小分散和土壤黏重板結等特點，機械化播種水平相對偏低[3-5]，開發輕簡實用的播種機可有效提高機械化播種水平。機械離心式集排器因具有結構簡單等特點而被廣泛運用[6]。旋轉盤分種機構作為機械離心式集排器的核心部件，其結構形式及參數影響種子分配的均勻性進而影響集排器各行排量一致性。

各行排量穩定性及一致性是影響作物長勢和產量的關鍵因素之一[7]，為提高排種性能相關學者開展了深入研究。YATSKUL等[8]建立了氣送式集排器結構和工作參數與各行排量一致性的數學模型，確定了分配裝置參數的較優組合；LEI等[9]設計了一種碗式枝狀分配裝置用來提高油麥兼用型氣送式集排器排種均勻性；MUDARISOV等[10]建立了氣送式播種機分配系統的氣固兩相流參數的數學模型，保證了氣流與種子的分布均勻性；HU等[11]運用CFD-DEM仿真分析了氣送式集排器分配裝置中油菜種子的運動特性并確定其最佳結構參數，提高了分配性能；曹秀英等[12-13]設計了一種可用于離心式精量集排器的枝狀閥式分流裝置，用以提高傾斜地表工況下的排種性能；黃小毛等[14]設計了一種可用于無人機油菜飛播裝置的上凸錐筒離心式排種器，可實現條播且各行排量一致性較好；程修沛等[15]對離心式分種器進行結構改進和參數優化，以提高小麥小區播種機的分種均勻性；王磊等[16-19]設計了一種基于文丘里原理的混種部件，并優化了勻種渦輪及穹頂狀分配裝置，解決了由氣流、地表坡度等導致油麥兼用氣送式集排器排種性能降低的問題。綜上，適用于油菜種子等表皮薄易破損的小粒徑作物的機械離心式集排器分種機構較少，且無法有效約束種子流的遷移軌跡，導致分種均勻性降低，進而影響集排器各行排量一致性及破損率。

基于長江中下游地區油菜種植特點，針對現有油菜機械離心式集排器分種機構種子流分配不均導致各行排量一致性較低的問題，利用多次Bezier曲線基本原理建立參數化模型，設計一種“一器八行”、采用螺旋進種條定量供種、旋轉盤均勻分種的旋轉盤式精量集排器，分析確定導葉曲線的參數方程及關鍵參數，借助EDEM仿真手段開展旋轉盤分種性能試驗，得到集排器分種裝置導葉入口角、出口角、包角及葉片數的最佳參數組合及對性能參數的影響，驗證仿真模型的合理性，以期為旋轉盤式精量集排器結構改進提供參考。

1 結構與工作原理

1.1 總體結構

2BFQ-8型油菜旋轉盤式精量聯合直播機主要由主機架、排種系統、排肥系統、開畦溝系統、仿形地輪、旋耕裝置等組成，如圖1所示。排種系統主要由集排器、驅動電機、種箱、導種管及雙圓盤開溝器等組成。

圖1 2BFQ-8型油菜旋轉盤式精量聯合直播機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of 2BFQ-8 rapeseed spinning disc precision direct seeder1.肥箱 2.仿形地輪 3.主機架 4.開畦溝前犁 5.旋耕裝置 6.開畦溝后犁 7.副機架 8.雙圓盤開溝器 9.驅動電機 10.旋轉盤式集排器 11.種箱

1.2 集排器結構與工作原理

集排器主要由供種套筒、螺旋進種條、上蓋、旋轉盤、下蓋、導種嘴及主軸等組成，如圖2a所示；其中旋轉盤為集排器實現均勻分種的核心部件，主要由正錐盤、導葉及凸臺等組成，如圖2b所示。

圖2 油菜旋轉盤式精量集排器結構示意圖Fig.2 Structural diagrams of spinning disc precision centralized metering device for rapeseed1.供種套筒 2.螺旋進種條 3.上蓋 4.旋轉盤 5.導種嘴 6.下蓋 7.凸臺 8.主軸 9.正錐盤 10.導葉

電機在蓄電池帶動下通過轉速調節器調節轉速，帶動集排裝置動部件做勻速轉動，基于前期對供種裝置的相關研究，按照實際播種要求播量可匹配轉速及供種裝置結構參數的最佳組合。種群在螺旋進種條的軸向輸送作用下穩定運移至旋轉盤頂端，隨后均勻分散至旋轉盤導葉所形成的分種區，經由8個導種嘴排出，實現單個集排器同時播種8行的功能。螺旋供種裝置可控制總排種量，決定總排量穩定性；旋轉盤分種裝置可實現對種群的均勻分配，影響各行排量一致性，種子運移路程短。

集排器工作時，主軸同步帶動螺旋進種條和旋轉盤勻速轉動，在破拱錐的擾動作用下，種箱內的種子經由螺旋供種裝置縱向向下強制輸送到旋轉盤錐頂，種子在離心力、摩擦力和自身重力等的共同作用下沿導葉和正錐盤錐面運移至旋轉盤邊緣，種群在導葉的約束作用下以一定初速度進入導種嘴并輸送至種床，完成播種作業。

2 旋轉盤設計與分析

2.1 正錐盤設計

正錐盤作為分種裝置主載體部分，采用ABS工程塑料3D打印加工，主要由中空圓錐體斜面與繞其周向擴散的圓環帶組成。錐盤坡度直接影響種群在錐面分離進入周向均布于下底座的8個導種嘴的效率，結合華油雜62種子的滑動摩擦角為22.7°[20]，如圖2a所示取正錐盤錐角φ=22°。螺旋供種裝置軸向輸送種群顆粒到達正錐盤頂端，正錐盤直徑直接影響種子在其上的運動時間及落入導種嘴的坐標位置。若直徑過大則種群在旋轉盤上加速時間過長，整體動能過大會產生漂浮、彈跳等現象；若錐盤直徑過小，種群還未經導葉的有效約束直接進入導種嘴，種群運動處于無序狀態；結合常規離心式集排器外形尺寸設計可知，直徑通常在150～200 mm范圍內變化，則取正錐盤直徑D′2=170 mm，如圖2b所示。繞錐盤周向擴散的環帶外徑取為D2=190 mm，厚度L=2 mm。為避免旋轉盤質量過大導致由加工精度等產生的偏心問題被放大，設計旋轉盤內部中空；錐盤中心孔徑D0=10 mm，與主軸間隙配合。

2.2 導葉曲線設計

2.2.1三次Bezier曲線

Bezier曲線是通過定義一組多邊折線各頂點的位置得到形狀唯一的曲線，其具有切矢性，且曲線控制頂點與曲線之間位置關系明確，按照實際需求修改參數即可改變曲線形狀，在實現二維曲線造型上操作較為方便，其中三次Bezier曲線的幾何形狀如圖3所示，圖中P0、P1、P2和P3為其特征多邊形的頂點。設該曲線上的點為P(t)，則可知

圖3 三次Bezier曲線示意圖Fig.3 Diagram of cubic Bezier curve

(1)

式中P0、P1、P2、P3——Bezier控制多邊形的頂點坐標

B30(t)、B31(t)、B32(t)、B33(t)——三次四階Bezier基

函數

t——曲線上點的橫坐標值，0≤t≤1

由圖3可知，在曲線始點處，即t=0時，P(0)=P0，曲線與特征多邊形的始邊P0P1相切；在曲線終點處，即t=1時，有P(1)=P3，曲線與特征多邊形末邊P2P3相切，通過改變兩個控制點P1(x1,y1)及P2(x2,y2)的坐標值來調整曲線曲率走向。根據曲線相關性質，將式(1)展開可得

(2)

2.2.2導葉骨線構型

均勻分布于旋轉盤上的導葉是提高各行排量一致性、排種效率并降低破損率的關鍵結構，且不同的導葉可改變種子在旋轉盤上的運動時間和離開旋轉盤時轉過的角度，為實現導葉曲線無曲率突變且需以最短路徑將種群運移至出種口實現短程排種，開展導葉參數化設計，基于Bezier曲線端點處性質，采用三次Bezier曲線構造導葉骨線。

當轉速較低時，通常有[21]

(3)

式中r1——導葉入口半徑，mm

r2——導葉出口半徑，mm

從骨線形狀可知，坐標x1、x2主要控制最大撓度位置，坐標y1主要控制骨線正彎和負彎，絕對值表示最大撓度。通過骨線構型示意圖中幾何關系計算得到4個控制頂點的坐標值，代入式(2)可得到導葉骨線方程為

(4)

由式(4)可知，r1、r2、α1、α2及θ分別為導葉主要的幾何參數，前述結構參數設計已知r1和r2。α1影響種子顆粒進入旋轉盤的角度，α2主要影響種子顆粒進入導種裝置的姿態進而影響集排器的排種性能參數。由圖5可知，入口角α1存在銳角(α1<90°)、直角(α1=90°)和鈍角(α1>90°)3種狀態，為鈍角時種子顆粒到達旋轉盤后會有相對后移的趨勢，增大無效運移路徑；出口角α2存在銳角(α2<90°)、直角(α2=90°)和鈍角(α2>90°)3種狀態，為鈍角時葉片呈S型，導葉骨線曲率突變導致種子在運移過程后半段處于自由擴散狀態，導葉無法有效約束種群運移軌跡使其有效進入導種嘴?；谏鲜龇治隹傻忙?和α2取值小于90°即滿足設計要求，又因α1和α2實際參數匹配時部分參數組合取值導致Bezier曲線性質失效，綜合考慮確定α1和α2的取值范圍為0°～60°和0°～45°。

圖5 不同角度的導葉骨線平面投影示意圖Fig.5 Plane projection diagrams of guide vane’s center line at different angles

螺旋進種條、旋轉盤與主軸同軸連接，要實現有效供種，螺旋進種條右旋時，電機逆時針轉動，導葉需為逆時針方向。分析導葉骨線在進出口半徑之間運移種群可能產生的軌跡路線，過小的導葉包角θ降低了導葉對種群的約束作用及種子流的穩定性，隨著包角的增大種群越早趨近導葉達到穩定運移狀態；通過仿真預試驗可知當導葉包角大于90°時，種群的運移路程大幅增加，種子顆粒不能有效進入導種裝置，排種效率降低且破損率增大，即存在合理的導葉包角參數使性能較優，綜上導葉包角θ取值范圍為30°～90°。

根據導葉入口角、出口角及導葉包角參數取值范圍開展仿真試驗方案設計，并將各參數取值代入式(4)，將所得方程寫入Creo 5.0制圖軟件繪制出導葉骨線線型，建立不同參數組合下的旋轉盤三維模型開展仿真試驗。

2.3 導葉葉片數分析

導葉葉片數對旋轉盤外部結構特征及旋轉盤與上蓋形成的內腔流場特征影響明顯。

導葉葉片數量過少則會增加排種脈動性，兩相鄰導葉之間形成的運移區單位時間上的種群密度增大，種子碰撞加劇導致無序性增加，排種均勻性差；隨著導葉葉片數增加，旋轉盤的分種性能有所提高，但導葉數量過多相互之間存在排擠現象，在旋轉盤入口處種子顆粒與導葉產生的碰撞幾率大幅增加，不利于種子有效進入旋轉盤運移區。為減小排種脈動性，確定導葉葉片數Z內范圍為6～10。導葉應在滿足結構強度的同時降低厚度以減少導葉與種子的碰撞，導葉入口位置采用流線型倒角過渡，確定葉片厚度為4 mm。

2.4 旋轉盤分種過程力學分析

2.4.1種群運移過程動力學分析

種群經過螺旋供種裝置運移至旋轉盤頂部區域，油菜種子從種群中分離短暫呈無約束狀態，在重力作用下以一定初速度到達導葉入口處，在旋轉盤逆時針轉動產生的離心力及種子與錐盤、導葉之間的摩擦力等作用下運移至出口處經導種嘴排出，導葉可根據其骨線線型有效約束種子運動軌跡，種子流經由導葉骨線內側運移至出種口處。將油菜種子顆粒視為均勻的球體，因旋轉盤可實現對種子的有序分種，則不考慮種群間相互作用，均為單粒種子與旋轉盤產生相互作用；忽略種群落入旋轉盤時可能產生的反彈、種子自旋性及空氣阻力。

取旋轉盤上處于穩定運移階段的種子進行受力分析，種子與導葉完全接觸，其運動受力模型如圖6所示。取處于半徑r處的油菜種子為分析對象，以其質心所處位置為坐標原點o1，建立空間動坐標系o1ijk，其中k軸垂直于正錐狀旋轉盤表面，j軸方向為導葉在該點的切線方向，i軸垂直于jo1k所形成的平面。種子在旋轉盤上受力有重力、旋轉盤錐面和導葉接觸面分別對其的支持力和摩擦力、科氏力、離心力等。

圖6 油菜種子在旋轉盤上的受力模型Fig.6 Force model for rapeseed on spinning disc

沿j軸方向，由牛頓第二定律可得

(5)

式中 ∑Fj——沿j軸方向的合外力，N

Fe——種子顆粒受到的離心力，N

G——種子顆粒重力，N

f1——旋轉盤對種子顆粒的摩擦力，N

f2——導葉對種子顆粒的摩擦力，N

m——種子顆粒質量，kg

δ——導葉切線傾角，(°)

l——種子顆粒在導葉骨線上任意區段內的位移，m

t1——種子顆粒在導葉骨線上任意區段內運動的時間，s

開展動力學分析可得

(6)

式中ω——旋轉盤回轉角速度，rad/s

n——旋轉盤轉速，r/min

v——種子顆粒線速度，m/s

μ——種子顆粒與正錐盤及導葉的摩擦因數

Fc——種子顆粒受到的科氏力，N

g——重力加速度，m2/s

聯立式(5)、(6)可得

(7)

由式(7)可得，種群顆粒在旋轉盤上的運動主要受到旋轉盤轉速n、正錐盤及導葉與種群接觸面材料摩擦因數μ、正錐盤錐角φ及導葉切線傾角δ等影響。在田間播種作業中要求播種機可根據實際播量需求實現播量變量可調，通常通過改變集排器轉速n來實現；又由前述參數設計與材料選型已知正錐盤錐角φ和摩擦因數μ；根據導葉切線傾角的定義可知，其主要由Bezier曲線構造的導葉骨線線型參數來控制。綜上可得，種群顆粒的運動受力及運移軌跡主要受結構參數導葉入口角α1、導葉出口角α2、導葉包角θ及工作參數轉速n影響。

2.4.2種群運移過程運動學分析

油菜種子顆粒在旋轉盤上受導葉及錐盤的約束隨其做牽連運動，同時由錐盤頂部運移至其底部做相對運動，之后種群經由水平分布的環帶區域到達旋轉盤邊緣，脫離旋轉盤的瞬時失去外力作用做平拋運動進入導種嘴。

對處于半徑r處的種子顆粒開展運動學分析，此時種子的絕對速度可分解為牽連運動和相對運動，如圖7所示。

圖7 油菜種子在旋轉盤上的速度模型Fig.7 Velocity model for rapeseed of spinning disc

牽連運動是旋轉盤繞主軸的周向運動，在其作用下種子旋轉產生的速度為牽連速度ve1，方向為該點所在圓周的切線方向，即

ve1=ωr

(8)

種子沿導葉運移至旋轉盤邊沿，其相對運動的方向為該處的導葉骨線切線方向，顆粒運動軌跡線與葉片骨線一致。將相對速度vr分解為兩個相互垂直的分量，即種子顆粒所在圓周方向的速度vr1和與周向垂直的速度分量vr2。已知過種子顆粒所在的點只能作一個平面與牽連速度方向垂直，且牽連速度方向又與該點所在半徑垂直，稱該平面為過半徑的軸面(圖7)，vr2即為軸面分速度，即

(9)

綜上，種子顆粒在周向上的分速度ve與軸面分速度vr2分別為

(10)

式中σ——絕對速度與軸面分速度的夾角(絕對速度方向角)，(°)

結合式(8)～(10)可得種子顆粒在旋轉盤上的絕對速度va為

(11)

由式(11)可知，種子顆粒的絕對速度va主要受旋轉盤角速度ω、種子顆粒所處半徑r、絕對速度方向角σ和導葉切線傾角δ的影響。絕對速度的大小和方向主要影響種子脫離旋轉盤瞬時進入導種裝置的初速度。當種子顆粒到達旋轉盤邊沿時，唯一存在

α2+δ=90°

(12)

結合式(11)、(12)可得種子顆粒在脫離旋轉盤邊沿瞬時狀態時的絕對速度v′a為

(13)

按照“先到先出”的原則種子顆粒無滯留進入導種嘴，此時v′a隨著旋轉盤外徑r2和ω的增大而線性增大，若增大r2，種子在旋轉盤上的運動時間增加，加速時間過長，因而v′a增大，若v′a過大種子在進入導種嘴后可能存在反彈及破損等現象，不利于有效排種，結合2.1節分析可知取r2=95 mm合理；ω的增大或減小直接影響螺旋進種條的供種量和供種性能，通常根據實際田間播種需求來確定ω取值。絕對速度方向角σ主要受導葉骨線線型的影響且與導葉切線傾角δ變化趨勢一致。又由式(13)可知，增大δ則導葉出口角α2減小，σ增大，種子的絕對速度v′a隨之增大，σ主要控制v′a的方向，若σ過大，種子顆粒初速度方向無限接近周向，并不利于種群順利進入導種嘴，因此為便于種群有效進入導種裝置完成播種作業，導葉骨線線型的參數設計尤為重要。

3 仿真試驗

運用EDEM仿真可揭示顆粒堆積和流動的過程[22-23]，可模擬分種裝置對種群顆粒的力學作用并記錄種群在任意位置的運動軌跡[24]，現開展仿真試驗探究分種裝置導葉主要結構參數(導葉入口角、導葉出口角、導葉包角)及導葉葉片數對各行排量一致性的影響。

3.1 模型建立

采用Creo 5.0分別建立不同結構參數組合的集排器三維模型，根據式(4)可知在部分結構參數取值端點處出現異點、極值等情況，則在不影響Bezier曲線對種群顆粒的作用下對導葉曲線做出適當修正。如圖8所示，將簡化后的仿真模型導入到EDEM 2018軟件中，設置相關參數如表1所示[25-27]。油菜種子模擬華油雜62，其直徑為2 mm，種子與集排器、種子之間均采用Hertz-mindlin (no-slip)模型。

圖8 集排器仿真模型Fig.8 Simulation model of centralized metering device

表1 油菜種子與材料特性參數Tab.1 Values of rapeseed and material properties used in EDEM

3.2 試驗方法

基于前期對供種裝置的分析可知，當轉速為81 r/min時供種裝置有較好的供種性能參數，此時供種裝置的葉片寬度為4 mm、導程為15 mm，供種速率為92.7 g/min。設置種子生成總量為25 000顆，設置種子生成速率為25 000顆/s，時間步長設置為6.72×10-6s，仿真總時長為13.2 s，排種器于第1.2秒開始工作，工作總時長為12 s。仿真開始3.2 s后，種群運動狀態穩定，此時開始統計導種嘴8個出種口的排種粒數，以該排種量表征分種裝置導葉參數變化對各行排量一致性的影響。

通過對分種裝置的設計與參數分析，分別以導葉入口角、導葉出口角、導葉包角及導葉葉片數為影響各行排量一致性的主要因素。采用響應曲面法開展四因素三水平二次回歸正交組合試驗，每組試驗重復5次，確定旋轉盤導葉最佳參數組合，試驗因素編碼如表2所示。

表2 因素編碼Tab.2 Factors and codings

3.3 試驗結果與分析

3.3.1試驗結果

試驗結果如表3所示，其中X1、X2、X3、X4為因素編碼值。

表3 試驗結果Tab.3 Experiment results

3.3.2回歸分析與顯著性檢驗

運用軟件Design-Expert 8.0.6對試驗數據進行多元回歸擬合，得到以各行排量一致性變異系數Y為響應函數，以各因素編碼值為自變量的回歸數學模型。

對各行排量一致性變異系數進行方差分析，如表4所示。

表4 各行排量一致性變異系數方差分析Tab.4 Variance analysis of apiece row consistency variation coefficient

(14)

由式(14)可知，影響各行排量一致性變異系數的因素主次順序為導葉入口角、導葉出口角、導葉葉片數和導葉包角。

3.3.3響應曲面分析

各行排量一致性變異系數是評價集排器排種性能的關鍵指標，應用響應曲面分析各因素對該指標的影響，如圖9所示。由圖9a可知，當導葉包角及葉片數置于零水平(θ=60°和Z=8)，入口角一定時，變異系數隨出口角的增加呈先降后升的趨勢且當入口角為0°時其變異系數較大；出口角一定時，變異系數隨著入口角的增加先快速下降后呈緩慢上升趨勢。由圖9b可知，當導葉出口角及葉片數置于零水平(α2=22.5°和Z=8)，入口角一定時，變異系數隨著包角的增加呈先降后升的趨勢且變化較緩慢；包角一定時，變異系數隨著入口角的增加呈先快速下降后緩慢上升的趨勢。由圖9c可知，當導葉出口角及包角置于零水平(α2=22.5°和θ=60°)，入口角一定時，變異系數隨著葉片數的增加呈先降后升的趨勢；葉片數一定時，變異系數隨著入口角的增加呈先快速下降后上升的趨勢，且當入口角為0°及葉片數為10時變異系數大于5%。由圖9d可知，當導葉入口角及葉片數置于零水平(α1=30°和Z=8)，出口角一定時，變異系數隨著包角的增加變化趨勢較為平緩呈先降后升的趨勢；包角一定時，變異系數隨著出口角的增加呈先快速下降后緩慢上升趨勢。由圖9e可知，當導葉入口角及包角置于零水平(α1=30°和θ=60°)，出口角一定時，變異系數隨著葉片數的增加呈先降后升的趨勢；葉片數一定時，變異系數隨著出口角的增加呈先快速下降后緩慢上升的趨勢。由圖9f可知，當導葉入口角及出口角置于零水平(α1=30°和α2=22.5°)，包角一定時，變異系數隨著葉片數的增加呈先下降后快速上升的趨勢；葉片數一定時，變異系數隨著包角的增加變化趨勢不明顯。

圖9 各因素對各行排量一致性變異系數影響的響應曲面Fig.9 Effects of various factors on apiece row consistency variation coefficient

采用Design-Expert 8.0.6軟件回歸方程及響應曲面分析可得各因素的較優參數組合為：導葉入口角36.0°、出口角26.4°、包角55.1°及葉片數7.8；此時集排器各行排量一致性變異系數為2.36%。此時考慮到葉片數在實際情況中應取為整數，則取葉片數為8。

為驗證回歸模型的合理性，以導葉入口角為36°、出口角為26°、包角為55°及葉片數為8時，開展油菜種子的排種性能仿真。試驗結果表明：在該導葉較優參數組合下旋轉盤分種性能較好，導種嘴處無種子滯留及堵塞現象；油菜種子的各行排量一致性變異系數為2.41%，試驗結果與理論結果基本一致，油菜種子在旋轉盤上的分布如圖10所示。

圖10 油菜種子分布圖Fig.10 Distribution diagram for rapeseed

4 驗證試驗

4.1 臺架試驗

為驗證仿真結果的合理性，以及在不同轉速時集排器對油菜種子的分種性能，將集排器安裝于自制的排種試驗臺上開展驗證試驗，如圖11所示。

圖11 旋轉盤式精量集排器試驗臺Fig.11 Platform of spinning disc precision centralized metering device1.種箱 2.供種裝置 3.分種裝置 4.導種管 5.電機 6.試驗臺架 7.盛種杯 8.轉速調節器 9.時控開關 10.變壓器

試驗以華油雜62為試驗材料，千粒質量為4.68 g，含水率為4.58%[20]。為滿足分種裝置內所需種子顆粒的種量要求，結合前期對供種裝置的研究可知，在滿足供種性能的前提下設置轉速為60～100 r/min[28]，每間隔10 r/min為一個水平，選擇較優的螺旋供種裝置結構參數開展試驗。試驗重復5次，統計油菜種子在60 s內的質量、破損率、各行排量一致性變異系數和單行排量穩定性變異系數，試驗結果如表5所示。

表5 集排器排種性能試驗結果Tab.5 Seeding performance test results of centralized metering device

由表5可知，當轉速在60～100 r/min范圍變化時，油菜各行排量一致性變異系數均低于3.9%，單行排量穩定性變異系數低于4.6%，破損率隨著轉速的提高而逐漸增大但整體均低于0.5%，滿足NY/T 2709—2015《油菜播種機 作業質量》對油菜排種性能的要求，且可通過改變轉速來滿足不同的播量需求。

4.2 田間試驗

為檢驗油菜旋轉盤式精量集排器的排種性能，分別于湖北省武漢市、新疆維吾爾自治區昭蘇地區和浙江省蒼南地區等地進行了約5.5 hm2的油菜播種生產試驗。

于華中農業大學現代農業科技試驗基地開展不同播量水平的油菜播種試驗，用以評價油菜旋轉盤式精量集排器排種性能，如圖12所示。試驗以東方紅LX954型拖拉機為動力、2BFQ-8型油菜聯合直播機為平臺，機組前進速度為4.15 km/h，播種行數為8行，行距為210 mm，幅寬為2 m。播種后45 d測定不同播種量下的8行1 m內的油菜幼苗數量，不同播種量下分別取3個測試點重復測定，統計單位面積范圍內8行的油菜幼苗總數量及各行植株分布一致性變異系數，結果如表6所示。

圖12 油菜田間試驗及苗期長勢Fig.12 Field experiment and growth performance for rapeseed

由表6可知，在不同播種量下，油菜各行植株分布一致性變異系數低于14%，油菜種植密度為57～80株/m2，穩定性變異系數低于11%。整體來看各行植株分布均勻性較好，且苗期長勢較好，造成種植密度差異的原因是植株成苗率還受地表平整度、降雨及環境等隨機因素的影響。

表6 油菜植株田間分布Tab.6 Field distribution for rapeseed

于新疆生產建設兵團第四師77團和浙江省蒼南灘涂地試驗基地開展播種均勻性及適應性試驗，如圖13所示。各地試驗結果表明，油菜旋轉盤式精量集排器能夠適應不同地區的播量需求且集排器排種性能滿足田間試驗需求。

圖13 不同地區油菜田間播種試驗Fig.13 Field experiment for rapeseed in different areas

5 結論

(1)基于Bezier曲線的曲率性質，設計了一種油菜旋轉盤式精量集排器，確定了分種裝置的關鍵結構參數：正錐盤錐角為22°、導葉入口半徑為32 mm、導葉出口半徑為95 mm、導葉入口角為0°～60°、導葉出口角為0°～45°、導葉包角為30°～90°及導葉葉片數為6～10。

(2)應用EDEM仿真，通過四因素三水平回歸正交組合試驗，建立了導葉入口角、出口角、包角及葉片數與各行排量一致性變異系數的二次回歸數學模型，分析了各因素對各行排量一致性變異系數的影響，得出較優參數組合為：導葉入口角36°、出口角26°、包角55°及葉片數8。在該參數組合下開展仿真驗證試驗，得到各行排量一致性變異系數為2.41%，旋轉盤可有效實現均勻分種功能。

(3)開展臺架試驗驗證較優參數組合下不同轉速對集排器排種性能的影響，試驗表明：轉速為60～100 r/min時，油菜各行排量一致性變異系數均低于3.9%，單行排量穩定性變異系數低于4.6%，破損率低于0.5%。田間試驗表明：在不同播量前提下，油菜各行植株分布一致性變異系數低于14%，油菜種植密度為57～80株/m2，植株田間分布穩定性變異系數低于11%。滿足油菜播種性能要求。