氣送式油菜飛播裝置投種過程分析與試驗

黃小毛，張 順，朱耀宗，劉 宇

氣送式油菜飛播裝置投種過程分析與試驗

黃小毛1,2，張 順1，朱耀宗1，劉 宇1

（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）

針對氣送式油菜飛播裝置作業時種子在離開投種管末端至到達土壤的過程中運移軌跡易受擾動而出現播種成條效果不佳甚至串行的問題，該研究對折疊式投種裝置的投種過程進行了分析和優化。通過理論分析建立種子在投種管內和投種過程中的運動學模型，根據DEM-CFD（Discrete Element Method- Computational Fluid Dynamics, DEM-CFD）氣固耦合仿真和高速攝像對種子在輸送氣流和無人機旋翼氣流場中的運動軌跡和速度變化情況進行分析，并以此為基礎對投種裝置的結構及工作參數進行優化。混合正交仿真試驗結果表明：種子在豎直投種管內速度變化的影響因子主次順序依次為輸送氣流速度、投種管長度、投種管內徑，其中輸送氣流速度、投種管長度對油菜種子在投種管內速度的變化的影響為極顯著（<0.01），投種管內徑對油菜種子在投種管內速度的影響一般顯著（0.05≤<0.1）。高速攝像及地面泥盒試驗結果顯示，將原有氣固分離器改為種子加速器，即增加輸送氣流速度參與投種后，投種管末端氣流速度為4.5 m/s時，豎直位移30 cm處種子的平均水平分位移為4 cm，投種管正下方30 cm處泥盒內種子落地條帶寬度為5.2 cm，比有氣固分離器的結構，種子平均水平分位移減少3.1 cm，條帶寬度減少7.9 cm，與仿真分析結果基本保持一致，滿足油菜成條飛播的作業要求。

數值模擬；高速攝像；油菜；氣送式飛播裝置；投種過程分析

0 引 言

油菜具有油料、花蜜、觀賞、飼料和綠肥等多種應用屬性[1-3]，種植區域分布廣泛[4]。長江流域是國內冬油菜最集中產區，中央農村工作會議提出大力實施大豆和油料產能提升工程[5]，油菜是擴種潛力最大的油料作物[6]。

作為一種不與地表接觸的輕簡高效播種技術，無人機飛播近年來發展迅速，這對于提高國內油菜種植全程機械化水平、降低種植成本、提高農戶種植收益及積極性具有重要意義[7]。相比于廣泛應用的“漫撒播”飛播方式，成條飛播是一種播量和種子落地位置更為精準、作業幅寬更為穩定和更有利于節約種子、作物生長采光通風及田間管理的方式[8]。實際飛播作業過程中，無人機旋翼下方復雜多變的氣流場[9-11]會使得種子在離開投種管末端至到達土壤運移軌跡受到擾動[12]而無法到達預定位置，導致播種成條效果不佳甚至串行。

旋翼氣流場分布規律對于物料顆粒在氣流場中的運動軌跡和速度變化具有重要影響。李繼宇等通過收集和分析風速參數，獲得了機身底部三維空間方向的風場寬度分布和風速，建立了理想的風速模型[13-14]。張豪等[15]通過搭建旋翼下洗氣流速度數值模擬試驗平臺，建立了六旋翼無人機懸停噴藥過程中下洗氣流場的分布模型，旋翼下洗氣流呈近似“圓柱形”向下到達地面后在地面上擴散。Cheng等[16]定量評估了無人機單個葉片產生的下洗氣流平均速度和湍流特性，表明氣流場徑向速度在靠近葉片的平面內呈不對稱分布，下洗流中心部分的切向速度高于軸向和徑向速度區域，由于剪切流的存在，下洗氣流場內部存在低速和低壓分布的不對稱螺旋旋流。張青松等[17]建立了四旋翼無人機旋翼氣流場仿真模型，并以充種漏斗長度和槽輪轉速為試驗因素開展臺架試驗，結果表明旋翼氣流場對油菜種子的空中漂移運動軌跡有較大影響根據獲得的無人機飛行速度與槽輪轉速關系模型，確定了旋翼氣流場對種子影響較小的參數組合。黃小毛等[18]在分析四旋翼無人機下洗氣流場分布規律的基礎上，設計了一種人工銜接的專用導種裝置，有效抑制了無人機旋翼氣流對下落種子的擾動作用，實現了高速、精量條播（而非“漫”撒播）的播種效果，但該裝置投種管較長，無法實現自動折疊，作業人員存在操作風險。

針對飛播投種過程種子籽粒的運移軌跡受旋翼氣流擾動的問題，本文以氣送式油菜飛播裝置為對象，對折疊式導種投種裝置的投種過程進行分析，建立種子在投種管內和投種過程中的運動學模型，應用DEM-CFD（Discrete Element Method- Computational Fluid Dynamics）氣固耦合和高速攝像系統分析種子籽粒在輸送氣流速度和無人機旋翼氣流場中的運動軌跡和速度變化情況，并進一步以此為基礎對投種裝置的優化后結構及工作參數進行優化，通過場地泥盒飛播試驗驗證裝置的作業效果，以期為油菜無人機播種技術和氣送式油菜飛播裝置結構改進提供參考。

1 氣送式油菜飛播裝置及工作原理

1.1 飛播裝置總體結構

選用洛克希德3W6LH-10ZI型六旋翼植保無人機為搭載平臺，總體結構如圖1a所示，由無人機、氣送式排種系統和折疊導種投種裝置組成，氣送式排種系統按照預設流量將種子流分成6股并輸送到折疊式導種投種裝置處。折疊導種投種裝置折疊過程示意圖如圖1b所示。整機外形尺寸折疊時為1.6 m×1.2 m×0.8 m，伸展時為1.6 m×1.2 m×1.4 m，作業行數6行，作業幅寬1.5 m，作業速度1～4 m/s可調，種箱容積4.5 L。

1.2　工作原理

如圖1a所示，氣送式排種系統基于“主輸送管道垂直布置+磨盤式供種裝置側方定量供種、小型風機下方供風送種+二階氣送分配”的總體結構原理[7]，種箱種子在重力下落后由供種裝置2經側方向主輸送管道定量供種，主輸送管道下方風機產生氣流，氣流裹攜種子經過一階分配器4分成2股，再由2個二階分配器4各分配成3股。氣固兩相流通過導種軟管輸送到折疊式導種投種裝置5處進行投種。采用前置式氣固分離器時，氣流與種子顆粒先在其中分離，氣流通過上方的排氣網罩排出，種子顆粒則經網罩攔截后在自身重力作用向下通過排種口進入伸展狀態的折疊裝置投種管中投出，落入土壤。種子顆粒在折疊式導種投種裝置中的典型運移軌跡如圖1c所示。

1.無人機 2.供種裝置 3.一階分配器 4.二階分配器 5.折疊式導種投種裝置 6.轉動頭座 7.轉動頭 8.轉動頭擋片 9.折疊電機 10.折疊電機座 11.氣固分離器1.UAV 2.Seed feeding device 3.First-order distributor 4.Second-order distributor 5.Folding device for seed guiding and seeding 6.Swivel head base 7.Swivel head 8.Swivel head blank 9.Folding motor 10.Folding motor base 11.Gas-solid separator a. 總體結構a. Overall structureb.導種投種裝置折疊過程示意圖b. Schematic diagram of folding process of seed guiding and seeding devicec. 油菜種子在導種投種裝置中的運動軌跡c. Movement trajectory of rapeseed in seed guiding and seeding device

2 投種過程分析

作業時，折疊裝置處于伸展狀態，投種管與地面垂直，在豎直投種管內向下運動的種子（忽略隨無人機飛行的作業速度）可能存在2種運動狀態[19]：一種是種子與投種管管壁無接觸，此時種子在氣流裹攜和自身重力作用下向下加速運動，速度方向與投種管中心線近似平行，如圖2a所示；另一種是種子與投種管管壁接觸，除受氣流和自身重力作用外，還受到管壁的支持力和摩擦力作用，種子速度方向與投種管不平行，與管壁產生碰撞，如圖2b所示。

忽略油菜種子籽粒的外形尺寸差異，以球形處理[20-22]，設球形種子的當量直徑為d，并假設投種管內各處氣流速度相同，忽略沿程壓力損失[23-24]，對單粒種子在投種管內的運動過程進行分析，其受力及速度關系為

式中F為種子在氣流中的繞流阻力，N；F為種子受到氣流的浮力，N；為種子的重力，N；C為阻力系數；d為種子的當量直徑，mm；ρ為大氣密度，取1.205 kg/m3（20 ℃標準大氣壓）；ρ為種子的密度，kg/m3；為重力加速度，m/s2；為氣流流量，m3/s；A為輸種管截面積，m2。

種子與管壁無接觸時，種子受自身重力和氣流與種子運動方向相反的氣流浮力和繞流阻力作用，此時種子受力為

式中F為種子沿垂直運動方向（即水平方向）上的受力，N；F為種子沿運動方向（即垂直地面向下或沿管壁向下）上的受力，N。

注：v為氣流平均速度，m·s-1；v為種子運動速度，m·s-1；v為種子對氣流的相對速度，m·s-1；F為種子在氣流中的繞流阻力，N；F為投種管壁對種子的支持力，N；F為投種管壁對種子的摩擦力，N；F為種子受到氣流的浮力，N；為種子運動速度方向與投種管壁之間的夾角，(°)；為垂直于投種管壁的方向；為平行投種管壁的方向。忽略隨無人機前進的飛行速度，該速度垂直于紙面，不影響種子落地成條效果，下同。

Note: vis the average speed of the air flow, m·s-1;vis the speed of the seed, m·s-1;vis the relative speed of the seed to the air flow, m·s-1;Fis the resistance of the seed around the air flow, N;Fis the The support force of the seeding tube wall to the seed, N;Fis the frictional force of the seeding tube wall to the seed, N;Fis the buoyancy of the seed by the air flow, N;is the angle between the direction of the speed of the seed and the wall of the seeding tube, (°);is the direction perpendicular to the wall of the seeding tube;is the direction parallel to the wall of the seeding tube. The flying speed with the drone, which is perpendicular to the paper surface and does not affect the effect of seeds falling into strips, is ignored, the same below.

圖2投種管內的種子運動狀態分析

Fig.2 Analysis of the motion state of seeds in the seeding tube

由式（2）可得：

種子與管壁接觸時，還會受到投種管壁的支持力和摩擦力，即：

式中F為種子沿垂直運動方向的力，N；F為種子沿運動方向的力，N；F為管壁對種子的支持力，N；F為管壁對種子的摩擦力，N；2為投種管管壁與種子的摩擦系數。

由式（4）可得種子的運動微分方程為

綜上，油菜種子在豎直投種管內向下運動過程中，當種子與管壁無接觸時，速度方向與運動方向相同，如圖3a所示；當種子與管壁接觸時，速度方向與運動方向時刻在改變，如圖3b所示，此時油菜種子在投種管內表現為劇烈碰撞。

注：v為種子運動速度，m·s-1；v為種子在投種管內沿方向的速度，m·s-1；v為種子在投種管內沿方向的速度，m·s-1；為種子運動速度方向與投種管壁之間的夾角，(°)；為垂直于投種管壁的方向；為平行投種管壁的方向；3為當量直徑油菜種子的中心。

Note:vis the speed of the seed, m·s-1;vis the speed of the seeds in thedirection in the seeding tube, m·s-1;vis the speed of the seeds in the y direction in the seeding tube, m·s-1;is the angle between the direction of the speed of the seed and the wall of the seeding tube, (°);is the direction perpendicular to the wall of the seeding tube;is the direction parallel to the wall of the seeding tube;3is the center of the equivalent diameter rapeseed.

圖3 種子運動速度分析

Fig.3 Seed movement speed analysis

飛行作業過程中，因機身振動、飛行瞬時速度變化等，種子在投種管內與管壁不接觸的幾率較小。種子與管壁接觸時會產生碰撞，而種子經多次碰撞運動到投種管末端時速度方向會偏離投種管壁一定角度，導致種子落地后偏離投種管中心正下方，呈條帶狀分布。如圖4a所示，無人機速度方向垂直紙面向里時，種子在離開投種管末端以初速度v′斜向下運移至地面土壤，將運移軌跡分解為水平方向和豎直方向，運動方程為

式中v′為種子離開投種管末端時的初速度，m/s；D為種子落地后成條分布的條帶寬度，cm；為種子離開投種管末端運移至地面的時間，s。

如圖4b所示，種子落地后的條帶寬度為D，也是懸停播種測試時種子落地后圓形包絡區的直徑，其值越小說明種子分布帶寬越小，播種成條效果越好。從式（6）可以看出，當投種高度H保持不變時，種子投種管內與管壁碰撞次數越少，投種管末端種子運動速度方向與投種管壁之間的夾角′越小，條帶寬度越小。

注：va為氣流平均速度，m·s-1；vs為種子運動速度，m·s-1；vf為無人機飛行速度，m·s-1；Dx為種子落地后成條分布的條帶寬度，cm；Ht為投種高度，cm；vsx為種子在投種管內沿x方向的速度，m·s-1；vsy為種子在投種管內沿y方向的速度，m·s-1；x為垂直于投種管壁的方向；y為平行投種管壁的方向；θ'為投種管末端種子運動速度方向與投種管壁之間的夾角，(°)；o3為當量直徑油菜種子的中心。

對于氣送式排種系統，氣流起到沿管道輸送種子的作用，在投種階段該氣流對種子離開投種管末端后的運移軌跡會產生影響。當氣流強度不足時，對種子的運移起不到約束作用，種子離開投種管末端時的運移軌跡是無序的；當氣流強度足夠裹挾種子籽粒實現高速投種時，氣流對種子的運移具有約束作用[25]，種子離開投種管末端后運移軌跡定向有序。

為實現高質量油菜成條飛播，根據以上分析，本文設計并對比3種投種方案：方案1采用氣固分離器，投種前釋放氣送式排種系統的氣流，消除輸送氣流對投種過程的影響，實現完全依賴種子重力投種；方案2不進行特別處理，即采用氣流輔助投種；方案3加裝一套新的風機，增加氣流強度，形成種子加速器，對即將投種的種子進一步加速，實現定向投種。其中方案1氣固分離器剖面結構如圖5所示，由進種口、氣固分離濾網、腔體和出種口組成。

1.進種口 2.氣固分離濾網 3.腔體 4.出種口

3 投種過程仿真分析

3.1 投種管投種過程仿真分析

為明確投種管尺寸和氣流速度等相關參數對投種過程的影響，基于油菜種子在豎直投種管中運動時速度變化的理論分析，采用L8(41×24)正交表方案，確定如表1的混合正交試驗因素水平，通過DEM-CFD氣固耦合仿真[26-28]分析油菜種子在豎直投種管內速度變化情況，針對重要影響因素進行單因素試驗。

考慮到實際飛行作業安全及折疊驅動部件的承載能力，選擇投種管長度為25、50、75和100 cm，投種管內徑為10和18 mm，輸送氣流速度為0、2、4、6、8和10 m/s。排種系統供種齒盤轉速為45 r/min時，單根投種管的平均排種量為1.803 g/s，顆粒工廠顆粒生成速率為0.001 8 kg/s。

表1 混合正交試驗因素水平表

混合正交試驗的結果如表2所示，試驗結果方差分析如表3所示。通過方差分析結果可以看出，油菜種子在豎直投種管內速度變化的影響因子主次順序依次為輸送氣流速度、投種管長度、投種管內徑，其中輸送氣流速度、投種管長度對油菜種子在投種管內速度的變化的影響為極顯著（<0.01），投種管內徑對油菜種子在投種管內速度的影響一般顯著（0.05≤<0.1）。

表2 混合正交試驗設計方案及結果

表3 方差分析表

注：<0.01為極顯著(***)，0.01≤<0.05為顯著(**)，0.05≤<0.1為一般顯著，標記為(*)，>0.1為不顯著。

Note:<0.01 means extremely significant(**), 0.01≤<0.05 means significan(*), 0.05≤<0.1 means generally significant(*),>0.1 means not significant.

混合正交試驗結果表明，輸送氣流速度對油菜種子在投種管內速度變化的影響為極顯著（<0.01），因此進一步對輸送氣流速度進行單因素試驗。根據所選型風機（寧波東萊機電有限公司生產的WS9260-24-230-X200型離心鼓風機）風速調節范圍，輸送氣流速度設置為0、2、4、6、8和10 m/s 共6個水平。

輸送氣流速度單因素試驗結果如表4和圖6所示，隨著輸送氣流速度的增大，投種管末端種子速度逐漸增大，輸送氣流的增大對種子運移約束加強，使種子離開投種管末端后運移軌跡定向有序。

表4 輸送氣流速度單因素試驗結果

注：試驗中投種管長度為50 cm，投種管內徑為10 mm，排種量為1.8 g·s-1。

Note: In the experiment, the length of the seed tube was 50 cm, the inner diameter of the seed tube was 10 mm, and the seeding rate was 1.8 g·s-1.

注：試驗中投種管長度為50 cm，投種管內徑為10 mm，排種量為1.8 g·s-1。

3.2 無人機旋翼氣流仿真分析及投種位置確定

為分析旋翼氣流對投種過程的影響，對投種過程進行氣固耦合仿真分析。油菜飛播排種系統成條飛播作業過程示意圖如圖7a所示。

油菜飛播排種系統流場計算域簡化模型如圖7b所示。流場計算域模型分為長方體的靜態域網格、動態域網格[29-30]和投種管模型，在FLUENT軟件中設置面ABCD為速度入口，面EFGH為壓力出口，其他面設置為壁面，在動態域中設置動態域網格旋轉速度大小為2 500 r/min。耦合計算時在EDEM軟件中，在6根投種管的初始端分別添加顆粒工廠，并設顆粒生成速率為0.001 8 kg/s。

圖7 無人機旋翼氣流仿真模型

仿真計算結束后，使用CFD-Post后處理軟件對旋翼流場速度分布情況進行可視化顯示。針對實際作業情況在保證安全的前提下，選擇無人機旋翼下方最小值0.5 m（此時腳架與地面接觸），投種管最大可選長度時無人機旋翼下方最大值1.5 m和中間值1.0 m位置處的旋翼流場速度進行分析，確定合適的投種高度。

無人機旋翼流場速度在平面的分布情況如圖8所示。當無人機處于懸停狀態時，旋翼流場速度分布以無人機機身中心線對稱分布，如圖8a所示，在旋翼正下方流場速度方向的負方向，到達地面后在地面形成渦流；當無人機飛行速度f=3 m/s時，旋翼流場速度方向受相對來流的影響形成復雜多變的流場，如圖8b所示。

無人機旋翼流場氣流速度在平面的分布情況如圖9所示，當無人機處于懸停狀態（飛行速度f=0）時，在=?0.5 m，=?1.0 m，=?1.5 m時，氣流速度以無人機機身為中心均勻分布。當無人機飛行速度f=3 m/s時，在=?0.5 m時，機身周圍旋翼氣流速度分布不均勻；在=?1.0 m時，氣流速度分布呈現后移趨勢（相對于飛行方向）；在=?1.5 m時，氣流速度分布后移（相對于飛行方向），無人機機身正下方氣流速度較小，約為1.090 m/s。

圖8 無人機旋翼流場速度分布（xoy平面）

圖9 無人機不同運動狀態下在xoz平面旋翼流場的速度分布

對比3組不同高度位置的氣流場發現，懸停時氣流速度隨著高度降低而逐漸減小，而向前飛行時氣流速度分布呈后移趨勢，相對來說=?1.5 m時的正下方氣流速度最小，因此選擇在此區域內進行投種，有利于減少投種后旋翼氣流速度對種子運移的影響。

對上述投種管布置方案的投種過程進行進一步的氣固耦合仿真，結果如圖10所示。仿真結果表明，種子離開投種管后的運移軌跡較為集中。這說明該投種位置的選擇是正確的，在無人機機身正下方的位置布置投種管，并采用折疊式投種管的方式盡量降低投種位置，能夠避免油菜種子在離開投種管后的運移軌跡受到旋翼氣流速度擾動的影響，實現條播。

圖10 無人機3 m·s-1飛行作業時投種過程模擬結果

4 投種方案對比驗證試驗

根據前文的3種投種方案，分別采用臺架高速攝像試驗、場地泥盒飛播試驗和田間飛播試驗進行對比驗證。

4.1 氣固分離器功能效果驗證

為驗證氣固分離對投種管內種子碰撞速度削弱的效果，對有、無氣固分離器時投種管末端油菜種子的運動情況進行高速攝像對比分析。采用pco.dimax HD（德國 PCO 公司）的Cam Ware V3.09 高速攝像系統對臺架試驗狀態下投種管末端種子運動情況進行觀測。如圖11所示，裝置由Cam Ware V3.09 高速攝像系統、補充光源、落種平臺、投種管、背景板和計算機組成，為防止種子在測試平臺上劇烈碰撞反彈，在落種平臺上放置緩沖墊子，拍攝時間間隔設置為500s。

1.Cam Ware V3.09高速攝像系統 2.補充光源 3.落種平臺 4.投種管 5.背景板 6.計算機

考慮田間作業安全，以30 cm投種高度（即投種管末端離地高度，該值越大飛行越安全、越小成條效果越好）為觀測范圍，通過高速攝像考察此范圍內油菜種子的水平分位移，同時用泥盒在投種管正下方30 cm處承接落種、以測量種子聚集程度（表征種子落地條帶寬度），并用TASI-8818型風速儀對投種管末端氣流速度進行測量，試驗結果如圖12和表5所示。

圖12 氣固分離器對投種效果的影響

表5 有、無氣固分離器時臺架投種試驗結果

由圖12和表5可知，有氣固分離器時投種管末端氣流速度為0，種子平均水平分位移為4.1 cm，投種管正下方30 cm處泥盒內平均種子條帶寬度為6.9 cm；無氣固分離器時投種管末端氣流平均速度為1.83 m/s，種子平均水平分位移為6.6 cm，投種管正下方30 cm處泥盒內平均種子條帶寬度為13.1 cm。在投種管上方增加氣固分離器時，相比無氣固分離器時，種子運動的平均水平分位移減少2.5 cm，泥盒內平均種子條帶寬度減少6.2 cm，氣固分離器可以使種子顆粒和氣流分離，削弱種子在投種管內的碰撞速度改變程度。

4.2 輸送氣流對投種效果的影響效果驗證

為探究氣流速度對投種效果的影響，進一步對臺架試驗狀態下投種管末端的種子運動情況進行高速攝像分析，并使用泥盒在投種管正下方30 cm處通過固定種子的方式觀察種子條帶寬度。

臺架試驗狀態下不同輸送氣流速度時投種管種子運動情況和投種管正下方30 cm處泥盒內種子條帶寬度試驗結果如圖13所示。結果表明，當投種管內無輸送氣流時，油菜種子在離開投種管末端時的運動較為有序，速度方向改變較小，落地后聚集性較好（對應的條帶寬度較小）；有輸送氣流且氣流平均速度小于種子運動速度時，油菜種子在離開投種管末端的瞬間里運動有序，但是隨著運動位移的增加，種子速度方向變化較大，最終呈現無序的運動狀態，導致種子落地后聚集性變差（對應條帶寬度較大）；當投種管內輸送氣流速度大于種子運動速度時，種子離開投種管末端時的初速度較大，落地后種子的聚集性增強且優于無氣流時。此3種情況亦即上文提到的3種投種方案。試驗結果表明，隨著輸送氣流速度的增大，投種管末端種子運動速度逐漸增大，輸送氣流增大對種子運移約束加強，使種子離開投種管末端后運移軌跡定向有序，對減小種子條帶寬度有較好的效果，且效果優于輸送氣流不參與投種（氣固分離器方案）的技術方案。

注：va為氣流平均速度，m·s-1；vs為種子運動速度，m·s-1。

4.3 場地泥盒飛播試驗和及田間飛播試驗

為進一步驗證種子加速器對飛播油菜種子落地成條的效果，對投種裝置原有方案2進行優化，將氣固分離器改為種子加速器，即采用方案3，加裝一套微型風機，試制樣機如圖14a所示。改成種子加速器后，投種管末端氣流速度為4.5 m/s，豎直方向30 cm處種子平均水平分位移為4 cm，投種管正下方30 cm處泥盒內種子平均條帶寬度為5.2 cm，相比有氣固分離器時，平均水平分位移減少3.1 cm，投種管正下方30 cm處泥盒內種子平均條帶寬度減少7.9 cm。

對優化后種子加速器投種方案進行了泥盒飛播試驗和田間試驗，試驗過程中無人機飛行速度為3 m/s，飛行高度為1 m，試驗結果如圖14b、14c所示。結果表明，優化后的種子加速器投種方案對減小種子條帶寬度有較好的效果，泥盒定向成條效果明顯，油菜長勢良好，出苗密度和成條效果滿足油菜條播種植要求。

圖14 種子加速器投種方案樣機及田間飛播試驗效果

5 結 論

本文以氣送式油菜飛播裝置為研究對象，對折疊式導種投種裝置的投種過程進行分析，建立種子籽粒在投種管內的運動學模型，應用DEM-CFD氣固耦合和高速攝像系統分析了種子在輸送氣流速度和無人機旋翼氣流場中的運動軌跡和速度變化情況，并以此為基礎對折疊式導種投種裝置的結構進行優化。

1）建立了投種管內及投種過程種子籽粒運動學模型。對種子籽粒的運動狀態和受力情況分析，確定投種裝置投種過程中籽粒運動學模型。

2）混合正交仿真試驗結果表明，種子在豎直投種管內速度變化的影響因子主次順序依次為輸送氣流速度、投種管長度、投種管內徑，其中輸送氣流速度、投種管長度對油菜種子在投種管內速度的變化的影響為極顯著（<0.01），投種管內徑對油菜種子在投種管內速度的影響一般顯著（0.05≤<0.1）。輸送氣流單因素試驗結果表明，隨著輸送氣流速度的增大，對種子運移約束加強，種子離開投種管末端后運移軌跡定向有序。

3）高速攝像及泥盒試驗結果顯示，將原有氣固分離器改為種子加速器后，即增加輸送氣度參與投種，投種管末端氣流速度為4.5 m/s，豎直方向30 cm處種子的平均水平位移減少3.1 cm，投種管正下方30 cm處泥盒內種子平均條帶寬度減少7.9 cm，與仿真分析結果基本一致，滿足油菜成條飛播的設計要求。

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Seeding process analysis and test of the air conveying rapeseed aerial seeding device

Huang Xiaomao1,2, Zhang Shun1, Zhu Yaozong1, Liu Yu1

(1.,,430070,; 2.,,430070,)

Rapeseed is one of the oil crops with the greatest expansion planting potential in China. Besides rice, rapeseed is also one of the most suitable crops for aerial seeding. The current aerial seeding system has been widely used in recent years, such as the spinner spreader by DJI, and the screw spreader by XAG. However, the seeds are scattered and disorderly after landing. The unstable working width cannot fully meet the requirement in the small and medium-sized fields. In an air-conveying rapeseed aerial seeding device, the migration trajectory of the seeds is easily disturbed during the process of leaving the end of the seeding tube to the soil, resulting in non-uniform seeds distribution. It is a high demand for an accurate system to save the seeds, lighting and ventilation for crop growth during weeding and cultivating in the fields. In this study, a systematic process analysis and component optimization were performed on the air-conveying rapeseed aerial seeding device. A kinematics model was also established for the seeds in the tube during the seeding process. DEM-CFD(Discrete Element Method-Computational Fluid Dynamics) gas-solid coupling simulation was implemented to determine the movement trajectory and velocity field of the seeds in the conveying airflow and the UAV rotor. A high-speed camera system was then selected to verify the simulation. After that, optimization was conducted for the structure and working parameters of the seeding device. Three seeding schemes were proposed during this time, including with/without the gas-solid separator, and the airflow accelerator. A series of performance tests were also carried out to determine the optimal structure, including the high-speed photography bench, the ground and real field aerial seeding test. The hybrid orthogonal experiment showed that the main and secondary order of the influencing factors was the conveying air velocity, the length of the seeding tube, and the inner diameter of the seeding tube, particularly for the speed change of the seeds in the vertical seeding tube. Furthermore, there was an extremely significant influence on the speed of rapeseed in the seeding tube (<0.01). The inner diameter of the seeding tube presented a generally significant effect on the speed of rapeseed in the seeding tube (0.05≤<0.1). The high-speed photography and ground mud box test showed that the conveying airflow speed increased significantly, as the original gas-solid separator was changed to a seed accelerator. Specifically, the airflow velocity was 4.5 m/s at the end of the seeding pipe, and the vertical displacement was 30 cm. The average horizontal displacement was 4 cm for the seed movement, and the width of the seed landing strip was 5.2 cm in the mud box at 30 cm directly below the seeding tube. The average horizontal displacement was reduced by 3.1 cm in this case, compared with the gas-solid separator. The width was reduced by 7.9 cm, which was basically consistent with the simulation. The field experiments showed that the outstanding germination and emergence of rapeseed were achieved, including the formed strips, and the row spacing, according to the optimized seeding scheme using seed acceleration. The improved system can fully meet the design requirements of rapeseed in the strips.

numerical simulation; high-speed photography; rapeseed; air-conveying aerial seeding device; seeding process analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.004

S251

A

1002-6819(2022)-17-0031-11

黃小毛，張順，朱耀宗，等. 氣送式油菜飛播裝置投種過程分析與試驗[J]. 農業工程學報，2022，38(17)：31-41.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.004 http://www.tcsae.org

Huang Xiaomao, Zhang Shun, Zhu Yaozong, et al. Seeding process analysis and test of the air conveying rapeseed aerial seeding device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(17): 31-41. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.004 http://www.tcsae.org

2022-06-10

2022-08-12

國家自然科學基金面上項目（52075211，31771683）；湖北省重點研發計劃項目（2021BBA240）；中央高校基本科研業務費專項項目（2662020GXPY001）

黃小毛，博士，教授，博士生導師，研究方向為農機作業路徑智能規劃與應用。Email：huangxiaomao@hzau.edu.cn.