姚 露 廖慶喜 王 磊 劉 海 魏國粱 王寶山

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

0 引言

油菜是我國重要的油料作物，2019年機械化播種水平僅約為32.54%，嚴重制約了我國油菜播種機械化的發(fā)展[1-3]。隨著農業(yè)栽植模式的轉變及農業(yè)機械化技術的發(fā)展，為適應高速高效機械作業(yè)，各類集排器已成為國內外研究和應用的主要方向[4-7]。離心式集排器因其排種過程簡單、種子破損率低等特點被廣泛運用于機械播種作業(yè)[8-10]，但播種速度大多集中在1.6～5 km/h，無法滿足高速播種需求。供種裝置作為離心式集排器的核心部件，其結構形式影響離心式集排器高速作業(yè)時的排種效率、總排量穩(wěn)定性及破損率等。

為提高集排器供種性能，國內外學者開展了深入的研究。美國Sunflower公司、John Deere公司等均采用機械槽輪式排種器作為氣送式播種機的供種裝置，可實現(xiàn)定量穩(wěn)定供種；GAO等[11]為增強種子流動性并減少種子堆積，運用CFD-EDM仿真分析了定量供種系統(tǒng)中文丘里管氣流場特性并確定了其結構參數(shù)；雷小龍等[12-14]為提高氣送式集排器的兼用性并實現(xiàn)定量變量供種，分別以油菜、小麥及水稻為對象研制了兼用型供種裝置；韓豹等[15]為穩(wěn)定粳稻定向精量播種裝置在低播量時的播種性能，設計了一種離心式供種機構；李沐桐等[16]為解決精密排種器高速作業(yè)時排種穩(wěn)定性問題，提出了離心錐盤推送式充種方式，最大限度發(fā)揮了種層離心力對預充填籽粒的作用；王磊等[17-18]為解決油菜種植區(qū)域地表坡度變化范圍大導致供種穩(wěn)定性不足的問題，設計了適用于氣送式集排器可實現(xiàn)坡地穩(wěn)定供種的供種裝置及均勻分種的勻種渦輪。綜上所述，國內外學者已開展了適用于不同類型集排器的供種裝置的相關研究以提高播種性能，但滿足離心式集排器作業(yè)速度大于10 km/h的高速作業(yè)時所需供種能力的供種裝置卻鮮有研究，制約了離心式集排器的發(fā)展與應用。

本文基于油菜種子的機械物理特性及農藝要求，設計一種用于“一器八行”旋轉盤式高速集排器的螺旋進種條供種裝置，確定其主要結構參數(shù)，探究轉速和螺旋進種條結構對供種速率及其穩(wěn)定性變異系數(shù)和破損率的影響，以期為油菜旋轉盤式高速集排器結構改進提供參考。

1 總體結構及工作原理

1.1 油菜旋轉盤式聯(lián)合直播機總體結構

2BFQ-8型油菜旋轉盤式聯(lián)合直播機主要由主機架、排種系統(tǒng)、排肥系統(tǒng)、開畦溝系統(tǒng)、仿形地輪、旋耕裝置等組成，如圖1所示。該機能一次性完成旋耕、施肥、播種、開畦溝等作業(yè)環(huán)節(jié)[19]。排種系統(tǒng)主要由集排器、驅動電機、種箱、導種管及雙圓盤開溝器組成[20]。種子經由種箱通過集排器均勻分配到8個出種口，進入輸種管道及雙圓盤開溝器到達種床，實現(xiàn)播種作業(yè)。

1.2 供種裝置結構及工作過程

油菜旋轉盤式高速集排器主要包括種箱、供種套筒、螺旋進種條、上蓋本體、下蓋本體、旋轉盤、導葉、導種嘴等，結構如圖2a所示。螺旋進種條與供種套筒共同組成螺旋供種裝置，旋轉盤、導種嘴、下蓋本體與主軸共同組成分種裝置，螺旋進種條與旋轉盤通過主軸連接由電機同軸驅動。油菜旋轉盤式高速集排器主要結構與技術參數(shù)如表1所示。

集排器工作時，如圖2b所示，螺旋進種條的主軸在電機驅動下繞轉動中心以角速度ωe逆時針轉動，其頂端的破拱錐可對種箱內處于充填區(qū)Ⅰ的種子起到攪種、破拱作用；種子經過充填區(qū)進入螺旋進種條與供種套筒共同形成的遷移區(qū)Ⅱ內，并在螺旋葉片側向推動與種子自重的共同作用下向下有序輸種；到達螺旋進種條底端即處于出種區(qū)Ⅲ的種子，在螺旋葉片的約束下按照“先到先出種”的原則開始有序為旋轉盤供種，其在外力作用下沿著導葉骨線運移，到達旋轉盤邊緣以一定的初速度經由導種嘴運輸至種床。種子在螺旋供種裝置的作用下形成連續(xù)均勻的種子流并實現(xiàn)精量可控。

表1 旋轉盤式高速集排器主要技術參數(shù)Tab.1 Main parameters of spinning disc high-speed metering device

2 供種裝置主要結構參數(shù)設計與分析

2.1 螺旋進種條結構設計與參數(shù)分析

螺旋進種條作為供種裝置的核心部件，其主要結構參數(shù)包括破拱錐錐度、螺旋葉片寬度、螺距、外徑等。旋轉盤式高速集排器由電機帶動主軸逆時針旋轉，種子輸送方向為自上而下、由串聯(lián)到并聯(lián)的過程，為保證螺旋進種條能夠順利充種并精量供種，確定螺旋方向為右旋。試驗中螺旋進種條采用工程塑料ABS進行3D打印加工。

2.1.1破拱錐結構參數(shù)

種箱內種子進入螺旋供種裝置的過程中可分別形成整體流和中心流。當種箱出種孔徑較小時易出現(xiàn)中心流，靠近種箱壁層的種子群流速較慢或停滯，此時種群顆粒間以及顆粒與種箱壁間無相對運動，產生的接觸力會形成連續(xù)拱形結構并指向結拱中心處的顆粒群，當處于拱形結構下方的部分種群被強制向下持續(xù)輸送后，充填區(qū)Ⅰ會出現(xiàn)“架空”現(xiàn)象。為滿足種子流“先進先出”原則及避免出現(xiàn)流動堵塞導致“結拱”、供種不均等問題，種子流首選流型應為整體流。現(xiàn)設計一種防結拱結構，可對種箱內部的種群產生擾動作用，并破壞形成的拱形固定結構，帶動種群向充填區(qū)實現(xiàn)趨于整體流的穩(wěn)定過渡；破拱錐對種子具有導向作用，為了增加種子群與破拱錐的接觸面，同時避免轉動時種子停留在破拱錐上并對種子造成損傷，設計其結構為表面光滑過渡的正圓錐狀，如圖3所示，則其頂角為

θ≤180°-2θ0

(1)

式中θ——破拱錐頂角，(°)

θ0——油菜種子自然休止角，(°)

圖3 供種裝置相對位置關系圖Fig.3 Relative positional relationship of seed feeding device

選取試驗對象為華油雜62，其自然休止角為26.7°[21]，計算得破拱錐頂角θ≤126.6°，可滿足破拱要求；破拱錐的高度越高對種群的擾動作用越大，但過高則破拱錐底端與種箱形成的銳角越小，會產生種子破損現(xiàn)象，綜合考慮取破拱錐頂角為60°，即軸截面為等邊三角形，軸截面邊長計算式為

L=d

(2)

式中L——破拱錐軸截面邊長，mm

d——螺旋進種條內徑，mm

為避免連鎖結拱，種箱下部圓形出種口直徑D(與螺旋進種條外徑、供種套筒內徑相同)應不小于油菜種子直徑de的6～12倍[22]，根據(jù)文獻[21]取de為2 mm，計算可得種箱出種口直徑D>24 mm。

2.1.2螺旋葉片結構參數(shù)

在破拱錐的擾動及自身重力作用下，油菜種群充入螺旋進種條，并在螺旋葉片的推動下將種子輸出。實際田間作業(yè)中農藝要求的播種速率[23]為

Qs=10QnBvm

(3)

式中Qs——農藝要求播種速率，g/s

Qn——農藝要求目標播種量，kg/hm2

B——播種機工作幅寬，m

vm——播種機作業(yè)速度，m/s

螺旋供種裝置的供種速率[23]為

(4)

式中Qm——螺旋供種裝置供種速率，g/s

λ——螺旋進種條外徑與套筒內表面間隙，取0 mm

φ——油菜種子充滿系數(shù)

ne——螺旋進種條轉速，r/min

γ——油菜種子容重，取6.325 1×10-4g/mm3

P——螺旋進種條螺旋線導程，mm

C——螺旋進種條傾斜輸送修正系數(shù)，當輸送角為90°即垂直輸送時取0.36

由式(3)、(4)可知，農藝要求的供種速率應與供種裝置的供種速率相同，則

(5)

式(5)表明，在滿足農藝要求的單位面積目標播種量前提下，當播種幅寬B、播種機作業(yè)速度vm、油菜種子容重γ和螺旋進種條傾斜輸送修正系數(shù)C一定時，油菜種子充滿系數(shù)φ、螺旋進種條外徑D、螺旋線導程P與轉速ne呈負相關關系，螺旋進種條內徑d與轉速ne呈正相關關系。供種裝置轉速具有適宜的區(qū)間，轉速過大則會出現(xiàn)種子隨螺旋供種裝置一起轉動而不向下供種的現(xiàn)象，存在最大臨界轉速。在保證相同供種速率的條件下適當降低轉速可增加充種時間，提高油菜種群充填性能，保證供種均勻性。當保持螺旋線導程P不變時，可通過增加螺旋進種條外徑D或減小螺旋進種條內徑d以適當降低轉速，但若增大螺旋進種條外徑，其直接約束供種套筒外徑，過大會導致供種裝置體積增大，且處于螺旋進種條外沿處的種群所受牽連速度顯著增大，由前文分析可知D>24 mm，考慮到螺旋進種條葉片對稱性質選取其外徑D為偶數(shù)，即26 mm；若減小螺旋進種條內徑，則與螺旋軸連接的主軸直徑相應減小，在動力傳輸時扭矩過大，裝置強度降低，穩(wěn)定性及可靠性隨即降低。為保證能順利充種且適量供種，設計葉片寬度l至少大于一個油菜種子直徑且小于3個油菜種子直徑，可得螺旋葉片寬度滿足關系

(6)

式中l(wèi)——螺旋葉片寬度，mm

由式(6)計算得螺旋葉片寬度2 mm

螺旋進種條葉片是長方形截面以螺旋升角繞中心圓柱體形成的螺旋線，其與螺旋線導程P之間的關系[24]為

(7)

式中α——螺旋進種條螺旋升角，(°)

螺旋升角α與導程P呈正相關關系，螺旋進種條起到有效控制種子流的作用，當裝置處于靜止狀態(tài)時應保證種子不自然下落，則螺旋升角α應小于油菜種子與工程塑料ABS的靜摩擦角，查閱文獻[25]可知其靜摩擦因數(shù)為0.3，計算可得螺旋線導程P≤25 mm；若螺旋線導程過小，葉片節(jié)距相應減小會造成種子擠壓破損，也不利于種子的軸向輸送，綜合考慮13 mm≤P≤25 mm。裝置的供種速率由轉速和螺旋進種條結構尺寸共同決定。

2.2 供種套筒結構參數(shù)分析

供種套筒與螺旋進種條間隙配合，則間隙λ取0 mm，即供種套筒內徑與螺旋進種條外徑相等，為26 mm。供種套筒同時作為支撐裝置選取其壁厚為10 mm，即供種套筒外徑D′為46 mm。若供種套筒高度h較高，會出現(xiàn)：①排種裝置重心上移，實際田間作業(yè)中持續(xù)存在振動、傾斜等工況，整機可靠性與穩(wěn)定性下降。②供種套筒高度與螺旋進種條高度成正比，高度越高種子在供種裝置中經過路程則越長，不符合“短程排種”設計思想。綜合以上因素，參考上蓋本體與下蓋本體高度，取供種套筒高度h為80 mm。

3 供種裝置供種力學分析

3.1 供種裝置動力學分析

油菜種子順利充入供種裝置是實現(xiàn)后續(xù)分種、輸種等過程的關鍵前提，種子在破拱錐的擾動下依次經過充填區(qū)、遷移區(qū)和出種區(qū)，在重力、摩擦力和離心力等作用下，實現(xiàn)整個供種過程。油菜種子流動性能和球度較好，在供種裝置中以散粒體方式運動，建立螺旋進種條內種子穩(wěn)定輸送時的運動假設：

(1)種子顆粒群沿周向環(huán)形擴散分布，O′為該種群微段所在平面(與中心轉軸垂直)的圓心，如圖4a所示，其轉速沿徑向發(fā)生變化，即任意徑向相鄰位置的種群顆粒轉速不同，且從螺旋軸到供種套筒內壁之間轉速逐漸減小且呈線性變化。

(2)取處于螺旋進種條任一半徑為r處圓柱面某段弧面的種群微段ds(ds、s為種群微段的長度、位置)為研究對象，將其視為矩形截面e×j(e為種群接觸面與螺旋葉片接觸面的距離，j為種群微段厚度)的種子流，如圖4b所示。

圖4 供種裝置中種群微段運動模型Fig.4 Motion model building of differential seeds population in feeding device

螺旋進種條是利用螺旋葉片與顆粒之間的相對運動對種子進行輸送，當螺旋葉片轉動時其產生的摩擦力Fμ1使種群微段跟隨葉片一起轉動；在離心力Fe的作用下，種群微段沿著徑向逐步向供種套筒壁面移動，從而對外側種群產生壓力作用引起其對種群微段的摩擦力Fμ2，此外種群微段還在自身重力G、支反力等作用下達到受力平衡，此時種群沿著葉片穩(wěn)定輸送，現(xiàn)均以單頭螺旋為例分析供種裝置中最為典型的遷移過程受力情況。輸送過程中種群緊貼葉片且全部充滿螺旋進種條與供種套筒形成的中空空間中，不會出現(xiàn)脫離、跳動等現(xiàn)象。螺旋進種條的旋轉為牽連運動，種群微段相對于其的運動為相對運動，以種群微段中心為坐標原點O建立空間運動參考系并對該模型進行動力學分析，如圖5a所示，受力簡化至yOz平面內開展動力學分析，如圖5b所示。

圖5 種群在供種裝置的動力學分析Fig.5 Mechanics analysis of seeds in feeding device

根據(jù)質點相對運動動力學知識，建立種群微段動力學基本方程

(8)

式中m——種群微段質量，kg

ar——種群微段相對加速度，m/s2

Fe——種群微段離心力，N

Fc——種群微段科氏慣性力，N

F——種群微段所受外力合力，N

r——種群微段所處半徑，mm

ωa——種群微段絕對角速度，rad/s

ωe——螺旋進種條角速度，rad/s

ωr——種群微段與螺旋進種條相對角速度，rad/s

μ1——螺旋葉片與種子間摩擦因數(shù)，取0.3

μ2——種群間的內摩擦因數(shù)，取0.5

F1——螺旋葉片對種群微段的支反力，N

F2——外側種群對種群微段的支反力，N

Fμ1——螺旋葉片對種群微段的摩擦力，N

Fμ2——外側種群對種群微段的摩擦力，N

g——重力加速度，m2/s

G——種群微段的重力，N

將加速度沿坐標軸分解，ar-x、ar-y、ar-z分別為在3個坐標軸上的投影，取各坐標軸方向為正，并由式(8)可得

(9)

式中ar-x——種群微段相對加速度沿x軸分量，m/s2

ar-y——種群微段相對加速度沿y軸分量，m/s2

ar-z——種群微段相對加速度沿z軸分量，m/s2

β——種群運動降角，(°)

種群微段相對于螺旋進種條做穩(wěn)定運動時，在3個軸上的加速度分量分別為

(10)

又據(jù)螺旋升角關系式得

(11)

聯(lián)立式(8)～(11)可得

(12)

式(12)是對種群微段在螺旋進種條穩(wěn)定輸送達到平衡狀態(tài)時的動力學分析結果，可知當供種裝置相關結構參數(shù)以及油菜顆粒機械物理特性確定時，種群微段的絕對角速度與螺旋進種條角速度以及種群微段與中心轉軸的距離r有關，當螺旋進種條角速度一定時，種群微段的絕對角速度與半徑r成反比，即越靠近螺旋進種條中心種群微段的絕對角速度越高，與前述運動假設契合，證明分析合理。

當螺旋角速度ωe逐漸增大，處于螺旋進種條內半徑r0(r0=d/2)處的種群最先達到臨界狀態(tài)，此時種子隨著螺旋進種條一起轉動無相對運動，且有向上運動的趨勢，則

(13)

根據(jù)上文分析可知種群微段受到的外側種群支反力F2逐漸增大，外側種群對其摩擦力Fμ2隨之增大，為在y軸上達到受力平衡，則螺旋葉片對種群微段的支反力也需增大，此時螺旋葉片對種群微段的摩擦力Fμ1逐漸減小至0并沿相反方向增大為F′μ1，且在臨界狀態(tài)時F′μ1為最大靜摩擦力，為F′μ1=μ1F1。

結合式(8)～(13)可得此時螺旋臨界角速度為

(14)

式中ω0——螺旋進種條臨界角速度，rad/s

聯(lián)立式(11)、(14)可得螺旋進種條臨界轉速為

(15)

式中n0——螺旋進種條臨界轉速，r/min

由式(15)可知，當供種裝置材料及油菜品種選定之后，該臨界轉速僅與螺旋進種條的內徑及螺旋線導程有關，根據(jù)前文參數(shù)設計分析，代入各參數(shù)值計算可得臨界轉速n0≤105 r/min。

3.2 供種裝置運動學分析

當螺旋進種條的工作轉速ne

圖6 種群在供種裝置的運動學分析Fig.6 Kinematic analysis of seeds in feeding device

由圖6速度分析及三角形幾何關系可知

(16)

由式(16)可得種群微段的周向速度為

(17)

軸向速度為

(18)

由以上運動分析可知，裝置正常供種時種群顆粒的運動軌跡為一條螺旋線，該螺旋線中心與供種裝置中心軸線重合。電機通過主軸帶動螺旋進種條旋轉，其中大部分能量消耗在保持顆粒進行圓周運動上；種群軸向速度vz直接影響供種裝置的供種速率且呈正相關關系。軸向速度與螺旋進種條轉速ne、螺旋線導程P、螺旋升角α和物料運動降角β有關。由式(7)可知螺旋升角α又與螺旋線導程P和螺旋進種條外徑D有關；據(jù)經驗可知種群運動降角β與螺旋進種條轉速ne及其外徑D有關，一旦螺旋進種條結構確定，垂直輸送速度vz就僅由轉速ne決定。在相同轉速條件下，vz隨P增大而減小，隨D增大而增大；且vz與螺旋進種條轉速ne呈正相關關系，說明在臨界轉速n0范圍之內適當增加轉速利于有效供種。以此為基礎開展供種性能試驗。

4 供種裝置供種性能試驗

4.1 試驗材料與裝置

試驗以華油雜62為試驗材料，千粒質量4.68 g，含水率4.58%。采用自制的供種裝置試驗臺開展試驗研究，如圖7所示。

圖7 供種裝置試驗臺Fig.7 Platform of seed feeding 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.轉速調節(jié)器 8.盛種杯 9.時控開關 10.變壓器

4.2 試驗設計與方法

為獲得較優(yōu)的螺旋進種條供種性能參數(shù)，并驗證理論分析的合理性，開展三因素三水平二次回歸正交組合試驗。通過前述理論分析及前期預試驗確定影響供種性能的主要因素及其取值范圍為：螺旋轉速60～100 r/min，螺旋葉片寬度3～5 mm和螺旋線導程13～25 mm。試驗均以供種速率、供種速率穩(wěn)定變異系數(shù)和種子破損率為響應指標。試驗因素編碼如表2所示。

表2 因素編碼Tab.2 Coding of factors

試驗按照GB/T 9478—2005《谷物條播機 試驗方法》進行供種裝置供種性能試驗和測定[26]。試驗中收集集排器8個出種口處1 min排出的種子量總和，稱量，每組試驗條件下重復5次，計算不同處理下供種速率、供種速率穩(wěn)定變異系數(shù)和種子破損率。

4.3 試驗結果與分析

4.3.1試驗結果

試驗結果如表3所示，試驗方案設計及結果分析應用數(shù)據(jù)處理軟件Design-Expert 8.0.6完成，其中X1、X2和X3為因素編碼值。

4.3.2回歸分析與顯著性檢驗

運用軟件Design-Expert 8.0.6對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到以供種速率Y1為響應函數(shù)，以各因素編碼值為自變量的回歸數(shù)學模型為

表3 試驗結果Tab.3 Experiment results

(19)

(20)

表4 供種速率方差分析Tab.4 Variance analysis of seed feeding rate

由式(20)回歸系數(shù)可知，供種速率的因素影響由大到小為導程、葉片寬度、轉速。供種速率分別隨著轉速、葉片寬度和導程的增加而增加，且導程影響最大，三者之間對供種速率的影響符合理論分析結果，證明了理論分析合理性。

以供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2為響應函數(shù)、以各因素編碼值為自變量的回歸數(shù)學模型為

(21)

(22)

表5 供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)方差分析Tab.5 Variance analysis of stability variation coefficient of seed feeding rate

由式(22)回歸系數(shù)可知，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)的因素影響由大到小為轉速、導程、葉片寬度。

以破損率Y3為響應函數(shù)、以各因素偏碼值為自變量的回歸數(shù)學模型為

(23)

(24)

表6 破損率方差分析Tab.6 Variance analysis of damage rate

由式(24)回歸系數(shù)可知，破損率的因素影響由大到小為轉速、導程、葉片寬度。

4.3.3響應曲面分析

供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)和破損率是評價本集排器排種性能的關鍵指標，應用響應曲面分析各因素對兩指標的影響，如圖8、9所示。由圖8a、9a可知，當導程置于零水平(19 mm)，轉速一定時，變異系數(shù)和破損率都隨葉片寬度的增加先緩慢下降后呈上升趨勢；葉片寬度一定時，變異系數(shù)隨轉速的增加呈先降后升趨勢且變化明顯，破損率隨轉速的增加先緩慢下降后呈快速上升趨勢。由圖8b、9b可知，當葉片寬度置于零水平(4 mm)，轉速一定時，變異系數(shù)隨導程的增加呈先降后快速上升趨勢，破損率隨導程的增加呈上升趨勢且在轉速較高時變化明顯；導程一定時，變異系數(shù)隨轉速增加呈先降后升趨勢，破損率在不同導程時隨轉速的變化趨勢有些不同，但整體變化趨勢為持續(xù)上升狀態(tài)。由圖8c、9c可知，當轉速置于零水平(80 r/min)，導程取較小值時，變異系數(shù)隨葉片寬度的增加呈先降后緩慢上升趨勢，導程取較大值時，變異系數(shù)隨葉片寬度的增加呈上升趨勢，導程一定時，破損率隨葉片寬度的增加呈先降后升趨勢；當葉片寬度一定時，變異系數(shù)隨導程的增加呈先降后升趨勢且在葉片寬度較大時變化明顯，破損率隨導程的增加呈緩慢上升趨勢。

圖8 各因素對供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響Fig.8 Effects of various factors on stability variation coefficient of seed feeding rate

圖9 各因素對破損率的影響Fig.9 Effects of various factors on damage rate

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(yōu)參數(shù)組合為：轉速80.8 r/min、葉片寬度4.1 mm及導程14.7 mm；此時集排器供種裝置的供種速率為93.2 g/min，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.3%，破損率為0.33%。

選取螺旋進種條轉速為81 r/min、葉片寬度為4 mm及導程為15 mm，進行5次重復試驗，試驗測得集排器供種裝置的供種速率為92.7 g/min，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.32%，破損率為0.29%，試驗結果與理論結果基本一致；且排種的均勻性、供種速率穩(wěn)定性及破損率滿足國家排種性能指標，可實現(xiàn)精量播種。

根據(jù)國標要求的供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)不大于1.3%以及破損率不大于0.5%[27]設定指標范圍，可得供種速率為36.55～190.94 g/min，播量可調且可滿足不同的播種量需求；結合機組作業(yè)速度為6～10 km/h，作業(yè)幅寬為2 m，計算可得播量為1.10～9.55 kg/hm2。實際田間作業(yè)中針對不同播期、不同地區(qū)的播量需求及工作效率要求，可得到相應的供種速率，與之對應的有螺旋進種條結構與轉速的參數(shù)匹配組合，結構參數(shù)通過更換螺旋進種條來實現(xiàn)，轉速通過轉速調節(jié)器來實現(xiàn)，可滿足不同的播量及作業(yè)速度要求。

5 田間試驗

為進一步檢驗油菜旋轉盤式高速集排器螺旋供種裝置的供種效果，于2019年10月1日在華中農業(yè)大學現(xiàn)代農業(yè)科技試驗基地以東方紅LX954型拖拉機為動力、2BFQ-8型油菜聯(lián)合直播機為平臺、供種裝置較優(yōu)參數(shù)組合下的集排器開展了油菜播種功能性試驗，如圖10a所示，前茬作物為水稻，油菜品種為華油雜62。播種機作業(yè)速度為6 km/h，工作幅寬為2 m，同時播種8行，行距為210 mm。于田間播種35 d之后每廂取3個點測定1 m×2 m范圍內8行的種植密度[28]，苗期長勢如圖10b所示。其播種均勻性變異系數(shù)為7.8%，種植密度57～72株/m2，滿足NY/T 2709—2015《油菜播種機作業(yè)質量》[29]技術要求。

圖10 油菜播種田間試驗與苗期長勢Fig.10 Field experiment and growth for rapeseed

圖11 油菜旋轉盤式高速集排器田間示范Fig.11 Field demonstration of spinning disc high-speed metering device for rapeseed

為驗證油菜旋轉盤式集排器高速作業(yè)適應性，于2019年9月24—29日在浙江溫州蒼南灘涂地試驗基地以履帶自走式油菜精量播種機為平臺開展播種試驗，如圖11a所示。油菜品種為華油雜62，播種機作業(yè)速度為10 km/h，工作幅寬為2.3 m，同時播種8行，行距為250 mm，播種3.67 hm2。據(jù)上述測定方法測得播種均勻性變異系數(shù)為9.4%，種植密度48～60株/m2，苗期長勢如圖11b所示，滿足實際生產要求。

6 結論

(1)結合油菜機械物理特性及種植農藝要求，開發(fā)了一種螺旋進種條結構，研制了油菜旋轉盤式高速集排器供種裝置，確定螺旋進種條關鍵結構參數(shù)：外徑為26 mm、葉片寬度為2～6 mm及導程為13～25 mm；確立螺旋供種裝置最大臨界轉速為105 r/min。

(2)采用三因素三水平二次回歸正交組合試驗，建立了供種速率、供種速率穩(wěn)定變異系數(shù)、破損率與轉速、葉片寬度、導程之間的數(shù)學模型，分析了各因素對供種速率、供種速率穩(wěn)定變異系數(shù)和破損率的影響，得出較優(yōu)參數(shù)組合為：轉速81 r/min、葉片寬度4 mm、導程15 mm。在該參數(shù)組合下開展驗證試驗，得到集排器螺旋供種裝置的供種速率為92.7 g/min，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.32%，破損率為0.29%，可滿足油菜旋轉盤式高速集排器穩(wěn)定播種要求。

(3)田間試驗表明機組作業(yè)速度分別為6、10 km/h時，油菜播種均勻性變異系數(shù)為7.8%和9.4%，種植密度為57～72株/m2和48～60株/m2，集排器可實現(xiàn)高速播種，滿足油菜種植農藝要求。