基于Bezier曲线的油菜旋转盘式精量集排器设计与试验

姚 露 廖庆喜 沈文惠 王 磊 李蒙良 胡乔磊

(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)

0 引言

油菜是我国国产植物油第一大油源[1-2]，2020年机播率仅为35.65%。长江流域作为冬油菜主产区，因其地块面积狭小分散和土壤黏重板结等特点，机械化播种水平相对偏低[3-5]，开发轻简实用的播种机可有效提高机械化播种水平。机械离心式集排器因具有结构简单等特点而被广泛运用[6]。旋转盘分种机构作为机械离心式集排器的核心部件，其结构形式及参数影响种子分配的均匀性进而影响集排器各行排量一致性。

各行排量稳定性及一致性是影响作物长势和产量的关键因素之一[7]，为提高排种性能相关学者开展了深入研究。YATSKUL等[8]建立了气送式集排器结构和工作参数与各行排量一致性的数学模型，确定了分配装置参数的较优组合；LEI等[9]设计了一种碗式枝状分配装置用来提高油麦兼用型气送式集排器排种均匀性；MUDARISOV等[10]建立了气送式播种机分配系统的气固两相流参数的数学模型，保证了气流与种子的分布均匀性；HU等[11]运用CFD-DEM仿真分析了气送式集排器分配装置中油菜种子的运动特性并确定其最佳结构参数，提高了分配性能；曹秀英等[12-13]设计了一种可用于离心式精量集排器的枝状阀式分流装置，用以提高倾斜地表工况下的排种性能；黄小毛等[14]设计了一种可用于无人机油菜飞播装置的上凸锥筒离心式排种器，可实现条播且各行排量一致性较好；程修沛等[15]对离心式分种器进行结构改进和参数优化，以提高小麦小区播种机的分种均匀性；王磊等[16-19]设计了一种基于文丘里原理的混种部件，并优化了匀种涡轮及穹顶状分配装置，解决了由气流、地表坡度等导致油麦兼用气送式集排器排种性能降低的问题。综上，适用于油菜种子等表皮薄易破损的小粒径作物的机械离心式集排器分种机构较少，且无法有效约束种子流的迁移轨迹，导致分种均匀性降低，进而影响集排器各行排量一致性及破损率。

基于长江中下游地区油菜种植特点，针对现有油菜机械离心式集排器分种机构种子流分配不均导致各行排量一致性较低的问题，利用多次Bezier曲线基本原理建立参数化模型，设计一种“一器八行”、采用螺旋进种条定量供种、旋转盘均匀分种的旋转盘式精量集排器，分析确定导叶曲线的参数方程及关键参数，借助EDEM仿真手段开展旋转盘分种性能试验，得到集排器分种装置导叶入口角、出口角、包角及叶片数的最佳参数组合及对性能参数的影响，验证仿真模型的合理性，以期为旋转盘式精量集排器结构改进提供参考。

1 结构与工作原理

1.1 总体结构

2BFQ-8型油菜旋转盘式精量联合直播机主要由主机架、排种系统、排肥系统、开畦沟系统、仿形地轮、旋耕装置等组成，如图1所示。排种系统主要由集排器、驱动电机、种箱、导种管及双圆盘开沟器等组成。

图1 2BFQ-8型油菜旋转盘式精量联合直播机结构示意图Fig.1 Structure diagram of 2BFQ-8 rapeseed spinning disc precision direct seeder1.肥箱 2.仿形地轮 3.主机架 4.开畦沟前犁 5.旋耕装置 6.开畦沟后犁 7.副机架 8.双圆盘开沟器 9.驱动电机 10.旋转盘式集排器 11.种箱

1.2 集排器结构与工作原理

集排器主要由供种套筒、螺旋进种条、上盖、旋转盘、下盖、导种嘴及主轴等组成，如图2a所示；其中旋转盘为集排器实现均匀分种的核心部件，主要由正锥盘、导叶及凸台等组成，如图2b所示。

图2 油菜旋转盘式精量集排器结构示意图Fig.2 Structural diagrams of spinning disc precision centralized metering device for rapeseed1.供种套筒 2.螺旋进种条 3.上盖 4.旋转盘 5.导种嘴 6.下盖 7.凸台 8.主轴 9.正锥盘 10.导叶

电机在蓄电池带动下通过转速调节器调节转速，带动集排装置动部件做匀速转动，基于前期对供种装置的相关研究，按照实际播种要求播量可匹配转速及供种装置结构参数的最佳组合。种群在螺旋进种条的轴向输送作用下稳定运移至旋转盘顶端，随后均匀分散至旋转盘导叶所形成的分种区，经由8个导种嘴排出，实现单个集排器同时播种8行的功能。螺旋供种装置可控制总排种量，决定总排量稳定性；旋转盘分种装置可实现对种群的均匀分配，影响各行排量一致性，种子运移路程短。

集排器工作时，主轴同步带动螺旋进种条和旋转盘匀速转动，在破拱锥的扰动作用下，种箱内的种子经由螺旋供种装置纵向向下强制输送到旋转盘锥顶，种子在离心力、摩擦力和自身重力等的共同作用下沿导叶和正锥盘锥面运移至旋转盘边缘，种群在导叶的约束作用下以一定初速度进入导种嘴并输送至种床，完成播种作业。

2 旋转盘设计与分析

2.1 正锥盘设计

正锥盘作为分种装置主载体部分，采用ABS工程塑料3D打印加工，主要由中空圆锥体斜面与绕其周向扩散的圆环带组成。锥盘坡度直接影响种群在锥面分离进入周向均布于下底座的8个导种嘴的效率，结合华油杂62种子的滑动摩擦角为22.7°[20]，如图2a所示取正锥盘锥角φ=22°。螺旋供种装置轴向输送种群颗粒到达正锥盘顶端，正锥盘直径直接影响种子在其上的运动时间及落入导种嘴的坐标位置。若直径过大则种群在旋转盘上加速时间过长，整体动能过大会产生漂浮、弹跳等现象；若锥盘直径过小，种群还未经导叶的有效约束直接进入导种嘴，种群运动处于无序状态；结合常规离心式集排器外形尺寸设计可知，直径通常在150～200 mm范围内变化，则取正锥盘直径D′2=170 mm，如图2b所示。绕锥盘周向扩散的环带外径取为D2=190 mm，厚度L=2 mm。为避免旋转盘质量过大导致由加工精度等产生的偏心问题被放大，设计旋转盘内部中空；锥盘中心孔径D0=10 mm，与主轴间隙配合。

2.2 导叶曲线设计

2.2.1三次Bezier曲线

Bezier曲线是通过定义一组多边折线各顶点的位置得到形状唯一的曲线，其具有切矢性，且曲线控制顶点与曲线之间位置关系明确，按照实际需求修改参数即可改变曲线形状，在实现二维曲线造型上操作较为方便，其中三次Bezier曲线的几何形状如图3所示，图中P0、P1、P2和P3为其特征多边形的顶点。设该曲线上的点为P(t)，则可知

图3 三次Bezier曲线示意图Fig.3 Diagram of cubic Bezier curve

(1)

式中P0、P1、P2、P3——Bezier控制多边形的顶点坐标

B30(t)、B31(t)、B32(t)、B33(t)——三次四阶Bezier基

函数

t——曲线上点的横坐标值，0≤t≤1

由图3可知，在曲线始点处，即t=0时，P(0)=P0，曲线与特征多边形的始边P0P1相切；在曲线终点处，即t=1时，有P(1)=P3，曲线与特征多边形末边P2P3相切，通过改变两个控制点P1(x1,y1)及P2(x2,y2)的坐标值来调整曲线曲率走向。根据曲线相关性质，将式(1)展开可得

(2)

2.2.2导叶骨线构型

均匀分布于旋转盘上的导叶是提高各行排量一致性、排种效率并降低破损率的关键结构，且不同的导叶可改变种子在旋转盘上的运动时间和离开旋转盘时转过的角度，为实现导叶曲线无曲率突变且需以最短路径将种群运移至出种口实现短程排种，开展导叶参数化设计，基于Bezier曲线端点处性质，采用三次Bezier曲线构造导叶骨线。

当转速较低时，通常有[21]

(3)

式中r1——导叶入口半径，mm

r2——导叶出口半径，mm

从骨线形状可知，坐标x1、x2主要控制最大挠度位置，坐标y1主要控制骨线正弯和负弯，绝对值表示最大挠度。通过骨线构型示意图中几何关系计算得到4个控制顶点的坐标值，代入式(2)可得到导叶骨线方程为

(4)

由式(4)可知，r1、r2、α1、α2及θ分别为导叶主要的几何参数，前述结构参数设计已知r1和r2。α1影响种子颗粒进入旋转盘的角度，α2主要影响种子颗粒进入导种装置的姿态进而影响集排器的排种性能参数。由图5可知，入口角α1存在锐角(α1<90°)、直角(α1=90°)和钝角(α1>90°)3种状态，为钝角时种子颗粒到达旋转盘后会有相对后移的趋势，增大无效运移路径；出口角α2存在锐角(α2<90°)、直角(α2=90°)和钝角(α2>90°)3种状态，为钝角时叶片呈S型，导叶骨线曲率突变导致种子在运移过程后半段处于自由扩散状态，导叶无法有效约束种群运移轨迹使其有效进入导种嘴。基于上述分析可得α1和α2取值小于90°即满足设计要求，又因α1和α2实际参数匹配时部分参数组合取值导致Bezier曲线性质失效，综合考虑确定α1和α2的取值范围为0°～60°和0°～45°。

图5 不同角度的导叶骨线平面投影示意图Fig.5 Plane projection diagrams of guide vane’s center line at different angles

螺旋进种条、旋转盘与主轴同轴连接，要实现有效供种，螺旋进种条右旋时，电机逆时针转动，导叶需为逆时针方向。分析导叶骨线在进出口半径之间运移种群可能产生的轨迹路线，过小的导叶包角θ降低了导叶对种群的约束作用及种子流的稳定性，随着包角的增大种群越早趋近导叶达到稳定运移状态；通过仿真预试验可知当导叶包角大于90°时，种群的运移路程大幅增加，种子颗粒不能有效进入导种装置，排种效率降低且破损率增大，即存在合理的导叶包角参数使性能较优，综上导叶包角θ取值范围为30°～90°。

根据导叶入口角、出口角及导叶包角参数取值范围开展仿真试验方案设计，并将各参数取值代入式(4)，将所得方程写入Creo 5.0制图软件绘制出导叶骨线线型，建立不同参数组合下的旋转盘三维模型开展仿真试验。

2.3 导叶叶片数分析

导叶叶片数对旋转盘外部结构特征及旋转盘与上盖形成的内腔流场特征影响明显。

导叶叶片数量过少则会增加排种脉动性，两相邻导叶之间形成的运移区单位时间上的种群密度增大，种子碰撞加剧导致无序性增加，排种均匀性差；随着导叶叶片数增加，旋转盘的分种性能有所提高，但导叶数量过多相互之间存在排挤现象，在旋转盘入口处种子颗粒与导叶产生的碰撞几率大幅增加，不利于种子有效进入旋转盘运移区。为减小排种脉动性，确定导叶叶片数Z内范围为6～10。导叶应在满足结构强度的同时降低厚度以减少导叶与种子的碰撞，导叶入口位置采用流线型倒角过渡，确定叶片厚度为4 mm。

2.4 旋转盘分种过程力学分析

2.4.1种群运移过程动力学分析

种群经过螺旋供种装置运移至旋转盘顶部区域，油菜种子从种群中分离短暂呈无约束状态，在重力作用下以一定初速度到达导叶入口处，在旋转盘逆时针转动产生的离心力及种子与锥盘、导叶之间的摩擦力等作用下运移至出口处经导种嘴排出，导叶可根据其骨线线型有效约束种子运动轨迹，种子流经由导叶骨线内侧运移至出种口处。将油菜种子颗粒视为均匀的球体，因旋转盘可实现对种子的有序分种，则不考虑种群间相互作用，均为单粒种子与旋转盘产生相互作用；忽略种群落入旋转盘时可能产生的反弹、种子自旋性及空气阻力。

取旋转盘上处于稳定运移阶段的种子进行受力分析，种子与导叶完全接触，其运动受力模型如图6所示。取处于半径r处的油菜种子为分析对象，以其质心所处位置为坐标原点o1，建立空间动坐标系o1ijk，其中k轴垂直于正锥状旋转盘表面，j轴方向为导叶在该点的切线方向，i轴垂直于jo1k所形成的平面。种子在旋转盘上受力有重力、旋转盘锥面和导叶接触面分别对其的支持力和摩擦力、科氏力、离心力等。

图6 油菜种子在旋转盘上的受力模型Fig.6 Force model for rapeseed on spinning disc

沿j轴方向，由牛顿第二定律可得

(5)

式中 ∑Fj——沿j轴方向的合外力，N

Fe——种子颗粒受到的离心力，N

G——种子颗粒重力，N

f1——旋转盘对种子颗粒的摩擦力，N

f2——导叶对种子颗粒的摩擦力，N

m——种子颗粒质量，kg

δ——导叶切线倾角，(°)

l——种子颗粒在导叶骨线上任意区段内的位移，m

t1——种子颗粒在导叶骨线上任意区段内运动的时间，s

开展动力学分析可得

(6)

式中ω——旋转盘回转角速度，rad/s

n——旋转盘转速，r/min

v——种子颗粒线速度，m/s

μ——种子颗粒与正锥盘及导叶的摩擦因数

Fc——种子颗粒受到的科氏力，N

g——重力加速度，m2/s

联立式(5)、(6)可得

(7)

由式(7)可得，种群颗粒在旋转盘上的运动主要受到旋转盘转速n、正锥盘及导叶与种群接触面材料摩擦因数μ、正锥盘锥角φ及导叶切线倾角δ等影响。在田间播种作业中要求播种机可根据实际播量需求实现播量变量可调，通常通过改变集排器转速n来实现；又由前述参数设计与材料选型已知正锥盘锥角φ和摩擦因数μ；根据导叶切线倾角的定义可知，其主要由Bezier曲线构造的导叶骨线线型参数来控制。综上可得，种群颗粒的运动受力及运移轨迹主要受结构参数导叶入口角α1、导叶出口角α2、导叶包角θ及工作参数转速n影响。

2.4.2种群运移过程运动学分析

油菜种子颗粒在旋转盘上受导叶及锥盘的约束随其做牵连运动，同时由锥盘顶部运移至其底部做相对运动，之后种群经由水平分布的环带区域到达旋转盘边缘，脱离旋转盘的瞬时失去外力作用做平抛运动进入导种嘴。

对处于半径r处的种子颗粒开展运动学分析，此时种子的绝对速度可分解为牵连运动和相对运动，如图7所示。

图7 油菜种子在旋转盘上的速度模型Fig.7 Velocity model for rapeseed of spinning disc

牵连运动是旋转盘绕主轴的周向运动，在其作用下种子旋转产生的速度为牵连速度ve1，方向为该点所在圆周的切线方向，即

ve1=ωr

(8)

种子沿导叶运移至旋转盘边沿，其相对运动的方向为该处的导叶骨线切线方向，颗粒运动轨迹线与叶片骨线一致。将相对速度vr分解为两个相互垂直的分量，即种子颗粒所在圆周方向的速度vr1和与周向垂直的速度分量vr2。已知过种子颗粒所在的点只能作一个平面与牵连速度方向垂直，且牵连速度方向又与该点所在半径垂直，称该平面为过半径的轴面(图7)，vr2即为轴面分速度，即

(9)

综上，种子颗粒在周向上的分速度ve与轴面分速度vr2分别为

(10)

式中σ——绝对速度与轴面分速度的夹角(绝对速度方向角)，(°)

结合式(8)～(10)可得种子颗粒在旋转盘上的绝对速度va为

(11)

由式(11)可知，种子颗粒的绝对速度va主要受旋转盘角速度ω、种子颗粒所处半径r、绝对速度方向角σ和导叶切线倾角δ的影响。绝对速度的大小和方向主要影响种子脱离旋转盘瞬时进入导种装置的初速度。当种子颗粒到达旋转盘边沿时，唯一存在

α2+δ=90°

(12)

结合式(11)、(12)可得种子颗粒在脱离旋转盘边沿瞬时状态时的绝对速度v′a为

(13)

按照“先到先出”的原则种子颗粒无滞留进入导种嘴，此时v′a随着旋转盘外径r2和ω的增大而线性增大，若增大r2，种子在旋转盘上的运动时间增加，加速时间过长，因而v′a增大，若v′a过大种子在进入导种嘴后可能存在反弹及破损等现象，不利于有效排种，结合2.1节分析可知取r2=95 mm合理；ω的增大或减小直接影响螺旋进种条的供种量和供种性能，通常根据实际田间播种需求来确定ω取值。绝对速度方向角σ主要受导叶骨线线型的影响且与导叶切线倾角δ变化趋势一致。又由式(13)可知，增大δ则导叶出口角α2减小，σ增大，种子的绝对速度v′a随之增大，σ主要控制v′a的方向，若σ过大，种子颗粒初速度方向无限接近周向，并不利于种群顺利进入导种嘴，因此为便于种群有效进入导种装置完成播种作业，导叶骨线线型的参数设计尤为重要。

3 仿真试验

运用EDEM仿真可揭示颗粒堆积和流动的过程[22-23]，可模拟分种装置对种群颗粒的力学作用并记录种群在任意位置的运动轨迹[24]，现开展仿真试验探究分种装置导叶主要结构参数(导叶入口角、导叶出口角、导叶包角)及导叶叶片数对各行排量一致性的影响。

3.1 模型建立

采用Creo 5.0分别建立不同结构参数组合的集排器三维模型，根据式(4)可知在部分结构参数取值端点处出现异点、极值等情况，则在不影响Bezier曲线对种群颗粒的作用下对导叶曲线做出适当修正。如图8所示，将简化后的仿真模型导入到EDEM 2018软件中，设置相关参数如表1所示[25-27]。油菜种子模拟华油杂62，其直径为2 mm，种子与集排器、种子之间均采用Hertz-mindlin (no-slip)模型。

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

表1 油菜种子与材料特性参数Tab.1 Values of rapeseed and material properties used in EDEM

3.2 试验方法

基于前期对供种装置的分析可知，当转速为81 r/min时供种装置有较好的供种性能参数，此时供种装置的叶片宽度为4 mm、导程为15 mm，供种速率为92.7 g/min。设置种子生成总量为25 000颗，设置种子生成速率为25 000颗/s，时间步长设置为6.72×10-6s，仿真总时长为13.2 s，排种器于第1.2秒开始工作，工作总时长为12 s。仿真开始3.2 s后，种群运动状态稳定，此时开始统计导种嘴8个出种口的排种粒数，以该排种量表征分种装置导叶参数变化对各行排量一致性的影响。

通过对分种装置的设计与参数分析，分别以导叶入口角、导叶出口角、导叶包角及导叶叶片数为影响各行排量一致性的主要因素。采用响应曲面法开展四因素三水平二次回归正交组合试验，每组试验重复5次，确定旋转盘导叶最佳参数组合，试验因素编码如表2所示。

表2 因素编码Tab.2 Factors and codings

3.3 试验结果与分析

3.3.1试验结果

试验结果如表3所示，其中X1、X2、X3、X4为因素编码值。

表3 试验结果Tab.3 Experiment results

3.3.2回归分析与显著性检验

运用软件Design-Expert 8.0.6对试验数据进行多元回归拟合，得到以各行排量一致性变异系数Y为响应函数，以各因素编码值为自变量的回归数学模型。

对各行排量一致性变异系数进行方差分析，如表4所示。

表4 各行排量一致性变异系数方差分析Tab.4 Variance analysis of apiece row consistency variation coefficient

(14)

由式(14)可知，影响各行排量一致性变异系数的因素主次顺序为导叶入口角、导叶出口角、导叶叶片数和导叶包角。

3.3.3响应曲面分析

各行排量一致性变异系数是评价集排器排种性能的关键指标，应用响应曲面分析各因素对该指标的影响，如图9所示。由图9a可知，当导叶包角及叶片数置于零水平(θ=60°和Z=8)，入口角一定时，变异系数随出口角的增加呈先降后升的趋势且当入口角为0°时其变异系数较大；出口角一定时，变异系数随着入口角的增加先快速下降后呈缓慢上升趋势。由图9b可知，当导叶出口角及叶片数置于零水平(α2=22.5°和Z=8)，入口角一定时，变异系数随着包角的增加呈先降后升的趋势且变化较缓慢；包角一定时，变异系数随着入口角的增加呈先快速下降后缓慢上升的趋势。由图9c可知，当导叶出口角及包角置于零水平(α2=22.5°和θ=60°)，入口角一定时，变异系数随着叶片数的增加呈先降后升的趋势；叶片数一定时，变异系数随着入口角的增加呈先快速下降后上升的趋势，且当入口角为0°及叶片数为10时变异系数大于5%。由图9d可知，当导叶入口角及叶片数置于零水平(α1=30°和Z=8)，出口角一定时，变异系数随着包角的增加变化趋势较为平缓呈先降后升的趋势；包角一定时，变异系数随着出口角的增加呈先快速下降后缓慢上升趋势。由图9e可知，当导叶入口角及包角置于零水平(α1=30°和θ=60°)，出口角一定时，变异系数随着叶片数的增加呈先降后升的趋势；叶片数一定时，变异系数随着出口角的增加呈先快速下降后缓慢上升的趋势。由图9f可知，当导叶入口角及出口角置于零水平(α1=30°和α2=22.5°)，包角一定时，变异系数随着叶片数的增加呈先下降后快速上升的趋势；叶片数一定时，变异系数随着包角的增加变化趋势不明显。

图9 各因素对各行排量一致性变异系数影响的响应曲面Fig.9 Effects of various factors on apiece row consistency variation coefficient

采用Design-Expert 8.0.6软件回归方程及响应曲面分析可得各因素的较优参数组合为：导叶入口角36.0°、出口角26.4°、包角55.1°及叶片数7.8；此时集排器各行排量一致性变异系数为2.36%。此时考虑到叶片数在实际情况中应取为整数，则取叶片数为8。

为验证回归模型的合理性，以导叶入口角为36°、出口角为26°、包角为55°及叶片数为8时，开展油菜种子的排种性能仿真。试验结果表明：在该导叶较优参数组合下旋转盘分种性能较好，导种嘴处无种子滞留及堵塞现象；油菜种子的各行排量一致性变异系数为2.41%，试验结果与理论结果基本一致，油菜种子在旋转盘上的分布如图10所示。

图10 油菜种子分布图Fig.10 Distribution diagram for rapeseed

4 验证试验

4.1 台架试验

为验证仿真结果的合理性，以及在不同转速时集排器对油菜种子的分种性能，将集排器安装于自制的排种试验台上开展验证试验，如图11所示。

图11 旋转盘式精量集排器试验台Fig.11 Platform of spinning disc precision centralized metering device1.种箱 2.供种装置 3.分种装置 4.导种管 5.电机 6.试验台架 7.盛种杯 8.转速调节器 9.时控开关 10.变压器

试验以华油杂62为试验材料，千粒质量为4.68 g，含水率为4.58%[20]。为满足分种装置内所需种子颗粒的种量要求，结合前期对供种装置的研究可知，在满足供种性能的前提下设置转速为60～100 r/min[28]，每间隔10 r/min为一个水平，选择较优的螺旋供种装置结构参数开展试验。试验重复5次，统计油菜种子在60 s内的质量、破损率、各行排量一致性变异系数和单行排量稳定性变异系数，试验结果如表5所示。

表5 集排器排种性能试验结果Tab.5 Seeding performance test results of centralized metering device

由表5可知，当转速在60～100 r/min范围变化时，油菜各行排量一致性变异系数均低于3.9%，单行排量稳定性变异系数低于4.6%，破损率随着转速的提高而逐渐增大但整体均低于0.5%，满足NY/T 2709—2015《油菜播种机 作业质量》对油菜排种性能的要求，且可通过改变转速来满足不同的播量需求。

4.2 田间试验

为检验油菜旋转盘式精量集排器的排种性能，分别于湖北省武汉市、新疆维吾尔自治区昭苏地区和浙江省苍南地区等地进行了约5.5 hm2的油菜播种生产试验。

于华中农业大学现代农业科技试验基地开展不同播量水平的油菜播种试验，用以评价油菜旋转盘式精量集排器排种性能，如图12所示。试验以东方红LX954型拖拉机为动力、2BFQ-8型油菜联合直播机为平台，机组前进速度为4.15 km/h，播种行数为8行，行距为210 mm，幅宽为2 m。播种后45 d测定不同播种量下的8行1 m内的油菜幼苗数量，不同播种量下分别取3个测试点重复测定，统计单位面积范围内8行的油菜幼苗总数量及各行植株分布一致性变异系数，结果如表6所示。

图12 油菜田间试验及苗期长势Fig.12 Field experiment and growth performance for rapeseed

由表6可知，在不同播种量下，油菜各行植株分布一致性变异系数低于14%，油菜种植密度为57～80株/m2，稳定性变异系数低于11%。整体来看各行植株分布均匀性较好，且苗期长势较好，造成种植密度差异的原因是植株成苗率还受地表平整度、降雨及环境等随机因素的影响。

表6 油菜植株田间分布Tab.6 Field distribution for rapeseed

于新疆生产建设兵团第四师77团和浙江省苍南滩涂地试验基地开展播种均匀性及适应性试验，如图13所示。各地试验结果表明，油菜旋转盘式精量集排器能够适应不同地区的播量需求且集排器排种性能满足田间试验需求。

图13 不同地区油菜田间播种试验Fig.13 Field experiment for rapeseed in different areas

5 结论

(1)基于Bezier曲线的曲率性质，设计了一种油菜旋转盘式精量集排器，确定了分种装置的关键结构参数：正锥盘锥角为22°、导叶入口半径为32 mm、导叶出口半径为95 mm、导叶入口角为0°～60°、导叶出口角为0°～45°、导叶包角为30°～90°及导叶叶片数为6～10。

(2)应用EDEM仿真，通过四因素三水平回归正交组合试验，建立了导叶入口角、出口角、包角及叶片数与各行排量一致性变异系数的二次回归数学模型，分析了各因素对各行排量一致性变异系数的影响，得出较优参数组合为：导叶入口角36°、出口角26°、包角55°及叶片数8。在该参数组合下开展仿真验证试验，得到各行排量一致性变异系数为2.41%，旋转盘可有效实现均匀分种功能。

(3)开展台架试验验证较优参数组合下不同转速对集排器排种性能的影响，试验表明：转速为60～100 r/min时，油菜各行排量一致性变异系数均低于3.9%，单行排量稳定性变异系数低于4.6%，破损率低于0.5%。田间试验表明：在不同播量前提下，油菜各行植株分布一致性变异系数低于14%，油菜种植密度为57～80株/m2，植株田间分布稳定性变异系数低于11%。满足油菜播种性能要求。