油菜、小麦是中国重要油粮作物和长江中下游地区主要冬季种植作物,播种期邻近,机械化播种工序基本一致。为提高机具利用率、降低生产成本和增加生产效益,研制了满足油菜、小麦兼用型的气送式集排器。本文根据油菜、小麦物料特性,创新性地设计了具有交错排布的倾斜锥柱状型孔的锥孔轮结构,实现油麦兼用和定量与变量供种;碗式枝状分配器可实现种子流均匀分配,应用动力学理论、DEM-CFD气固耦合仿真和高速摄像等技术和方法深入研究了集排器气流场和种子在集排器中的运动特性、迁移轨迹等工作机理。主要研究结论包括:(1)基于油菜、小麦物料特性和农艺播种量要求,应用“机械定量供种+气流分配成行”排种原理确定了油麦兼用型气送式集排器总体设计方案,阐述了集排器组成及其工作原理,确定了集排器的供种装置、供料装置、输种管道、增压管、分配器和导种管等关键部件的结构。(2)开展了油麦兼用型气送式集排器关键部件结构设计与参数分析确定。提出了一种倾斜锥柱状型孔和锥孔轮交错排布结构的供种装置,确定了型孔和锥孔轮的结构参数,锥孔轮直径为80 mm,倾斜锥孔轮和空白轮组合数量总和为6,改变锥孔轮数量和转速可调节供种量。采用“文丘里”原理设计供料装置,确定气固两相流管道直径为42 mm。设计了波纹状增压管和碗式枝状分配器,确定了主要结构参数。根据油麦兼用型气送式集排器风量需求与压强损失,风泵流量Q和气流压强分别为115.16 m3/h和1.96 kPa,选用了HG-1100旋涡式风泵。(3)开展了油麦兼用型气送式集排器充种与供种过程分析,构建了充种和供种过程种子受力的力学模型,探明带有倾角锥柱状型孔能有效提高充种和供种性能,较优的倾角范围为13.75°~21.20°。倾角为20°的锥柱状型孔油菜、小麦的供种稳定性变异系数分别低于1.00%和1.10%。转速为10~60 r/min时,供种速率随转速增加而增加,其稳定性变异系数呈先降后升的趋势,供种油菜、小麦较优转速范围分别为10~40 r/min和20~50 r/min;通过调节锥孔轮数量和转速,油菜、小麦的供种速率范围分别为28~450 g/min和95~770 g/min。油麦兼用供种装置可实现油菜和小麦种子的定量与变量供种。(4)运用EDEM软件仿真和高速摄像技术,研究了不同种层厚度的种群运动状态与供种性能。倾角为60°种层调节板的种群压力较大,充填角和充种性能均较优;种群压力和切向力随纵向距离增加而增加,随横向距离增加而降低。转速为10~50 r/min时,初始充填角、充填角和供种速率均随纵向距离增加和横向距离降低而增加,但充种数量变异系数呈先降后升的趋势。种层厚度和转速影响充填角分别源于种群压力和切向力。在纵向距离分别为15和20 mm,横向距离为46 mm时,油菜、小麦充种和供种性能较优。(5)设计了一种可提高小麦充种性能的搅种装置。安装搅种装置能明显增加种群压力、切向力、型孔充种数量、充填角和充种合格率。搅种齿长度显著或极显著影响充填角和型孔充种数,搅种齿排列方式显著影响型孔充种数。结果表明影响充填角和型孔充种数的主次因素为:搅种齿长度>排列方式>搅种齿形状。在搅种齿形状为圆柱形,搅种齿长度为6 mm和双螺旋排列方式条件下,充填角、型孔充种数和充种不合格率分别为78.20°、1.73和0.69%。在转速为20~40 r/min条件下,选择锥孔轮数量为6和转速比为1.154优化组合时,供种速率及其变异系数分别为690~1340 g/min和0.23~0.80%。(6)基于DEM-CFD气固耦合方法分析了混合、输送的气流场和种子运动特性。种子在供料装置和输种管道中受力与速度主要沿气流速度方向,种子迁移的动力主要源自流体阻力。增加喷管截面积降低了种子速度和压强损失,Type 2喷管结构具有较低的压强损失和较高的气流出口速度。与供种速率相比,气流入口速度影响种子受力、种子速度和相对速度更明显。输种管道出口处种子速度随横纵管道长度比k增加呈先降后升的趋势,当输种管道直径、长度和k分别为42 mm、1.0 m和2/3时,管道出口处种子速度、两相流相对速度和压强损失较小。两相流相对速度表现为弯管低于折线形接头,弯管半径100 mm的输种管道气流场和种子分布均匀,压强损失较小。(7)应用DEM-CFD气固耦合方法仿真揭示集排器分配机理,进而优化结构参数。分析了波纹状增压管结构参数(凹窝深度、波纹间距和增压管长度)对种子分布均匀度系数和分配均匀性变异系数的影响。采用多目标规划优化得出结构参数较优组合:凹窝深度、波纹间距和增压管长度分别为4.2 mm、15 mm和180 mm时,种子分布均匀度系数和分配均匀性变异系数分别为91.17%和4.91%。同时得到种子在集排器迁移轨迹和分配状态,种子速度随倾角ψ增加呈降低的趋势,流线型管道出口直径d1和倾角ψ分别为16 mm和60°时,气流速度、种子运动特性和排种均匀性较优。种子受到的合力和种子速度随R增加呈先升后降的趋势,以R为40 mm为最高。分配均匀性变异系数随分配器盖锥角α增加呈先降低后增加的趋势,以锥角120°为最低。(8)开展了油麦兼用型气送式集排器排种性能试验研究。试验研究了导种管材料、直径、布置和工作参数对排种性能影响,结果表明直径为20 mm的PVC钢丝软管材料和导种管长度一致时排种性能较优。排种油菜、小麦气流压强分别为1200Pa和1600 Pa时,各行排量一致性变异系数均低于4.00%,1 m内平均排种数量分别为20.92~22.76和52.92~56.32,排种均匀性变异系数低于20.00%,总排量稳定性变异系数低于1.00%,种子破损率低于0.15%。(9)2015-2017连续2年应用华油杂62和郑麦9023为材料开展油麦兼用型气送式集排器的田间播种试验,结果表明:直播油菜田间种植密度范围为38~80株/m2,稳定性变异系数低于20.00%。直播小麦田间2种播种密度的幼苗分布分别为118~143和232~278株/m2,稳定性变异系数为8.00%左右。播期和播种量对油菜生长特性和产量的小区试验表明,播期延迟和播种量增加使植株个体素质变弱;油菜、小麦产量分别可达2900和6800 kg/hm2。油麦兼用型气送式集排器可通过提高播种均匀性、确定适宜种植密度、选择合适播期和加强田间管理获得全苗、壮苗,在适宜播期内尽早播种油菜,种植密度以30~45万株/hm2为宜;迟播条件下应通过增加种植密度优化群体结构,种植密度以50~60万株/hm2较好。创新点1:提出了“倾斜锥孔轮式供种+碗式枝状分配”集成排种技术,研制了适应油麦兼用的气送式集排器。创新点2:设计了一种倾斜锥柱状型孔和锥孔轮交错排布结构,实现物料特性差异较大的油菜和小麦的变量与精量播种。