油菜和小麦是我国重要的油料和粮食作物,播期毗邻,机械化作业工序相似,开发油菜和小麦兼用播种机以提高机具的利用率为实际生产迫切需求;随着现代农业新型经营主体的快速发展,开发大中型兼用播种机提高作业效率已成为推动油麦机械化播种水平的发展方向;论文针对现有免耕播种机难以实现播量调节范围大,且尺寸差异明显的油菜与小麦种子兼用高速播种、同步施肥,排种器及开沟装置对地表坡度下宽幅作业适应性差等问题,开发了油麦兼用型宽幅高速气送式播种机。具体研究内容包括:（1）系统分析国内外油菜和小麦播种技术研究现状,根据油麦兼用型宽幅高速气送式播种机高效播种作业要求,提出了基于可折叠机架、气送式排种与排肥、仿形凿式开种沟的油麦兼用型宽幅高速气送式播种机总体设计方案,阐述了其工作过程及原理,确定了油麦兼用型宽幅高速气送式播种机的气送式排种系统、气送式排肥系统、仿形凿式开种沟装置等主要部件的结构及其参数;为实现宽幅、高速播种作业并满足油菜和小麦种植农艺要求,确定了播种机作业幅宽为4.8 m、作业速度为6～12 km/h、作业效率为2.88～5.76 hm~2/h,仿形凿式开沟装置错位排布,播种行数为24;采用隔行侧位施肥方式,施肥行数为12。（2）油麦兼用型宽幅高速气送式播种机关键部件的结构设计与参数分析。a)针对实际作业中地表具有一定的坡度与宽幅高速播种作业难以匹配,且缺乏油菜及小麦兼用并排种可靠的气送式集排器的生产实际,研制了基于文丘里原理的输种部件、可实现24行排种的穹顶状分配装置及利用输送气流驱动的匀种涡轮;输种部件和分配装置结构一定时,种子与输送气流的流量比越大,总压损越大,表明输送种子的量越大,对气送式排种系统风机的气压和输送气流速度要求越高;分析得出了输种管内径为81 mm、送料管加速阶段长度大于715 mm、穹顶状上弧板所处球体半径为133.5～1 000 mm、匀种涡轮叶片数为4～10时,可实现油麦兼用排种并提高具有坡度地表作业时各行排量一致性。b)设计并对比分析了平顶式、穹顶式、平顶倒锥体式、穹顶倒锥体式的气送式排肥器分配装置,以实现油麦兼用型宽幅高速气送式播种机播种时同步施肥;基于Hertz理论构建了颗粒肥料与分配装置主体间的弹性碰撞模型,分析表明分配装置上盖板及倒锥体的曲率半径越大,肥料颗粒与分配装置碰撞破损时的肥料颗粒和上盖板相互靠近的速度越小,肥料颗粒越易破损;同时计算得出上盖板直径为130 mm,锥体角为80°、倒锥体高度为50 mm时,可实现12行排肥功能。c)研制了基于仿形辊弹性形变仿形功能的凿式开种沟装置,以提高地表不平、宽幅播种作业中各行播深一致性和稳定性;构建了凿式开种沟装置与土壤互作仿形力学模型,分析表明增大仿形辊直径及仿形壁到轴心的距离,可降低凿式开种沟装置入土后逆时针在0°～45°转动的趋势,保证入土深度;计算分析得出了刃口宽度为10～14 mm、仿形辊直径为22～26 mm、入土角为15°～31°、播深为10～50mm时,可实现仿形开种沟功能。（3）开展了基于DEM-CFD气固耦合仿真的气送式排种与排肥系统性能仿真试验及其种肥迁移轨迹的分析,揭示了气送式排种系统和气送式排肥系统结构对排种性能和排肥性能的影响规律。a)基于DEM-CFD气固耦合仿真对比分析了输种部件结构型式对输种性能及种子迁移轨迹的影响,加速混合管段的文丘里输种室与弯管的输种管组合的输种部件输种性能较优,油菜种子倒流率为3.01%,且油菜无种子逆流,而小麦种子无逆流和倒流;基于DEM-CFD气固耦合仿真,通过二次旋转正交组合试验,优化确定了气送式集排器分配装置的参数,穹顶状上弧板所处球体半径对各行排量一致性影响最显著;优化分析确定了穹顶状上弧板所处球体半径为245 mm、导流隔板长度为20 mm、导种口高度为20.5 mm时,油菜和小麦各行排量一致性变异系数分别为4.96%、3.82%,可实现种子与输送气流的二次混合;同时应用DEM-CFD气固耦合探究了气送式排肥器分配装置结构型式对排肥性能的影响,穹顶式、平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式等不同结构型式的分配装置内肥料颗粒的各时刻最大速度、最大碰撞法向力、各行排肥量一致性变异系数均逐渐增加,穹顶式分配装置内肥料颗粒最大碰撞法向力大于30 N的比例最小,为1.56%,穹顶式分配装置排肥性能较优。b)应用CFD仿真中的6自由度动网格模型对比分析了3种匀种涡轮对输送气流分布及匀种涡轮转速的影响,进口和出口工作角均为锐角的匀种涡轮有利于种子的输送及搅拌;仿真试验表明匀种涡轮进口工作角分别为锐角、直角、钝角,出口工作角均为锐角时的转速分别为142、135、124 r/min。利用CFD仿真中的6自由度动网格模型对比分析进口和出口工作角均为锐角,叶片数量分别为4、6、8、10的分配装置内流场分布,仿真试验表明随匀种涡轮叶片数量的增加,可提高匀种涡轮出口处输送气流分布的稳定及均匀性并有利于种子搅拌后稳定输送;叶片数量分别为4、6、8、10的分配装置内输送气流压力上限分别为1 448、1 508、1 557、1 620Pa。（4）利用EDEM仿真和DEM-CFD气固耦合仿真探究了地表坡度对供种性能和出种性能及种子迁移轨迹的影响规律。a)分析了地表坡度变化对油麦兼用型宽幅高速气送式播种机排种过程的影响,构建了气送式集排系统排种随机过程模型,分析表明供种装置前后倾斜,倾斜方向与供种装置转速相同时,总供种速率随倾斜角度在-5°～5°增大而逐渐增加;气送式集排器各行排量一致性变异系数随沿播种机作业方向随机倾斜、摆动在-5°～5°增加而先逐渐减小后逐渐增大。b)基于EDEM仿真探寻了随机倾斜对供种性能及种子迁移轨迹的影响。分析得出随机倾斜时种子具有向倾斜方向运移的趋势,在提高供种装置转速前提下,可降低随机倾斜对总供种速率的影响;总供种速率相对无倾斜时的变化率随前后倾斜角度绝对值在0°～5°增加而逐渐增大,变化率可达50%;同时基于DEM-CFD探究了沿播种机作业方向随机倾斜对出种性能及种子迁移轨迹的影响,种子总体具有向倾斜一侧导种口运移的趋势,油菜和小麦各行排种粒数一致性变异系数随倾斜角度的增加而分别在4.99%～14.57%和3.84%～19.32%内逐渐增大。（5）基于智能种植机械测试平台的油麦兼用型宽幅高速气送式播种机气送式排种系统、气送式排肥系统、凿式开种沟装置的台架试验分析与改进。a)基于高速排种适应性分析的气送式集排器输种部件和分配装置排种性能验证试验。试验表明供种装置转速为20～50 r/min时,油菜种子倒流率低于3.2%,且油菜无种子逆流,而小麦种子无倒流和逆流;油菜和小麦各行排量一致性变异系数分别低于5%和3.9%,总排量稳定性变异系数分别低于1.15%和1.35%,破损率均低于0.05%,可达到播种机作业速度为6～12 km/h的宽幅高速播种要求。b)比较分析了不同结构型式气送式排肥器排肥性能并开展验证试验,试验表明通过肥料颗粒最大速度及与分配装置间最大碰撞法向力表征颗粒肥料破损率合理可信,穹顶式分配装置排肥性能总体优于平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置;分析得出了穹顶式分配装置内肥料颗粒各行排肥量一致性变异系数为6.35%～7.52%、总排肥量稳定性变异系数为1.53%～1.92%,破损率为2.97%～3.26%。c)优化分析了基于高速数字化土槽平台的凿式开种沟装置开沟性能,试验表明仿形辊直径对开沟稳定性影响最显著;优化分析得出了刃口宽度为12 mm、仿形辊直径为24 mm、入土角为22°时,开沟深度稳定性系数高于94%,开沟稳定性较优。d)重点比较分析了匀种涡轮结构型式和叶片数量对受地表坡度影响的分配装置排种性能并开展了验证试验,试验表明地表坡度为0°～5°时,安装匀种涡轮各行排量一致性变异系数明显低于未安装匀种涡轮分配装置;相对平整地表,前后与侧向往复组合摆动角度为10°时,安装叶片数量为8的匀种涡轮油菜和小麦各行排量一致性变异系数分别为4.99%～5.42%和3.98%～4.91%。（6）分析确定了地表坡度对油麦兼用型宽幅高速气送式播种机供种性能和出种性能的影响并开展了模拟试验,试验表明总供种速率主要受沿播种机前后倾斜、摆动的影响;总供种速率随往复摆动角度为在0°～10°增加而逐渐增大,比无倾斜时增加可达16.31%;同时分析得出了油菜和小麦各行排量一致性变异系数随单向摆动角度绝对值在0°～5°增大而分别在6.74%～11.94%和6.71%～15.89%内逐渐增大,随往复摆动角度在0°～10°增大而分别在4.86%～10.48%和3.85%～14.77%内逐渐增大。（7）油麦兼用型宽幅高速气送式播种机田间试验测试与分析。凿式开种沟装置结构对播种机作业性能影响试验表明:凿式开种沟装置在新疆偏沙壤土区域作业性能优于长江中下游含水率高的棕壤土区域;测试分析得出了冬油菜和冬小麦播种深度分别为18.1～18.4 mm和26.8～27.9 mm,春油菜播种深度为28.7 mm。油菜及小麦田间试验结果表明:拖拉机轮胎压痕形成的土壤凹陷对春油菜耕作区的影响小于冬油菜耕作区,采用被动扰土装置可有效降低拖拉机轮胎压痕对播深稳定性和出苗效果的影响;同时分析测定了油菜和小麦各行1 m内平均苗数分别为10～14和35～36,其油菜和小麦各行苗数一致性变异系数分别为7.53%～8.36%和8.11%～8.56%,满足油菜和小麦出苗效果要求。创新点1:提出了“组合式文丘里输种+穹顶状分配出种+匀种涡轮匀种”集成排种技术,研发了适应地表坡度作业工况下播量调节范围大,且尺寸差异明显的油菜与小麦种子兼用宽幅、高速播种的气送式集排器。创新点2:设计了基于仿形辊弹性形变的凿式开种沟装置,可有效保障宽幅高速播种作业时播深一致性和稳定性。