雜交水稻穗層埋入式管道送風(fēng)輔助授粉機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王永鋒，周志艷，林宗輝，鐘伯平，劉愛(ài)民，羅錫文，鐘 南，宋燦燦

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

雜交水稻穗層埋入式管道送風(fēng)輔助授粉機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王永鋒1,2,3，周志艷1,2,3※，林宗輝1,2,3，鐘伯平1,2,3，劉愛(ài)民4，羅錫文1,2,3，鐘 南1,2,3，宋燦燦1,2,3

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院/廣東省農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3. 國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心，廣州 510642；4. 袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司，長(zhǎng)沙 410006）

高地隙雜交水稻制種授粉機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)泥底層高差變化過(guò)大時(shí)，兩側(cè)的授粉器上下顛簸導(dǎo)致授粉器風(fēng)場(chǎng)脫離父本穗層最佳作用位置，甚至完全脫離父本穗層，從而導(dǎo)致局部區(qū)域出現(xiàn)授粉缺失。為解決上述問(wèn)題，該研究設(shè)計(jì)了一種雜交水稻穗層埋入式管道送風(fēng)輔助授粉機(jī)，從減輕授粉器質(zhì)量和增加有效作用深度2個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)授粉器的分流器和授粉管進(jìn)行分析，并對(duì)分流器的氣流均布效果和授粉器的氣流風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明：在工作區(qū)間內(nèi)，分流器的氣流均布效果與入口風(fēng)量無(wú)關(guān)（>0.05），根據(jù)參數(shù)優(yōu)化選出的分流器可使3支授粉管的入口總壓平均變異系數(shù)僅為1.14%；授粉管的噴孔直徑為12 mm時(shí)，授粉邊界區(qū)域風(fēng)場(chǎng)速度約為1.2 m/s，可保證花粉橫向懸浮運(yùn)送至整個(gè)母本區(qū)域。根據(jù)理論分析和仿真結(jié)果試制樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：授粉機(jī)行走速度為1.5 m/s，作業(yè)效率約14 hm2/h，在通過(guò)200 mm地面高差時(shí)依然具有穩(wěn)定的穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力，授粉管噴孔軸心氣流平均速度為34.2 m/s的條件下，母本廂花粉采集點(diǎn)的載玻片單位視野內(nèi)平均粒數(shù)為8.35粒（雜交水稻制種農(nóng)藝上要求至少有3?；ǚ郏?，其中平均花粉粒數(shù)多于3粒的采集點(diǎn)數(shù)量占比為96.02%，基本解決了局部區(qū)域授粉缺失問(wèn)題。該研究可為雜交水稻制種田間機(jī)械化授粉提供參考。

機(jī)械化；設(shè)計(jì)；雜交水稻；授粉；高地隙；管道送風(fēng)；流體仿真

0 引 言

近年來(lái)，隨著雜交水稻制種機(jī)械化輔助授粉研究的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了背負(fù)式氣力授粉機(jī)[1]、手持式風(fēng)送授粉機(jī)[2]、無(wú)人機(jī)授粉機(jī)[3-4]、手扶式授粉機(jī)[5]、高地隙授粉機(jī)[6]等輔助授粉機(jī)械，并在田間試驗(yàn)中取得了一定的效果，但存在作業(yè)效率低或?qū)ψ鳂I(yè)人員專業(yè)技能要求高等問(wèn)題[7-8]，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大面積推廣應(yīng)用。

作者團(tuán)隊(duì)在前期研究中[6]設(shè)計(jì)了一種涵道風(fēng)扇式高地隙雜交水稻制種授粉機(jī)，并試制樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，花粉量及結(jié)實(shí)率等指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期效果，但由于水田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，在實(shí)際使用中還存在如下問(wèn)題：在機(jī)具行進(jìn)過(guò)程中，由于泥底層不平，桁架較長(zhǎng)，旋翼型涵道風(fēng)扇授粉器本身質(zhì)量較大等因素，使車身易發(fā)生傾斜或顛簸，盡管設(shè)計(jì)了桁架調(diào)平裝置，但當(dāng)授粉機(jī)經(jīng)過(guò)高差變化太大的泥底層時(shí)，兩側(cè)的授粉器上下顛簸幅度較大，會(huì)出現(xiàn)授粉器脫離父本冠層，從而導(dǎo)致局部區(qū)域出現(xiàn)授粉缺失現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步提升授粉質(zhì)量，解決旋翼型涵道風(fēng)扇式高地隙雜交水稻制種授粉機(jī)局部區(qū)域授粉缺失現(xiàn)象，本文在前期工作的基礎(chǔ)上，擬設(shè)計(jì)一種穗層埋入式管道送風(fēng)輔助授粉器，首先對(duì)授粉器進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，然后運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)授粉器的氣流速度大小及風(fēng)場(chǎng)均勻性等進(jìn)行仿真分析與試驗(yàn)，以使授粉器具備大風(fēng)量輸出和增大風(fēng)場(chǎng)作用當(dāng)量面積，使授粉機(jī)在滿足授粉作業(yè)需求的同時(shí)，解決因泥底層不平所產(chǎn)生的局部區(qū)域授粉缺失問(wèn)題，并試制樣機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，分析授粉作業(yè)后母本廂花粉的分布規(guī)律，為進(jìn)一步優(yōu)化高地隙授粉機(jī)的作業(yè)性能提供理論參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

雜交水稻穗層埋入式管道送風(fēng)輔助授粉機(jī)主要由高地隙動(dòng)力底盤(pán)、桁架、自動(dòng)調(diào)平裝置與升降機(jī)構(gòu)、風(fēng)機(jī)、分流器、氣流輸送管、連接軟管、授粉管等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

風(fēng)機(jī)和分流器通過(guò)軟管連通，固定安裝在桁架中部；在桁架中間和兩端分別固定3支授粉管（按照行進(jìn)方向，從左到右依次命名為左授粉管、中間授粉管、右授粉管），分別通過(guò)氣流輸送管及連接軟管連通分流器的3個(gè)出風(fēng)口；3支授粉管兩側(cè)均勻設(shè)置噴孔，安裝時(shí)保證3支授粉管豎直且噴孔氣流垂直于授粉機(jī)行進(jìn)方向。

高地隙動(dòng)力底盤(pán)的參數(shù)與文獻(xiàn)[6]相同，離地高度1.7 m，軸距2.4 m，輪距2.5 m，底盤(pán)間距橫跨1廂父本（共6行，約1.5 m），桁架單側(cè)幅寬9.25 m，末端可抵達(dá)另一廂父本。按照實(shí)際水稻種植農(nóng)藝，父本廂寬約1.5 m，母本廂寬約7.75 m，授粉機(jī)單次授粉作業(yè)幅寬為27.75 m。

1.2 工作原理

授粉機(jī)桁架自平衡裝置的最大可調(diào)節(jié)角度為10°，根據(jù)輪距為2.5 m，動(dòng)力底盤(pán)在左右輪經(jīng)過(guò)0.44 m的泥底層高差時(shí)，可以保持桁架的水平。但是由于桁架較長(zhǎng)，當(dāng)授粉機(jī)遭遇泥底層不平發(fā)生顛簸時(shí)，授粉器風(fēng)場(chǎng)存在偏移，如果偏移量大于授粉器有效作用長(zhǎng)度，會(huì)出現(xiàn)局部區(qū)域授粉缺失。為解決此問(wèn)題，增強(qiáng)授粉機(jī)在經(jīng)過(guò)泥底層不平區(qū)域時(shí)風(fēng)場(chǎng)在穗層中部的保持能力[9]，本文通過(guò)減輕授粉器質(zhì)量，并增加授粉器的有效作用長(zhǎng)度的方式，確保父本穗頭中部位置始終有氣流通過(guò)，以避免局部授粉區(qū)域出現(xiàn)授粉缺失。

本文采用穗層埋入式管道送風(fēng)結(jié)構(gòu)。授粉器風(fēng)機(jī)安裝在桁架中部，通過(guò)分流器將3支授粉管并聯(lián)，使桁架兩端僅承受單支授粉管的質(zhì)量，并通過(guò)分流器的壓力調(diào)整使3支授粉管得到相同的授粉風(fēng)場(chǎng)；穗層埋入式授粉管豎直安裝，增加有效作業(yè)長(zhǎng)度，從而增加授粉器風(fēng)場(chǎng)在穗層中部的保持能力。

授粉作業(yè)過(guò)程如圖2所示，在授粉作業(yè)開(kāi)始前，通過(guò)液壓升降機(jī)構(gòu)調(diào)整3支授粉管的高度，使授粉管（有效長(zhǎng)度600 mm）中部與父本稻穗穗層中部處于同一水平線上。授粉作業(yè)時(shí)，授粉機(jī)跨行在父本廂正上方，中間授粉管位于授粉機(jī)下方父本廂中線上，沿授粉機(jī)前進(jìn)方向，左授粉管位于授粉機(jī)左側(cè)父本廂中線上，右授粉管位于授粉機(jī)右側(cè)父本廂中線上，每支授粉管左右兩側(cè)噴孔所產(chǎn)生的流場(chǎng)作用于父本廂左右兩側(cè)的半廂母本。

注：h為授粉管的作業(yè)幅寬，m；F為氣流方向。

授粉管通過(guò)連接軟管連接氣流輸送管，行進(jìn)過(guò)程中授粉管產(chǎn)生擺動(dòng)，撞擊父本廂中線附近1～2行父本稻穗，使其在授粉管射流和撞擊的雙重作用下產(chǎn)生震蕩，其他行由氣流作用產(chǎn)生震蕩，花粉被震落在空氣中，隨著授粉管產(chǎn)生的氣流飄向母本區(qū)域，實(shí)現(xiàn)授粉[10]。授粉機(jī)的作業(yè)速度為1.5 m/s，作業(yè)效率約14 hm2/h。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 分流器

由于左授粉管和右授粉管比中間授粉管的氣力輸送管長(zhǎng)，且存在直角彎頭，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出口與各授粉管之間的氣力輸送管路阻力不同，使得左右授粉管與中間授粉管中的風(fēng)場(chǎng)不同。為使3支授粉管（圖3a）風(fēng)場(chǎng)一致，達(dá)到均勻授粉的效果，本文設(shè)計(jì)了一種分流器，如圖3b所示，左右出風(fēng)口關(guān)于中風(fēng)口對(duì)稱，與中出風(fēng)口夾角為45°。為降低風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與管路連接處以及管路與管路連接處變管徑的局部能量損失[11]，設(shè)置所有氣流輸送管路外徑與風(fēng)機(jī)出風(fēng)口外徑相等，均為75 mm，壁厚2.5 mm。

在授粉器管路系統(tǒng)中，管路總壓分為靜壓P和動(dòng)壓。動(dòng)壓影響管道內(nèi)的流量，P決定噴孔向外流出的空氣流量[12]。

要保證3支授粉管風(fēng)場(chǎng)一致，即噴孔向外流出的空氣流量相等，需要確保授粉管入口處（圖3c中、和處）的靜壓相等。根據(jù)全壓損失直接計(jì)算法[13-14]，通過(guò)改變下游風(fēng)管的阻力，使分流器三通處的總壓與阻力相等，從而達(dá)到均勻送風(fēng)的目的。本文采用調(diào)整中出風(fēng)口內(nèi)徑實(shí)現(xiàn)管路總壓調(diào)節(jié)。

為了得到最佳氣流均布效果的分流器，創(chuàng)建以授粉器物理模型中心為中心的長(zhǎng)方體計(jì)算域（30 m×0.5 m×2 m），計(jì)算模型為-湍流模型，將計(jì)算域邊界設(shè)為壓力出口，相對(duì)壓力為0，將分流器進(jìn)風(fēng)口設(shè)為體積流量入口，入口邊界條件依據(jù)工作區(qū)間的風(fēng)量設(shè)為0.05～0.45 m3/s，授粉器管道為光滑壁面，通過(guò)二分法依次設(shè)置中出風(fēng)口內(nèi)徑為20、40、30、35、37、36 mm對(duì)授粉器物理模型進(jìn)行仿真，在分流器進(jìn)入左中右3支授粉管的入口相同位置（圖3c中、、處）圓管中心設(shè)置總壓探測(cè)點(diǎn)，得到總壓變異系數(shù)如圖4所示。

對(duì)圖4中數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果顯示在=0.05的顯著性水平下，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量與總壓變異系數(shù)沒(méi)有顯著相關(guān)性，說(shuō)明進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量在0.05～0.45 m3/s范圍內(nèi)分流器的氣流均布效果不隨風(fēng)量大小變化；在=0.01的顯著性水平下，中出風(fēng)口內(nèi)徑與總壓變異系數(shù)有顯著相關(guān)性，說(shuō)明進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量在0.05～0.45 m3/s范圍內(nèi)分流器的氣流均布效果會(huì)隨著中出風(fēng)口內(nèi)徑變化而變化。

工作區(qū)間內(nèi)，當(dāng)中出風(fēng)口內(nèi)徑為36 mm時(shí)，平均變異系數(shù)最小，僅為1.14%，具有較好的氣流均布效果，所以本文采用中出風(fēng)口內(nèi)徑為36 mm的分流器。

2.2 授粉管

圓孔射流速度在軸線上的一般分布規(guī)律[15-18]

式中v為射流斷面軸心風(fēng)速，m/s；0為噴孔處射流速度，m/s；為射流斷面與噴孔距離，m；為噴孔直徑，mm。

由式（1）可知，改變噴孔直徑即可改變授粉區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速。為得到滿足風(fēng)力要求的授粉風(fēng)場(chǎng)，本文設(shè)置授粉管噴孔直徑為6、8、10、12、14 mm，噴孔間距100 mm[19]，進(jìn)行仿真試驗(yàn)對(duì)比，為涵蓋整個(gè)授粉作用區(qū)域，創(chuàng)建以授粉器物理模型中心為中心的長(zhǎng)方體計(jì)算域（30 mm×0.5 mm×2 m），計(jì)算模型為-湍流模型，將計(jì)算域邊界設(shè)為壓力出口，相對(duì)壓力為0，將分流器進(jìn)風(fēng)口設(shè)為體積流量入口，設(shè)置授粉器入口條件為滿足風(fēng)量要求的擬采用風(fēng)機(jī)的額定功率下-曲線，授粉器管道為光滑壁面。

由于授粉器的3支授粉管風(fēng)場(chǎng)相近，本文僅展示其中1支。為更加清晰的顯示授粉管外部風(fēng)場(chǎng)分布的不同，此處刻度標(biāo)尺僅截取授粉管外部風(fēng)場(chǎng)速度分布區(qū)間，超過(guò)此標(biāo)尺范圍的按標(biāo)尺最大值顯示。授粉管風(fēng)場(chǎng)分布的仿真結(jié)果如圖5所示。在仿真風(fēng)場(chǎng)中，授粉管上部噴孔風(fēng)場(chǎng)下壓，可以防止父本花粉上揚(yáng)飄散在空中，而是隨氣流飄向柱頭較矮的母本，減少花粉在空中的停留時(shí)間，最大程度維持花粉原有的生理狀態(tài)[20-21]。

在圖5仿真風(fēng)場(chǎng)中距3支授粉管兩側(cè)0～4.6 m內(nèi)（單支授粉管作業(yè)區(qū)域），分別水平設(shè)置5個(gè)風(fēng)速探針測(cè)量風(fēng)速，探針高度為授粉管中部以下200 mm處（約為母本穗層位置[22]），結(jié)果如圖6所示，隨著噴孔直徑增大，噴孔附近流速增大，這是因?yàn)閲娍字睆皆龃?，管路系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力變小，使風(fēng)機(jī)對(duì)管路系統(tǒng)提供的風(fēng)量增大[15]；隨著與噴孔的距離增大，風(fēng)速在空氣中自然衰減，其中噴孔直徑的不同造成單側(cè)的6個(gè)噴孔氣流的初始速度和出流角的差異[23]，使混合風(fēng)場(chǎng)特性產(chǎn)生差異。當(dāng)噴孔直徑為12 mm時(shí)，在該風(fēng)場(chǎng)內(nèi)衰減較緩，作業(yè)邊界處風(fēng)速為1.2 m/s，略大于花粉懸浮速度[24]，說(shuō)明花粉可以傳播到邊界處，且不會(huì)引起因花粉過(guò)度擴(kuò)散產(chǎn)生的基因飄流問(wèn)題[25-26]。因此選用噴孔直徑為12 mm的授粉管。

3 樣機(jī)性能試驗(yàn)

3.1 授粉管射流風(fēng)速測(cè)試

依據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果制作雜交水稻穗層埋入式管道送風(fēng)輔助授粉器樣機(jī)，并進(jìn)行室內(nèi)實(shí)測(cè)試驗(yàn)。

采用風(fēng)機(jī)（KS890，山東華盛農(nóng)業(yè)藥械有限公司）為授粉管路提供風(fēng)源（出口靜壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)額定風(fēng)量為0.45 m3/s），打開(kāi)風(fēng)機(jī)使其在額定功率下運(yùn)行，用皮托管風(fēng)速儀（DP2000，杰昱電子科技有限公司）進(jìn)行授粉管噴孔射流風(fēng)速測(cè)量，為保證實(shí)際測(cè)量位置與仿真測(cè)量位置的一致性，降低測(cè)量位置誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)量位置均選取授粉管外壁面噴孔軸心處（如圖7所示），對(duì)授粉器的所有噴孔（36個(gè)）進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量，每個(gè)噴孔測(cè)量時(shí)間為10 s，重復(fù)3次，取平均值并與仿真結(jié)果對(duì)比，如表1所示。

由表1可知，隨著噴孔直徑的增加，噴孔射流風(fēng)速0減小，這是因?yàn)閲娍字睆皆龃蠊軆?nèi)流量增加，導(dǎo)致管內(nèi)動(dòng)壓增大，靜壓值相對(duì)減少[23]。授粉器在風(fēng)機(jī)額定功率下工作時(shí)，左中右3支授粉管噴孔的模擬軸心風(fēng)速平均值與實(shí)測(cè)軸心風(fēng)速平均值的誤差僅為±0.3 m/s，說(shuō)明仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本一致；噴孔直徑為12 mm時(shí)，實(shí)測(cè)噴孔平均風(fēng)速為34.2 m/s，3支授粉管噴孔射流風(fēng)速的平均變異系數(shù)僅為1.12%，滿足風(fēng)場(chǎng)均勻性設(shè)計(jì)要求。

表1 授粉管噴孔射流風(fēng)速測(cè)試結(jié)果

Table.1 Measurement results of jet air velocity of pore nozzle

3.2 泥底層高差對(duì)授粉器穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力的影響

為了探明泥底層高差對(duì)授粉器穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力的影響程度，驗(yàn)證穗層埋入式管道送風(fēng)輔助授粉機(jī)的穗層風(fēng)場(chǎng)保持效果，本文設(shè)計(jì)了穗層保持能力模擬試驗(yàn)測(cè)試，并與涵道風(fēng)扇式高地隙授粉機(jī)授粉器穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力進(jìn)行對(duì)比。

3.2.1 授粉器穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力測(cè)量原理

授粉機(jī)穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力測(cè)量原理如圖8所示，參考Li等[9]的研究，父本穗層中部位置有氣流通過(guò)時(shí)，可以獲得大量的花粉，有利于花粉沿氣流方向分布，因此，根據(jù)作業(yè)要求，調(diào)整授粉器初始位置為授粉器中部氣流作用于穗層中部（如圖8a）。

當(dāng)授粉機(jī)遇到泥底層不平發(fā)生顛簸時(shí)，記有效長(zhǎng)度為的授粉器豎直向上的最大偏移量為l，為保證穗層中部有氣流通過(guò)，最大偏移不能超過(guò)授粉風(fēng)場(chǎng)有效長(zhǎng)度的一半，因此l=/2（如圖8b），當(dāng)實(shí)際偏移量小于最大偏移量l時(shí)，即風(fēng)場(chǎng)作用到穗層中部，授粉器具有穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力；當(dāng)實(shí)際偏移量大于最大偏移量l時(shí)，即風(fēng)場(chǎng)脫離穗層中部，授粉器無(wú)穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力（如圖8c）。向下偏移同理。授粉器穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力的表達(dá)式為

式中為授粉器的風(fēng)場(chǎng)保持能力，= 0表示授粉器具有穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力，1表示授粉器沒(méi)有穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力；為授粉器實(shí)際偏移量，m。

3.2.2 測(cè)試方案

授粉器安裝在高地隙動(dòng)力底盤(pán)，將激光雷達(dá)測(cè)距傳感器（TFmini Plus，北醒光子科技有限公司）固定于右側(cè)授粉器底部，如圖9所示，設(shè)置授粉機(jī)行駛于平坦地面時(shí)傳感器測(cè)得的實(shí)際偏移距離初始值為0，授粉機(jī)以授粉作業(yè)實(shí)際速度1.5m/s通過(guò)不同高度的地面凸臺(tái)時(shí)傳感器采集的數(shù)值即為實(shí)際偏移距離。根據(jù)作者團(tuán)隊(duì)前期田間授粉作業(yè)中的經(jīng)驗(yàn)，分別設(shè)置地面凸臺(tái)高度100和200 mm進(jìn)行授粉器穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力模擬測(cè)試。涵道風(fēng)扇式和管道送風(fēng)式2種授粉機(jī)依次通過(guò)上述凸臺(tái)，記錄實(shí)際偏移距離，重復(fù)3次取平均值。

3.2.3 測(cè)試結(jié)果

將傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)代入式（2），將實(shí)際偏移量與授粉器最大偏移量l進(jìn)行比較，得到如圖10所示授粉器穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力結(jié)果。由圖10可知，在通過(guò)100 mm障礙時(shí)，涵道風(fēng)扇式授粉器和管道送風(fēng)式授粉器穗層保持能力均為0，即均具有較好的穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力；在通過(guò)200 mm障礙時(shí)，涵道風(fēng)扇式授粉器在豎直方向上存在較大擺動(dòng)幅度，無(wú)穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力，而管道送風(fēng)式授粉器的穗層保持能力均為0，依然具有較好的穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的管道送風(fēng)式授粉機(jī)在通過(guò)較大泥底層高差時(shí)具有較好的穗層風(fēng)場(chǎng)保持能力，減少了授粉器脫離穗層現(xiàn)象，滿足大部分田間泥底層不平的情況，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019年8月14日至18日進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)為湖南隆平種業(yè)邵陽(yáng)市武岡基地，輔助授粉期間氣象條件為氣溫35～37 ℃，東南風(fēng)1級(jí)（0.3～1.5 m/s），制種品種為玖兩優(yōu)/黃莉占，父本行距250 mm，株距220 mm；父母本行比為6∶35，廂寬為9.25 m。將涂有凡士林的載玻片水平固定在母本廂穗層處（授粉作業(yè)期間，需根據(jù)水稻長(zhǎng)勢(shì)情況噴施赤霉素，水稻逐日長(zhǎng)高，株高約為1.0～1.2 m，因此采集花粉時(shí)載玻片的安裝高度也逐日相應(yīng)調(diào)整，使其與母本水稻穗層位置平齊）作為花粉采集點(diǎn)。在試驗(yàn)區(qū)域母本廂內(nèi)取80個(gè)花粉采集點(diǎn)，平均分為5行采集帶（A～E），隨機(jī)分布于總長(zhǎng)200 m的單次往返授粉區(qū)域，每行采集帶設(shè)置16個(gè)采集點(diǎn)，相鄰2個(gè)采集點(diǎn)距離約1.0 m，如圖11a所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11b所示。

授粉機(jī)以1.5 m/s的速度進(jìn)行田間授粉作業(yè)，授粉機(jī)風(fēng)機(jī)在額定功率條件下工作。每天進(jìn)行2～3次授粉作業(yè)，每次授粉間隔約30 min[27]。當(dāng)天授粉結(jié)束后，將載玻片收回，用8%的I-IK溶液染色，然后在顯微鏡下（江南XSP-16A）放大10×10倍進(jìn)行觀察，對(duì)視野內(nèi)的花粉進(jìn)行計(jì)數(shù)。

4.2 結(jié)果與分析

對(duì)4廂母本3 d的盛花期花粉數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖12所示。雜交水稻穗層埋入式管道送風(fēng)輔助授粉機(jī)趕粉后各采集點(diǎn)的花粉數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，花粉數(shù)量高于雜交水稻結(jié)實(shí)需求[28]的占比為96.02%，表明穗層埋入式管道送風(fēng)輔助授粉機(jī)具有較好的泥底層高差適應(yīng)性，花粉分布較均勻，較好的解決了局部區(qū)域授粉缺失問(wèn)題；在父本廂附近形成3個(gè)峰，靠近父本廂的平均花粉粒數(shù)較多，遠(yuǎn)離父本較花粉平均粒數(shù)較低，主要原因是氣流剛離開(kāi)父本時(shí)裹挾花粉較多，花粉降落在采集點(diǎn)的概率較高，隨著氣流中花粉量降低，降落在采集點(diǎn)的花粉數(shù)量逐漸減少。

所有采集點(diǎn)的單位視野內(nèi)平均花粉粒數(shù)為8.35粒，其中4廂母本上的單位視野內(nèi)平均花粉粒數(shù)依次為9.34、8.46、10.54和5.08粒，第4廂母本花粉平均數(shù)最低，不滿足最低結(jié)實(shí)要求的采集點(diǎn)全部分布在第4廂，這主要受授粉期間當(dāng)?shù)丶撅L(fēng)（東南風(fēng)1級(jí)，風(fēng)速為0.3～1.5 m/s）的影響，A～E采集帶的平均花粉粒數(shù)依次為7.52、6.28、6.73、9.53、12.28粒，在授粉田塊中處于自然風(fēng)下游的D和E采集帶的花粉數(shù)較高也證實(shí)了季風(fēng)條件對(duì)花粉分布均勻性存在直接影響。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種雜交水稻穗層埋入式管道送風(fēng)輔助授粉機(jī)，用風(fēng)機(jī)提供風(fēng)源，通過(guò)分流器均分風(fēng)量，傳輸?shù)?支豎直安裝的授粉管上，降低了桁架兩端承受的重量，并增加授粉器的有效作用長(zhǎng)度，通過(guò)仿真和田間試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)作業(yè)幅寬為27.75 m，風(fēng)源風(fēng)量為0.05～0.45 m/s3，分流器中出風(fēng)口直徑為36 mm時(shí)，進(jìn)入3支授粉管總壓的差異性最小。在風(fēng)機(jī)額定功率條件下，授粉管噴孔直徑為12 mm時(shí)，授粉管噴孔射流風(fēng)速平均為34.2 m/s，變異系數(shù)為1.22%，風(fēng)場(chǎng)可以覆蓋整個(gè)作業(yè)范圍。

2）當(dāng)授粉機(jī)以1.5 m/s的作業(yè)速度時(shí)，豎直安裝的授粉管有效長(zhǎng)度為600 mm時(shí)，提供了始終作用在父本稻穗穗層中部的風(fēng)場(chǎng)。授粉試驗(yàn)，鏡檢得到4廂母本上采集點(diǎn)花粉粒數(shù)高于雜交水稻結(jié)實(shí)需求的占比為96.02%，其中距離父本廂近的采集點(diǎn)花粉粒數(shù)較多，自然風(fēng)下游處的采集點(diǎn)花粉粒數(shù)較多。本文所設(shè)計(jì)的雜交水稻穗層埋入式管道送風(fēng)輔助授粉機(jī)具有較好的泥底層高差適應(yīng)性，較好解決了局部區(qū)域授粉缺失問(wèn)題。

[1]王永維，何焯亮，陳軍，等. 碰撞氣吹式雜交水稻授粉機(jī)結(jié)構(gòu)與參數(shù)優(yōu)化[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版，2018，44(1)：98-106. Wang Yongwei, He Zhuoliang, Chen Jun, et al. Optimization on structure and parameters of a collision-pneumatic hybrid rice pollination machine[J]. Journal of Zhejiang University:Agriculture & Life Sciences, 2018, 44(1): 98-106. (in Chinese with English abstract)

[2]丁素明，薛新宇，方金豹，等. 手持式風(fēng)送授粉機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(8)：68-75. Ding Suming, Xue Xinyu, Fang Jinbao, et al. Parameter optimization and experiment of air-assisted pollination device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(8): 68-75. (in Chinese with English abstract)

[3]Liu A M, Zhang H Q, Liao C M, et al. Effects of supplementary pollination by singlerotor agricultural unmanned aerial vehicle in hybrid rice seed production[J]. Agricultural Science & Technology, 2017, 18(3): 543-547.

[4]李繼宇，蘭玉彬，王建偉，等. 基于小型無(wú)人機(jī)風(fēng)場(chǎng)的水稻花粉分布規(guī)律[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)文摘-農(nóng)業(yè)工程，2018，30(2)：13-19. Li Jiyu, Lan Yubin, Wang Jianwei, et al. Distribution law of rice pollen in the wind field of small UAV[J]. Chinese Agricultural Digest：Agriculture Engineering, 2018, 30(2): 13-19. (in Chinese with English abstract)

[5]姚福強(qiáng)，王永維，郝一楓，等. 氣力式雜交水稻制種授粉機(jī)授粉管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(18)：18-25. Yao Fuqiang, Wang Yongwei, Hao Yifeng, et al. Optimization of the structural parameters of pollination pipe for pneumatic hybrid rice breeding pollination machines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 18-25. (in Chinese with English abstract)

[6]周志艷，鐘伯平，劉愛(ài)民，等. 涵道風(fēng)扇式高地隙雜交水稻制種授粉機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(9)：1-8. Zhou Zhiyan, Zhong Boping, Liu Aimin, et al. Design of ducted-fan pollination machine based on high-clearance chassis for hybrid rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(9): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[7]陳軍. 雜交水稻制種機(jī)械化授粉機(jī)研制[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2017. Jun Chen. Design of Hybrid Rice Pollination Machine[D]. Hangzhou：Zhejiang University, 2017 (in Chinese with English abstract)

[8]唐文幫，張桂蓮，鄧化冰. 雜交水稻機(jī)械化制種的技術(shù)探索與實(shí)踐[J]. 中國(guó)水稻科學(xué)，2020，34(2)：95-103. Tang Wenbang, Zhang Guilian, Deng Huabing. Technology exploration and practice of hybrid rice mechanized seed production[J]. Chinese Journal of Rice Science, 2020, 34(2): 95-103. (in Chinese with English abstract)

[9]Li Z Q, Tang C Z, Wang H M, et al. Effects of location of airflow on pollen distribution for pneumatic pollination in hybrid rice breeding[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(S2): 107-113.

[10]袁振興. 雜交水稻制種授粉基本原理及其應(yīng)用技術(shù)的研究[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，1992：23-25.

[11]蔡增基，龍?zhí)煊? 流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999：131-152.

[12]辜松，姚維偵，劉建禹. 塑料薄膜通風(fēng)筒性能的研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，1991(4)：18-21.

[13]殷平. 靜壓復(fù)得計(jì)算法的新計(jì)算公式和算圖[J]. 通風(fēng)除塵，1983(2)：1-7.

[14]殷平. 多分支風(fēng)道系統(tǒng)靜壓復(fù)得計(jì)算法的新算法[J]. 暖通空調(diào)，2001，31(2)：18-22. Yin Ping. Improved method of multiple-branch duct system calculation on the static regain method[J]. HV & AC, 2001, 31(2): 18-22. (in Chinese with English abstract)

[15]Xie Z, Xie J, Jiang W, et al. Numerical and experimental investigation of near-nield mixing in parallel dual round jets[J]. International Journal of Aerospace Engineering, 2016(2016): 1-12.

[16]肖洋，唐洪武，華明，等. 同向圓射流混合特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2006，17(4)：512-517. Xiao Yang, Tang Hongwu, Hua Ming, et al. Experimental investigation on mixing characteristics of a round jet in co-flow[J]. Advances in Water Science, 2006, 17(4): 512-517. (in Chinese with English abstract)

[17]Lin W Q, Sun S Q, Yuan F Y, et al. Numerical simulation and visualization of fiber suspension in a turbulent round jet[J]. Applied Mathematics and Mechanics, 2017, 38(12): 1651-1662.

[18]張殿印，王純，除塵工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：47-50.

[19]李中秋，湯楚宙，李明，等. 氣力式授粉噴氣管道參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(21)：68-75. Li Zhongqiu, Tang Chuzhou, Li Ming, et al. Parameter optimization and validation experiment on jet pipe of pneumatic pollination[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(21): 68-75. (in Chinese with English abstract)

[20]張萌，戴冬青，李西明，等. 水稻花時(shí)性狀研究進(jìn)展[J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào)，2016，30(2)：267-274. Zhang Meng, Dai Dongqing, Li Ximing, et al. Advances on the study of flowering time trait in hybrid rice[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2016, 30(2): 267-274. (in Chinese with English abstract)

[21]張彬，芮雯奕，鄭建初，等. 水稻開(kāi)花期花粉活力和結(jié)實(shí)率對(duì)高溫的響應(yīng)特征[J]. 作物學(xué)報(bào)，2007，33(7)：1177-1181. Zhang Bin, Rui Wenyi, Zheng Jianchu, et al. Responses of pollen activity and seed setting of rice to high temperature of heading period[J]. Acta Agronomica Sinica, 2007, 33(7): 1177-1181. (in Chinese with English abstract)

[22]Li Zhongqiu, Tang Chuzhou, Wang Huimin, et al. Experiment and optimization of parameters for pneumatic pollination in hybrid rice breeding[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2012, 28(Supp. 2): 101-106. 李中秋，湯楚宙，王慧敏，等. 氣流作用位置對(duì)雜交水稻制種氣力式授粉花粉分布的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(增刊2)：107-113. (in Chinese with Eglish)

[23]陸耀慶. 供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1987：863-865.

[24]胡達(dá)明. 雜交稻制種授粉花粉懸浮速度測(cè)定與應(yīng)用研究[J]. 雜交水稻，1996：11-13. Hu Daming. Studies on the measurement and use of pollen suspended velocity in hybrid rice seed production[J]. Hybirid Rice, 1996: 11-13. (in Chinese with English abstract)

[25]胡凝，陳萬(wàn)隆，劉壽東，等. 水稻花粉擴(kuò)散的模擬研究[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30(14)：3665-3671. Hu Ning, Chen Wanlong, Liu Shoudong, et al. A model for simulating rice pollen dispersal[J]. Acta Ecologicea Sinica, 2010, 30(14): 3665-3671. (in Chinese with English abstract)

[26]Lavigne C, Godelle B, Reboud X, et al. A method to determine the mean pollen dispersal of individual plants growing within a large pollen source[J]. Theoretical and Applied Genetics. 1996, 93(8):1319-1326.

[27]周宗岳，曹孟飛. 人工輔助授粉的理論與技術(shù)研究[J]. 雜交水稻，1996(4)：15-17. Zhou Zongyue, Cao Mengfei. Theory and technique of supplementary pollination[J]. Hybirid Rice, 1996(4): 15-17. (in Chinese with English abstract)

[28]易著虎，吳升高，肖層林，等. 雜交水稻父本制種特性研究進(jìn)展[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009(7)：17-19，21. Yi Zhuhu, Wu Shenggao, Xiao Cenglin, et al. Research advance on seed-production characters of male parent of hybrid rice[J]. Hunan Agricultural Sciences, 2009(7): 17-19, 21. (in Chinese with English abstract)

Design and experiments of panicle layer embedded pipeline-airflow auxiliary pollination machine for hybrid rice

Wang Yongfeng1,2,3, Zhou Zhiyan1,2,3※, Lin Zonghui1,2,3, Zhong Boping1,2,3, Liu Aimin4, Luo Xiwen1,2,3, Zhong Nan1,2,3, Song Cancan1,2,3

(1.,(),510642,;2.,,,510642,; 3.()510642,4.-..,410006,)

A pollinator with high-clearance chassis has an excellent performance in hybrid rice beyond artificial pollination with high labor intensity and low efficiency. However, the lack of pollination often occurs when the pollinator is separated from the male parent panicle layer, due to the large size of the left/right trusses swinging in the vertical direction, particularly in the uneven bottom soil. In this study, a pipeline-airflow pollinator was designed to embed panicle layer for the better pollination of hybrid rice. A lightweight vertical pollination tube was adopted, where the effective working length was 60mm. As such, the panicle layer in the local paternal area was effected by the pollination wind field always even if high-clearance chassis shaken when the pollination machine was walking in the field. In addition, the key components were optimized to obtain a uniform airflow field and a suitable velocity of airflow in a pollinator. Firstly, the flow divider was simulated to evaluate the distribution of airflow. Then the circular-hole jets were adopted to adjust the pollination airflow field under the different diameters of the nozzle. Simulation experiments were also conducted on pollination tubes with various nozzle diameters. The simulation results showed that there was no significant effect of inlet Inlet air volume on the airflow distribution of divider in the working range (> 0.05). An optimal splitter was selected when the average coefficient of variation was only 1.14% at the inlet total pressure in three pollination tubes, indicating a better uniform airflow field. The air velocity along the pollination boundary was 1.2m/s just above the suspended velocity of pollen, when the diameter of the pollination tube nozzle was 12 mm. A prototype was also trial-produced for the field tests. The experiment results showed the simulation data was basically consistent with the actual one. The relative error of airflow between simulation and measurement was ±0.3 m/s. The coefficient of variation was only 1.12% for the axial airflow velocity of the nozzle in three pollination pipes, when the diameter of the nozzle was 12 mm, indicating suitable for the design requirements of the uniform wind field. The distance of the pollination tube from the middle of the panicle layer was less than half of the effective working length of the pollination tube when the speed of the pollination machine was 1.5m/s, indicating an effective range of pollination wind field. The pollination experiments were conducted in the paddy field under the condition that the walking speed of the pollination machine was 1.5m/s and the average axis velocity of airflow at the pollination tube nozzle was 34.2 m/s. A total of 80 acquisition points were divided into 5 lines on average in the female compartment area against the male parent. The field experiments showed that the average number of grains in the unit visual field was 8.35 (hybrid rice seed production agronomically requires at least 3 grains of pollen), of which the average number of pollen grains more than 3 grains accounted for 96.02%, indicating the minimum requirement of pollen quantity for hybrid rice seeding and pollination in local areas. This finding can provide a sound reference for the production of hybrid rice seeds in mechanized agriculture.

mechanization; design; hybrid rice; pollination; high-clearance; pipeline-airflow; CFD

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.001

S224.9

A

1002-6819(2021)-06-0001-08

王永鋒，周志艷，林宗輝，等. 雜交水稻穗層埋入式管道送風(fēng)輔助授粉機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(6)：1-8.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.001 http://www.tcsae.org

Wang Yongfeng, Zhou Zhiyan, Lin Zonghui, et al. Design and experiments of panicle layer embedded pipeline-airflow auxiliary pollination machine for hybrid rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 1-8. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.001 http://www.tcsae.org

2020-12-07

2021-02-18

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0701202）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2017B090903007）；廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項(xiàng)（2020KJ261）

王永鋒，研究方向?yàn)殡s交水稻授粉技術(shù)。Email：793626334@qq.com。

周志艷，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)。Email：zyzhou@scau.edu.cn。

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：周志艷（E042100021M）