雜交稻制種機(jī)不育系精量穴播集中排種裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

周中林 胡洪基 郭金岳 黃邦超 李 卉 陶有鳳 任萬(wàn)軍 雷小龍,*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,四川 雅安625014; 2.作物生理生態(tài)及栽培四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 611130)

我國(guó)是雜交稻生產(chǎn)大國(guó)和用種大國(guó),傳統(tǒng)雜交稻制種人工作業(yè)效率低、勞動(dòng)高強(qiáng)度大和成本高,實(shí)現(xiàn)雜交稻制種機(jī)械化是提高制種效率與效益的重要途徑[1-3]。

雜交稻制種是父母本間作的異交栽培過(guò)程,父母本機(jī)械化種植是實(shí)現(xiàn)制種機(jī)械化的難點(diǎn)。雜交稻制種機(jī)械化種植分為父本手插母本機(jī)插或直播[4-5]、父母本同機(jī)機(jī)插[6]、父母本分機(jī)機(jī)插[7]等方式,生產(chǎn)中存在作業(yè)次數(shù)多、環(huán)節(jié)復(fù)雜等問(wèn)題。針對(duì)父母本播始?xì)v期相差20～30 d的品種,父本機(jī)插母本直播一體機(jī)是雜交稻制種機(jī)械化種植的重要裝備,其中排種裝置是影響制種機(jī)作業(yè)性能的核心部件。

國(guó)內(nèi)外已對(duì)水稻排種裝置的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)開展較多研究。羅錫文等[8-10]設(shè)計(jì)了瓢形組合型孔、雙充種室和彈性隨動(dòng)帶護(hù)種為核心的水稻精量穴直播單體式排種裝置,王在滿等[11-12]通過(guò)拍攝排種過(guò)程,解析了型孔內(nèi)稻種的充種姿態(tài)及流動(dòng)規(guī)律。集中式排種裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、作業(yè)高效、裝卸種便捷等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于水稻、小麥、油菜等播種[13-18];張順等[19-20]設(shè)計(jì)了一種氣力滾筒式水稻直播精量排種裝置,實(shí)現(xiàn)一器六行均勻排種;雷小龍等[21]設(shè)計(jì)了一種集中定量供種的穴播供種裝置,運(yùn)用集中供料、氣流輸送及分配技術(shù),實(shí)現(xiàn)一器八行排種。集中排種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且體積小,便于實(shí)現(xiàn)播種機(jī)輕簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

目前針對(duì)雜交稻制種機(jī)排種技術(shù)的研究較少,為適應(yīng)雜交稻機(jī)械化制種生產(chǎn)要求和滿足不育系稻種排種裝置安裝于插秧機(jī)插秧臺(tái)的輕簡(jiǎn)化要求,本研究擬設(shè)計(jì)一種適用于雜交稻制種的不育系精量穴播集中排種裝置,設(shè)計(jì)一種葉形狀型孔,應(yīng)用EDEM仿真和高速攝像臺(tái)架試驗(yàn)分析排種過(guò)程中型孔內(nèi)稻種的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化型孔結(jié)構(gòu)參數(shù),以期為雜交稻制種不育系排種裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

1 雜交稻制種機(jī)精量穴播集中排種裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 溝插壟播式雜交稻制種種植模式

根據(jù)雜交稻機(jī)械化制種的農(nóng)藝要求,采用4行父本12行母本交替種植,利于母本授粉和機(jī)收。筆者前期設(shè)計(jì)的溝插壟播式雜交稻制種機(jī)能夠在開溝時(shí)同步完成父本機(jī)插+母本直播作業(yè)[22],采用2行恢復(fù)系(父本)機(jī)插于插秧溝,6行不育系(母本)直播于種溝的種植模式(圖1),由于雜交稻制種不育系分蘗能力弱,要求基本苗達(dá)到90～112.5萬(wàn)株/hm2[23],預(yù)試驗(yàn)測(cè)得不育系直播平均發(fā)芽率為71.29%,確定不育系直播平均每穴播種量為8粒。

1.土壤;2.種溝;3.壟臺(tái);4.母本直播稻種;5.蓄水溝;6.插秧溝;7.父本機(jī)插秧苗 1.Soil; 2.Sowing ditch; 3.Ridge platform; 4.Rice population; 5.Water storage ditch; 6.Seedling transplanting ditch; 7.Seedling

1.2 雜交稻制種機(jī)結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)的雜交稻制種機(jī)主要包括排種裝置、開溝裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力裝置(圖2)。該制種機(jī)以插秧機(jī)底盤為動(dòng)力源,驅(qū)動(dòng)開溝裝置、栽植機(jī)構(gòu)和排種裝置同步作業(yè),其中排種裝置安裝于插秧機(jī)后端插秧臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)不育系稻種一器六行精量播種,其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 溝插壟播式雜交稻制種機(jī)主要參數(shù)

1.排種裝置;2.變速裝置;3.導(dǎo)種管;4.投種口;5.換向器;6.機(jī)架;7.植保裝置;8.父本秧苗;9.栽植機(jī)構(gòu);10.開溝裝置;11.藥箱;12.插秧機(jī)頭 1.Seed-metering device; 2.Transmission device; 3.Seed tube; 4.Seed outlet; 5.Commutator; 6.Frame; 7.Pesticide spraying device; 8.Seedlings of male parent; 9.Transplanting mechanism; 10.Ridging device; 11.Pesticide box; 12.Transplanter motor

1.3 精量穴播集中排種裝置結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

本研究設(shè)計(jì)的精量穴播集中排種裝置主要包括種箱、殼體、攪種機(jī)構(gòu)、種層調(diào)節(jié)板、穴播排種機(jī)構(gòu)、護(hù)種板和分配器等(圖3)。種層調(diào)節(jié)板位于穴播排種機(jī)構(gòu)與殼體之間的充種室內(nèi),調(diào)節(jié)種層高度控制充入排種輪型孔的種量和保持恒定的種流進(jìn)入型孔。排種過(guò)程包括充種、攜種、護(hù)種和投種4個(gè)過(guò)程,穴播排種機(jī)構(gòu)由6個(gè)排種輪和7個(gè)空白輪組成,對(duì)應(yīng)6行排種,是實(shí)現(xiàn)精量穴播排種的核心部件。

Ⅰ.充種區(qū);Ⅱ.攜種區(qū);Ⅲ.護(hù)種區(qū);Ⅳ.投種區(qū) 1.種層調(diào)節(jié)板;2.穴播排種機(jī)構(gòu);3.底座;4.觀察口;5.分配器;6.卸種板;7.攪種機(jī)構(gòu);8.外殼;9.充種室;10.種箱;11.排種軸;12.空白輪;13.型孔;14.排種輪 Ⅰ. Seed filling zone; Ⅱ. Seed carrying zone; Ⅲ. Seed protecting zone; Ⅳ. Seed throwing zone 1.Regulating plate of seed layer; 2.Hill-seeding mechanism; 3.Base; 4.Observation port; 5.Distribution tube; 6.Seed discharging plate; 7.Seed churning mechanism; 8.Shell; 9.Seed filling room; 10.Seed box; 11.Seeding shaft; 12.Black wheel; 13.Model-hole; 14.Metering unit

精量穴播集中排種裝置工作時(shí),稻種由種箱進(jìn)入充種室,在種層調(diào)節(jié)板作用下使充種室種層厚度保持穩(wěn)定,稻種在重力、攪種機(jī)構(gòu)和排種輪的多重?cái)_動(dòng)作用下充入型孔,排種輪型孔在充種區(qū)完成充種,轉(zhuǎn)動(dòng)至排種輪頂端稻種在回流作用下納入型孔底部,通過(guò)護(hù)種區(qū)進(jìn)入投種區(qū)在重力和離心力的雙重作用下6行型孔內(nèi)稻種掉入分配器,由導(dǎo)種管輸送至種溝完成排種過(guò)程。

2 精量穴播集中排種裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與仿真分析

2.1 型孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1葉形狀型孔

型孔是排種裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),主要包括形狀和尺寸參數(shù)。不育系稻種物理特性參數(shù)是型孔結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)的依據(jù)[24],不育系稻種呈紡錘體狀,表面有稃毛,流動(dòng)性差。以雜交稻制種不育系‘宜香1A’(宜香優(yōu)2115不育系)、‘蜀1A’(蜀優(yōu)217不育系)和‘錦城2A’(錦城優(yōu)雅禾不育系)共3個(gè)品種為供試材料見表2。稻種以平躺和側(cè)臥姿態(tài)為主,概率>88%[20,25-26]。

表2 雜交稻不育系稻種物理特性參數(shù)

為提高充種性能、防止型孔堵塞和便于投種,排種輪型孔的左壁面和右壁面采用葉形曲線設(shè)計(jì)(圖4)。由笛卡爾方程得到葉形曲線方程為:

1.排種輪;2.型孔左壁葉形曲線;3.型孔;4.型孔右壁葉形曲線 1.Seed metering wheel; 2.Left leaf curve of model-hole; 3.Model-hole; 4. Right leaf curve of model-hole Xa、Xb、Xd分別為型孔上沿寬度、下沿寬度、深度。 Xa, Xb, Xd are the width, bottom width, depth of model-hole, respectively. A為左壁葉形曲線始點(diǎn);B為左壁葉形曲線與底面的交點(diǎn);C、D分別為左壁葉形曲線和右壁葉形曲線與排種輪輪廓交點(diǎn);E為右壁葉形曲線始點(diǎn)。 A is the starting point of the left leaf curve. B is the intersection between left leaf curve and bottom surface. C and D are intersection points between the left and right leaf curve and seed metering wheel wall, respectively. E is the starting point of the right leaf curve.

(1)

式中:x和y分別為葉形曲線上點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo),mm;k為斜率;xt為橫向調(diào)節(jié)參數(shù);yt為縱向調(diào)節(jié)參數(shù)。

2.1.2型孔尺寸

參照經(jīng)驗(yàn)公式[8,21,27],型孔參數(shù)計(jì)算公式為:

(2)

式中:Xa為型孔上沿寬度,mm;λa為上沿寬度調(diào)整系數(shù),范圍為0.9～1.9;Xb為型孔下沿寬度,mm;λb為下沿寬度調(diào)整系數(shù),范圍為0.5～0.7;Xc為型孔上沿長(zhǎng)度,mm;λc為上沿長(zhǎng)度調(diào)整系數(shù),范圍為1.0～2.0;Xd為型孔深度,mm;λd為型孔深調(diào)整系數(shù),范圍為0.9～1.1;Lmax為水稻種子最大長(zhǎng)度,mm;Lmean為水稻種子平均長(zhǎng)度,mm;Tmax為水稻種子最大厚度,mm;Tmean為水稻種子平均厚度,mm。

根據(jù)稻種物理特性參數(shù)(表2),確定型孔的Xa、Xb、Xc、Xd分別為19.45、4.94、16.00和8.26 mm。根據(jù)型孔尺寸要求,設(shè)左壁葉形曲線初始坐標(biāo)A點(diǎn)為(-2.10 mm,21.5 mm),右壁葉形曲線初始坐標(biāo)E點(diǎn)為(-4.81 mm,26.74 mm),根據(jù)型孔的尺寸設(shè)計(jì)與排種輪輪廓的交點(diǎn),令葉形曲線方程調(diào)節(jié)參數(shù)xt=yt=6.21,為提高囊種成功率左壁葉形曲線斜率k1、k2分別設(shè)為2和1,為投種成穴性右壁葉形曲線斜率k1、k2分別設(shè)為0和3,確定點(diǎn)B坐標(biāo)為(0.13 mm,26.74 mm),根據(jù)排種輪輪廓確定交點(diǎn)C和D坐標(biāo)分別為(-5.02 mm,34.64 mm)和(15.17 mm,31.54 mm)。

2.2 排種輪參數(shù)設(shè)計(jì)

由雜交稻制種農(nóng)藝種植所需播種量與排種裝置播種量可知:

(3)

式中:h為行距,m;m為穴距,m;k為單穴植株數(shù)量;p為發(fā)芽率;D為排種輪直徑,mm;n為排種輪轉(zhuǎn)速,r/min;v為機(jī)具作業(yè)速度,m/s;N為排種輪型孔數(shù)量;fp為型孔充種數(shù)量,粒;Z為穴播排種輪數(shù)量;l為機(jī)具工作幅寬,m;Q1為田間作業(yè)播種量,kg/hm2;Q2為排種裝置播種量,kg/s。

根據(jù)穴播集中排種裝置的播種量應(yīng)與農(nóng)藝要求的播種量相同,由式(3)可得:

(4)

由式(4)可知,稻種在田間的分布與排種輪轉(zhuǎn)速n、發(fā)芽率p、機(jī)具作業(yè)速度v、排種輪上型孔數(shù)量N有關(guān),同時(shí)排種輪上型孔數(shù)量N受排種輪直徑影響,當(dāng)穴距m、作業(yè)幅寬l和作業(yè)速度v一定時(shí),型孔數(shù)量N與排種輪轉(zhuǎn)速n呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)排種輪直徑過(guò)大時(shí),排種器尺寸較大;直徑過(guò)小時(shí),排種輪線速度過(guò)大導(dǎo)致型孔充種時(shí)間過(guò)短,會(huì)產(chǎn)生漏播。一般排種輪轉(zhuǎn)速n為10～50 r/min,機(jī)具前進(jìn)速度為2.5～5.0 km/h時(shí),確定排種輪直徑D為70 mm,型孔數(shù)量N為6個(gè)。排種輪應(yīng)用3D打印技術(shù)加工,材料為ABS(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer)工程塑料。

2.3 排種過(guò)程仿真試驗(yàn)

精量穴播集中排種裝置工作時(shí),由于充種過(guò)程中多粒稻種組成的種群在攪種裝置和排種輪對(duì)種群的雙重?cái)_動(dòng)作用下順利充入型孔到排出的過(guò)程難以準(zhǔn)確描述。因此,采用EDEM對(duì)排種過(guò)程進(jìn)行仿真研究分析。

在仿真中將幾何模型簡(jiǎn)化為殼體、攪種裝置和穴播排種機(jī)構(gòu)3部分(圖5),材料分別設(shè)定為不銹鋼和ABS工程塑料,顆粒模型選擇Hertz-Mindlin(no-slip)硬球模型,顆粒及其材料的仿真參數(shù)參考文獻(xiàn)[28-29],設(shè)定排種輪轉(zhuǎn)速為20 r/min,在型孔內(nèi)分別標(biāo)記豎立、平躺和側(cè)臥姿態(tài)稻種,后處理器分析稻種在排種過(guò)程中受力和姿態(tài)變化。

1.種群;2.攪種軸;3.殼體;4.穴播排種機(jī)構(gòu);5.限種板;6.顆粒工廠;7.側(cè)臥姿態(tài);8.稻粒;9.排種輪;10.型孔;11.平躺姿態(tài);12.豎立姿態(tài) 1.Seed population; 2.Shaft of seed churning; 3.Shell; 4.Hill-seeding mechanism; 5.Regulating plate; 6.Particle factory; 7.Longitudinal position of seed; 8.Rice grain; 9.Seed wheel; 10.Model-hole; 11.Vertical position of seed; 12. Lateral position of seed

2.4 不同姿態(tài)稻種排種過(guò)程仿真分析

不同初始姿態(tài)稻種仿真排種過(guò)程中稻種在型孔內(nèi)的姿態(tài)變化與所受合力見圖6。仿真時(shí)間t=1.65 s時(shí)稻種開始從充種區(qū)充種,不同姿態(tài)稻種所受合力差異較大,平躺和側(cè)臥姿態(tài)稻種分別在t=1.73 和1.80 s進(jìn)入型孔,在型孔支持力作用下受種群擾動(dòng)和擠壓力減小,稻種所受合力變化趨于平穩(wěn),豎立姿態(tài)稻種受種群擾動(dòng)和擠壓在t=1.89 s進(jìn)入型孔,豎立姿態(tài)稻種因豎立在型孔內(nèi)超出型孔深度,在型孔轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到種群的刮帶作用易從型孔內(nèi)脫落,豎立姿態(tài)稻種所受合力波動(dòng)最大;在t=2.01 s時(shí)型孔離開充種層進(jìn)入攜種區(qū),型孔內(nèi)稻種不再受種群擾動(dòng)和擠壓作用,不同姿態(tài)稻種所受合力小且穩(wěn)定,在t=2.38 s時(shí)型孔轉(zhuǎn)動(dòng)到排種輪頂點(diǎn),型孔內(nèi)稻種出現(xiàn)微動(dòng),在t=2.48 s時(shí)進(jìn)入護(hù)種區(qū),型孔內(nèi)不同姿態(tài)稻種在重力和離心力作用下向型孔右壁面傾倒后平躺在型孔內(nèi),避免稻種與排種裝置外殼碰撞和擠壓破損,型孔轉(zhuǎn)動(dòng)至投種口時(shí),右壁面采用向下葉形曲線設(shè)計(jì)保證投種一致性,此時(shí)受力不斷增加,其中豎立姿態(tài)由于重心高加速度大,在t=2.78 s時(shí)滑出型孔時(shí)受力最大,在t=3.01 s時(shí)稻種離開型孔完成投種。

圖6 仿真排種過(guò)程中稻種姿態(tài)和所受合力

3 精量穴播集中排種裝置臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)時(shí)將自主設(shè)計(jì)的精量穴播集中排種裝置安裝在JPS-12計(jì)算機(jī)視覺排種性能試驗(yàn)臺(tái),排種輪轉(zhuǎn)速為20 r/min,供試材料為‘宜香1A’、‘蜀21A’和‘錦城2A’,稻種進(jìn)行浸種催芽處理。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為確定較優(yōu)的型孔形狀,根據(jù)型孔每穴播種量計(jì)算葉形曲線與排種輪的交點(diǎn)坐標(biāo)B、C、D和E點(diǎn),分析直線狀型孔、圓弧曲線狀型孔和葉形狀型孔3種型孔結(jié)構(gòu)(圖7)對(duì)排種性能的影響。應(yīng)用高速攝像機(jī)(日本Photron公司生產(chǎn)的FastCamMini UX100)拍攝稻種的充種過(guò)程,統(tǒng)計(jì)連續(xù)50穴的穴粒數(shù)及其充入型孔的姿態(tài)。

x1、x2、x3分別為型孔長(zhǎng)度、深度和寬度的實(shí)際值,mm,圖8同。 x1, x2, x3 are the actual values of length, depth, width of the model-hole, mm. The same as Fig.8.

為優(yōu)化型孔結(jié)構(gòu)參數(shù),以排種輪型孔長(zhǎng)度、深度和寬度為試驗(yàn)因素,以合格率Y1、漏播率Y2為評(píng)價(jià)性能指標(biāo),排種轉(zhuǎn)速為20 r/min,采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法開展試驗(yàn)[30-31],型孔參數(shù)試驗(yàn)因素水平見表3。統(tǒng)計(jì)6行的連續(xù)60穴的穴粒數(shù),每組重復(fù)3次,應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析。

表3 型孔參數(shù)試驗(yàn)因素與水平

為分析精量穴播集中排種裝置對(duì)雜交稻品種和轉(zhuǎn)速的適應(yīng)性,以不育系品種和轉(zhuǎn)速為因素試驗(yàn),不育系共3個(gè)品種,排種輪轉(zhuǎn)速設(shè)10～40 r/min,增量為10 r/min。

試驗(yàn)方法參照GB/T 6973—2005《單粒 (精密) 播種機(jī)試驗(yàn)方法》[32],穴粒數(shù)6～10粒為合格,>10粒為重播,<6粒為漏播。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1型孔形狀對(duì)排種性能的影響

型孔形狀對(duì)排種合格率、漏播率和稻種在型孔內(nèi)的姿態(tài)有顯著影響(表4)。葉形狀型孔排種合格率最高,漏播率最小;豎立姿態(tài)稻種對(duì)排種性能影響最大,其占比越大排種性能越差,故葉形狀型孔內(nèi)稻種以平躺和側(cè)臥姿態(tài)為主,其比例>76%,排種性能較好,試驗(yàn)中選用葉形狀型孔。

表4 型孔形狀對(duì)排種性能影響的試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排種性能的影響

排種裝置性能試驗(yàn)的結(jié)果及方差分析見表5和表6。

表5 型孔參數(shù)試驗(yàn)方案與結(jié)果

表6 型孔參數(shù)試驗(yàn)二次多項(xiàng)式模型方差分析

由方差分析可知:x1x2和x1x3交互作用對(duì)排種合格率有顯著影響,x1x3和x2x3交互作用分別對(duì)排種漏播率有顯著和極顯著影響;2個(gè)響應(yīng)指標(biāo)的回歸模型P<0.01,決定系數(shù)R2分別為0.98和0.96,失擬項(xiàng)P值分別為0.93和0.80,均大于0.05,表明排種合格率、漏播率的回歸模型方程對(duì)試驗(yàn)擬合精度較高[30]。將不顯著項(xiàng)剔除后,得到以各因素編碼值為自變量的排種合格率和漏播率回歸模型方程分別為:

(5)

(6)

型孔參數(shù)交互作用對(duì)排種合格率和漏播率的響應(yīng)曲面見圖8。當(dāng)型孔寬度取16.00 mm時(shí),隨型孔長(zhǎng)度增加排種合格率先增大后減小(圖8(a)),漏播率先減小后增大(圖8(c)),型孔長(zhǎng)度增加延長(zhǎng)了型孔在充種區(qū)種群的充種時(shí)間,有效囊種數(shù)量增加,進(jìn)而提高排種合格率;型孔過(guò)長(zhǎng)時(shí),囊種數(shù)量過(guò)多和在相同位置型孔未完全浸在充種區(qū)種群內(nèi),導(dǎo)致合格率降低。當(dāng)型孔長(zhǎng)度取19.45 mm時(shí),隨型孔寬度增加排種合格率先增大后減小,漏播率先減小后增大,型孔寬度增加時(shí),平躺和側(cè)臥姿態(tài)稻種能順利進(jìn)入型孔,降低了排種漏播率;型孔過(guò)寬時(shí),型孔內(nèi)平躺和側(cè)臥姿態(tài)種群與豎立姿態(tài)種群之間形成架空,排種漏播率增大。

圖8 型孔參數(shù)交互因素對(duì)排種合格率(Y1)和漏播率(Y2)的響應(yīng)曲面圖

當(dāng)型孔長(zhǎng)度為19.45 mm時(shí),隨型孔深度增加排種合格率先增大后減小(圖8(b)),型孔深度增加,豎立姿態(tài)稻種易充入型孔,凸出掉落減少,增加囊種概率,從而增大排種合格率;型孔過(guò)深時(shí),豎立和傾斜姿態(tài)的稻種阻礙稻種充入型孔,導(dǎo)致合格率減小。當(dāng)型孔深度為8.26 mm時(shí),隨輪型孔寬度增加排種漏播率減小,當(dāng)型孔寬度為16.00 mm時(shí),隨型孔深度增加排種漏播率減小(圖8(d))。

為獲得型孔較優(yōu)參數(shù)組合,應(yīng)用Design-Expert 8. 0.6軟件對(duì)回歸模型方程進(jìn)行優(yōu)化求解,得到優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為:

(7)

優(yōu)化后型孔形狀長(zhǎng)度、深度和寬度尺寸分別為20.26、7.46和16.84 mm;排種合格率為92.99%、漏播率2.28%。

為驗(yàn)證回歸模型和優(yōu)化結(jié)果的可靠性,采用型孔最佳參數(shù)組合開展5次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn),取平均值作為試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。結(jié)果表明:排種合格率、漏播率分別為92.63%和2.81%,平均穴距、穴徑分別為120.60和38.90 mm,穴距變異系數(shù)、穴徑變異系數(shù)分別為15.07%和29.03%。

3.3.3雜交稻不育系品種和排種輪轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能的影響

不育系品種和排種輪轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能有顯著影響(圖9),排種輪轉(zhuǎn)速為10～50 r/min時(shí),排種合格率隨排種輪轉(zhuǎn)速增加呈先增大后減小趨勢(shì),重播率和漏播率趨勢(shì)相反;當(dāng)排種輪轉(zhuǎn)速為40～50 r/min時(shí),排種合格率減小較快,主要由于轉(zhuǎn)速過(guò)快型孔充種時(shí)間減少;當(dāng)排種輪轉(zhuǎn)速為10 r/min時(shí),由于轉(zhuǎn)速過(guò)低種層之間的擾動(dòng)作用不明顯,其排種合格率低于20～30 r/min。因此,較優(yōu)排種輪轉(zhuǎn)速為20～30 r/min,3個(gè)品種的合格率均>90.51%,重播率<5.92%,漏播率<3.55%。

圖9 雜交稻不育系品種和排種輪轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能的影響

4 排種裝置田間試驗(yàn)

為檢驗(yàn)不育系精量穴播集中排種裝置的田間播種性能,于2021年4月在四川省崇州市四川農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代研發(fā)基地開展田間試驗(yàn)(圖10(a))。將排種裝置安裝在雜交稻制種機(jī)支架上,試驗(yàn)田塊長(zhǎng)64.00 m、寬20.00 m,前茬為油菜,茬高562.40 mm;土壤含水率為58.66%,堅(jiān)實(shí)度為0.96 kPa。播種量分別設(shè)為(4±2)、(6±2)和(8±2) 粒/穴。供試品種為‘宜香1A’,排種輪轉(zhuǎn)速為20 r/min,行距、穴距分別為250 和120 mm。播后采用3點(diǎn)取樣法選取3個(gè)點(diǎn)調(diào)查6行每行連續(xù)20穴的穴粒數(shù),于3葉一心期采用5點(diǎn)定點(diǎn)法測(cè)1 m內(nèi)6行的穴苗數(shù)、株距,父母本長(zhǎng)勢(shì)效果較好(圖10(b))。

1.插秧機(jī);2.排種裝置;3.封閉除草裝置;4.開溝裝置;5.投種口;6.父本秧苗 1.Transplanter; 2.Seed-metering device; 3.Pesticide spraying device; 4.Ridging device; 5.Seed outlet; 6.Seedlings of male parent

排種裝置田間播種性能結(jié)果表明,隨播種粒數(shù)增加播種合格率減小,播種合格率、漏播率和重播率分別為82.69%、8.52%和8.79%。3葉一心成苗率為46.93%,平均穴距為121.20 mm,不育系精量穴播集中排種裝置滿足雜交水稻制種不育系直播農(nóng)藝技術(shù)要求。

5 結(jié) 論

本研究以雜交稻制種不育系精量穴播集中排種裝置為研究對(duì)象,依據(jù)稻種物理特性參數(shù)和農(nóng)藝要求,確定型孔結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù);對(duì)排種過(guò)程進(jìn)行仿真和高速攝像分析,型孔采用葉形曲線設(shè)計(jì)有利于充種,其平躺和側(cè)臥姿態(tài)充種的概率>76%。開展葉形狀型孔參數(shù)二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn),得到了型孔較優(yōu)參數(shù)組合,型孔長(zhǎng)度、寬度和深度分別為20.27、16.84 和7.46 mm時(shí),排種合格率和漏播率分別為92.63%和2.81%。田間試驗(yàn)結(jié)果表明,播種合格率、漏播率、重播率、成苗率、穴距分別為82.69%、8.52%、8.79%、46.93%和121.20 mm。該不育系精量穴播集中排種裝置能滿足雜交水稻制種母本直播作業(yè)的農(nóng)藝技術(shù)要求。