雜交水稻穗層埋入式管道送風輔助授粉機設計與試驗

王永鋒，周志艷，林宗輝，鐘伯平，劉愛民，羅錫文，鐘 南，宋燦燦

·農業裝備工程與機械化·

雜交水稻穗層埋入式管道送風輔助授粉機設計與試驗

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

（1. 華南農業大學工程學院/廣東省農業航空應用工程技術研究中心，廣州 510642；2. 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642；3. 國家精準農業航空施藥技術國際聯合研究中心，廣州 510642；4. 袁隆平農業高科技股份有限公司，長沙 410006）

高地隙雜交水稻制種授粉機在作業過程中，當泥底層高差變化過大時，兩側的授粉器上下顛簸導致授粉器風場脫離父本穗層最佳作用位置，甚至完全脫離父本穗層，從而導致局部區域出現授粉缺失。為解決上述問題，該研究設計了一種雜交水稻穗層埋入式管道送風輔助授粉機，從減輕授粉器質量和增加有效作用深度2個方面進行優化，對授粉器的分流器和授粉管進行分析，并對分流器的氣流均布效果和授粉器的氣流風場特性進行仿真試驗。仿真結果表明：在工作區間內，分流器的氣流均布效果與入口風量無關（>0.05），根據參數優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僅為1.14%；授粉管的噴孔直徑為12 mm時，授粉邊界區域風場速度約為1.2 m/s，可保證花粉橫向懸浮運送至整個母本區域。根據理論分析和仿真結果試制樣機并進行試驗，結果表明：授粉機行走速度為1.5 m/s，作業效率約14 hm2/h，在通過200 mm地面高差時依然具有穩定的穗層風場保持能力，授粉管噴孔軸心氣流平均速度為34.2 m/s的條件下，母本廂花粉采集點的載玻片單位視野內平均粒數為8.35粒（雜交水稻制種農藝上要求至少有3粒花粉），其中平均花粉粒數多于3粒的采集點數量占比為96.02%，基本解決了局部區域授粉缺失問題。該研究可為雜交水稻制種田間機械化授粉提供參考。

機械化；設計；雜交水稻；授粉；高地隙；管道送風；流體仿真

0 引 言

近年來，隨著雜交水稻制種機械化輔助授粉研究的不斷發展，出現了背負式氣力授粉機[1]、手持式風送授粉機[2]、無人機授粉機[3-4]、手扶式授粉機[5]、高地隙授粉機[6]等輔助授粉機械，并在田間試驗中取得了一定的效果，但存在作業效率低或對作業人員專業技能要求高等問題[7-8]，沒有實現大面積推廣應用。

作者團隊在前期研究中[6]設計了一種涵道風扇式高地隙雜交水稻制種授粉機，并試制樣機進行了田間試驗，花粉量及結實率等指標達到了預期效果，但由于水田作業環境復雜，在實際使用中還存在如下問題：在機具行進過程中，由于泥底層不平，桁架較長，旋翼型涵道風扇授粉器本身質量較大等因素，使車身易發生傾斜或顛簸，盡管設計了桁架調平裝置，但當授粉機經過高差變化太大的泥底層時，兩側的授粉器上下顛簸幅度較大，會出現授粉器脫離父本冠層，從而導致局部區域出現授粉缺失現象。

為了進一步提升授粉質量，解決旋翼型涵道風扇式高地隙雜交水稻制種授粉機局部區域授粉缺失現象，本文在前期工作的基礎上，擬設計一種穗層埋入式管道送風輔助授粉器，首先對授粉器進行輕量化設計，然后運用計算流體力學對授粉器的氣流速度大小及風場均勻性等進行仿真分析與試驗，以使授粉器具備大風量輸出和增大風場作用當量面積，使授粉機在滿足授粉作業需求的同時，解決因泥底層不平所產生的局部區域授粉缺失問題，并試制樣機進行田間試驗，分析授粉作業后母本廂花粉的分布規律，為進一步優化高地隙授粉機的作業性能提供理論參考。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

雜交水稻穗層埋入式管道送風輔助授粉機主要由高地隙動力底盤、桁架、自動調平裝置與升降機構、風機、分流器、氣流輸送管、連接軟管、授粉管等組成，具體結構如圖1所示。

風機和分流器通過軟管連通，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），分別通過氣流輸送管及連接軟管連通分流器的3個出風口；3支授粉管兩側均勻設置噴孔，安裝時保證3支授粉管豎直且噴孔氣流垂直于授粉機行進方向。

高地隙動力底盤的參數與文獻[6]相同，離地高度1.7 m，軸距2.4 m，輪距2.5 m，底盤間距橫跨1廂父本（共6行，約1.5 m），桁架單側幅寬9.25 m，末端可抵達另一廂父本。按照實際水稻種植農藝，父本廂寬約1.5 m，母本廂寬約7.75 m，授粉機單次授粉作業幅寬為27.75 m。

1.2 工作原理

授粉機桁架自平衡裝置的最大可調節角度為10°，根據輪距為2.5 m，動力底盤在左右輪經過0.44 m的泥底層高差時，可以保持桁架的水平。但是由于桁架較長，當授粉機遭遇泥底層不平發生顛簸時，授粉器風場存在偏移，如果偏移量大于授粉器有效作用長度，會出現局部區域授粉缺失。為解決此問題，增強授粉機在經過泥底層不平區域時風場在穗層中部的保持能力[9]，本文通過減輕授粉器質量，并增加授粉器的有效作用長度的方式，確保父本穗頭中部位置始終有氣流通過，以避免局部授粉區域出現授粉缺失。

本文采用穗層埋入式管道送風結構。授粉器風機安裝在桁架中部，通過分流器將3支授粉管并聯，使桁架兩端僅承受單支授粉管的質量，并通過分流器的壓力調整使3支授粉管得到相同的授粉風場；穗層埋入式授粉管豎直安裝，增加有效作業長度，從而增加授粉器風場在穗層中部的保持能力。

授粉作業過程如圖2所示，在授粉作業開始前，通過液壓升降機構調整3支授粉管的高度，使授粉管（有效長度600 mm）中部與父本稻穗穗層中部處于同一水平線上。授粉作業時，授粉機跨行在父本廂正上方，中間授粉管位于授粉機下方父本廂中線上，沿授粉機前進方向，左授粉管位于授粉機左側父本廂中線上，右授粉管位于授粉機右側父本廂中線上，每支授粉管左右兩側噴孔所產生的流場作用于父本廂左右兩側的半廂母本。

注：h為授粉管的作業幅寬，m；F為氣流方向。

授粉管通過連接軟管連接氣流輸送管，行進過程中授粉管產生擺動，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生震蕩，其他行由氣流作用產生震蕩，花粉被震落在空氣中，隨著授粉管產生的氣流飄向母本區域，實現授粉[10]。授粉機的作業速度為1.5 m/s，作業效率約14 hm2/h。

2 關鍵部件設計

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，且存在直角彎頭，導致風機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場不同。為使3支授粉管（圖3a）風場一致，達到均勻授粉的效果，本文設計了一種分流器，如圖3b所示，左右出風口關于中風口對稱，與中出風口夾角為45°。為降低風機出風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]，設置所有氣流輸送管路外徑與風機出風口外徑相等，均為75 mm，壁厚2.5 mm。

在授粉器管路系統中，管路總壓分為靜壓P和動壓。動壓影響管道內的流量，P決定噴孔向外流出的空氣流量[12]。

要保證3支授粉管風場一致，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。根據全壓損失直接計算法[13-14]，通過改變下游風管的阻力，使分流器三通處的總壓與阻力相等，從而達到均勻送風的目的。本文采用調整中出風口內徑實現管路總壓調節。

為了得到最佳氣流均布效果的分流器，創建以授粉器物理模型中心為中心的長方體計算域（30 m×0.5 m×2 m），計算模型為-湍流模型，將計算域邊界設為壓力出口，相對壓力為0，將分流器進風口設為體積流量入口，入口邊界條件依據工作區間的風量設為0.05～0.45 m3/s，授粉器管道為光滑壁面，通過二分法依次設置中出風口內徑為20、40、30、35、37、36 mm對授粉器物理模型進行仿真，在分流器進入左中右3支授粉管的入口相同位置（圖3c中、、處）圓管中心設置總壓探測點，得到總壓變異系數如圖4所示。

對圖4中數據進行顯著性分析，結果顯示在=0.05的顯著性水平下，進風口風量與總壓變異系數沒有顯著相關性，說明進風口風量在0.05～0.45 m3/s范圍內分流器的氣流均布效果不隨風量大小變化；在=0.01的顯著性水平下，中出風口內徑與總壓變異系數有顯著相關性，說明進風口風量在0.05～0.45 m3/s范圍內分流器的氣流均布效果會隨著中出風口內徑變化而變化。

工作區間內，當中出風口內徑為36 mm時，平均變異系數最小，僅為1.14%，具有較好的氣流均布效果，所以本文采用中出風口內徑為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律[15-18]

式中v為射流斷面軸心風速，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域內的風速。為得到滿足風力要求的授粉風場，本文設置授粉管噴孔直徑為6、8、10、12、14 mm，噴孔間距100 mm[19]，進行仿真試驗對比，為涵蓋整個授粉作用區域，創建以授粉器物理模型中心為中心的長方體計算域（30 mm×0.5 mm×2 m），計算模型為-湍流模型，將計算域邊界設為壓力出口，相對壓力為0，將分流器進風口設為體積流量入口，設置授粉器入口條件為滿足風量要求的擬采用風機的額定功率下-曲線，授粉器管道為光滑壁面。

由于授粉器的3支授粉管風場相近，本文僅展示其中1支。為更加清晰的顯示授粉管外部風場分布的不同，此處刻度標尺僅截取授粉管外部風場速度分布區間，超過此標尺范圍的按標尺最大值顯示。授粉管風場分布的仿真結果如圖5所示。在仿真風場中，授粉管上部噴孔風場下壓，可以防止父本花粉上揚飄散在空中，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間，最大程度維持花粉原有的生理狀態[20-21]。

在圖5仿真風場中距3支授粉管兩側0～4.6 m內（單支授粉管作業區域），分別水平設置5個風速探針測量風速，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，這是因為噴孔直徑增大，管路系統的系統壓力變小，使風機對管路系統提供的風量增大[15]；隨著與噴孔的距離增大，風速在空氣中自然衰減，其中噴孔直徑的不同造成單側的6個噴孔氣流的初始速度和出流角的差異[23]，使混合風場特性產生差異。當噴孔直徑為12 mm時，在該風場內衰減較緩，作業邊界處風速為1.2 m/s，略大于花粉懸浮速度[24]，說明花粉可以傳播到邊界處，且不會引起因花粉過度擴散產生的基因飄流問題[25-26]。因此選用噴孔直徑為12 mm的授粉管。

3 樣機性能試驗

3.1 授粉管射流風速測試

依據仿真計算結果制作雜交水稻穗層埋入式管道送風輔助授粉器樣機，并進行室內實測試驗。

采用風機（KS890，山東華盛農業藥械有限公司）為授粉管路提供風源（出口靜壓為標準大氣壓時額定風量為0.45 m3/s），打開風機使其在額定功率下運行，用皮托管風速儀（DP2000，杰昱電子科技有限公司）進行授粉管噴孔射流風速測量，為保證實際測量位置與仿真測量位置的一致性，降低測量位置誤差對測量結果的影響，測量位置均選取授粉管外壁面噴孔軸心處（如圖7所示），對授粉器的所有噴孔（36個）進行風速測量，每個噴孔測量時間為10 s，重復3次，取平均值并與仿真結果對比，如表1所示。

由表1可知，隨著噴孔直徑的增加，噴孔射流風速0減小，這是因為噴孔直徑增大管內流量增加，導致管內動壓增大，靜壓值相對減少[23]。授粉器在風機額定功率下工作時，左中右3支授粉管噴孔的模擬軸心風速平均值與實測軸心風速平均值的誤差僅為±0.3 m/s，說明仿真結果與實測值基本一致；噴孔直徑為12 mm時，實測噴孔平均風速為34.2 m/s，3支授粉管噴孔射流風速的平均變異系數僅為1.12%，滿足風場均勻性設計要求。

表1 授粉管噴孔射流風速測試結果

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

3.2 泥底層高差對授粉器穗層風場保持能力的影響

為了探明泥底層高差對授粉器穗層風場保持能力的影響程度，驗證穗層埋入式管道送風輔助授粉機的穗層風場保持效果，本文設計了穗層保持能力模擬試驗測試，并與涵道風扇式高地隙授粉機授粉器穗層風場保持能力進行對比。

3.2.1 授粉器穗層風場保持能力測量原理

授粉機穗層風場保持能力測量原理如圖8所示，參考Li等[9]的研究，父本穗層中部位置有氣流通過時，可以獲得大量的花粉，有利于花粉沿氣流方向分布，因此，根據作業要求，調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）。

當授粉機遇到泥底層不平發生顛簸時，記有效長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，最大偏移不能超過授粉風場有效長度的一半，因此l=/2（如圖8b），當實際偏移量小于最大偏移量l時，即風場作用到穗層中部，授粉器具有穗層風場保持能力；當實際偏移量大于最大偏移量l時，即風場脫離穗層中部，授粉器無穗層風場保持能力（如圖8c）。向下偏移同理。授粉器穗層風場保持能力的表達式為

式中為授粉器的風場保持能力，= 0表示授粉器具有穗層風場保持能力，1表示授粉器沒有穗層風場保持能力；為授粉器實際偏移量，m。

3.2.2 測試方案

授粉器安裝在高地隙動力底盤，將激光雷達測距傳感器（TFmini Plus，北醒光子科技有限公司）固定于右側授粉器底部，如圖9所示，設置授粉機行駛于平坦地面時傳感器測得的實際偏移距離初始值為0，授粉機以授粉作業實際速度1.5m/s通過不同高度的地面凸臺時傳感器采集的數值即為實際偏移距離。根據作者團隊前期田間授粉作業中的經驗，分別設置地面凸臺高度100和200 mm進行授粉器穗層風場保持能力模擬測試。涵道風扇式和管道送風式2種授粉機依次通過上述凸臺，記錄實際偏移距離，重復3次取平均值。

3.2.3 測試結果

將傳感器測量數據代入式（2），將實際偏移量與授粉器最大偏移量l進行比較，得到如圖10所示授粉器穗層風場保持能力結果。由圖10可知，在通過100 mm障礙時，涵道風扇式授粉器和管道送風式授粉器穗層保持能力均為0，即均具有較好的穗層風場保持能力；在通過200 mm障礙時，涵道風扇式授粉器在豎直方向上存在較大擺動幅度，無穗層風場保持能力，而管道送風式授粉器的穗層保持能力均為0，依然具有較好的穗層風場保持能力，說明本文設計的管道送風式授粉機在通過較大泥底層高差時具有較好的穗層風場保持能力，減少了授粉器脫離穗層現象，滿足大部分田間泥底層不平的情況，達到預期設計要求。

4 田間試驗

4.1 試驗方法

試驗于2019年8月14日至18日進行，試驗地點為湖南隆平種業邵陽市武岡基地，輔助授粉期間氣象條件為氣溫35～37 ℃，東南風1級（0.3～1.5 m/s），制種品種為玖兩優/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（授粉作業期間，需根據水稻長勢情況噴施赤霉素，水稻逐日長高，株高約為1.0～1.2 m，因此采集花粉時載玻片的安裝高度也逐日相應調整，使其與母本水稻穗層位置平齊）作為花粉采集點。在試驗區域母本廂內取80個花粉采集點，平均分為5行采集帶（A～E），隨機分布于總長200 m的單次往返授粉區域，每行采集帶設置16個采集點，相鄰2個采集點距離約1.0 m，如圖11a所示，試驗現場如圖11b所示。

授粉機以1.5 m/s的速度進行田間授粉作業，授粉機風機在額定功率條件下工作。每天進行2～3次授粉作業，每次授粉間隔約30 min[27]。當天授粉結束后，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倍進行觀察，對視野內的花粉進行計數。

4.2 結果與分析

對4廂母本3 d的盛花期花粉數據進行統計分析，結果如圖12所示。雜交水稻穗層埋入式管道送風輔助授粉機趕粉后各采集點的花粉數量統計結果顯示，花粉數量高于雜交水稻結實需求[28]的占比為96.02%，表明穗層埋入式管道送風輔助授粉機具有較好的泥底層高差適應性，花粉分布較均勻，較好的解決了局部區域授粉缺失問題；在父本廂附近形成3個峰，靠近父本廂的平均花粉粒數較多，遠離父本較花粉平均粒數較低，主要原因是氣流剛離開父本時裹挾花粉較多，花粉降落在采集點的概率較高，隨著氣流中花粉量降低，降落在采集點的花粉數量逐漸減少。

所有采集點的單位視野內平均花粉粒數為8.35粒，其中4廂母本上的單位視野內平均花粉粒數依次為9.34、8.46、10.54和5.08粒，第4廂母本花粉平均數最低，不滿足最低結實要求的采集點全部分布在第4廂，這主要受授粉期間當地季風（東南風1級，風速為0.3～1.5 m/s）的影響，A～E采集帶的平均花粉粒數依次為7.52、6.28、6.73、9.53、12.28粒，在授粉田塊中處于自然風下游的D和E采集帶的花粉數較高也證實了季風條件對花粉分布均勻性存在直接影響。

5 結論

本文設計了一種雜交水稻穗層埋入式管道送風輔助授粉機，用風機提供風源，通過分流器均分風量，傳輸到3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度，通過仿真和田間試驗，得出以下結論：

1）當作業幅寬為27.75 m，風源風量為0.05～0.45 m/s3，分流器中出風口直徑為36 mm時，進入3支授粉管總壓的差異性最小。在風機額定功率條件下，授粉管噴孔直徑為12 mm時，授粉管噴孔射流風速平均為34.2 m/s，變異系數為1.22%，風場可以覆蓋整個作業范圍。

2）當授粉機以1.5 m/s的作業速度時，豎直安裝的授粉管有效長度為600 mm時，提供了始終作用在父本稻穗穗層中部的風場。授粉試驗，鏡檢得到4廂母本上采集點花粉粒數高于雜交水稻結實需求的占比為96.02%，其中距離父本廂近的采集點花粉粒數較多，自然風下游處的采集點花粉粒數較多。本文所設計的雜交水稻穗層埋入式管道送風輔助授粉機具有較好的泥底層高差適應性，較好解決了局部區域授粉缺失問題。

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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輔助授粉機設計與試驗[J]. 農業工程學報，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

國家重點研發計劃（2017YFD0701202）；廣東省科技計劃項目（2017B090903007）；廣東省鄉村振興戰略專項（2020KJ261）

王永鋒，研究方向為雜交水稻授粉技術。Email：793626334@qq.com。

周志艷，教授，研究方向為農業航空應用技術。Email：zyzhou@scau.edu.cn。

中國農業工程學會會員：周志艷（E042100021M）