碰撞气吹式杂交水稻授粉机结构与参数优化1

王永维，何焯亮，陈军，王俊*，张羚玥，唐燕海

（1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州310058；2.台州市汇科农业机械技术开发有限公司，浙江台州318050）

水稻是非严格的自花授粉作物，天然杂交率一般在0.2%～4%之间[1]，要实现杂交制种，必须进行异花授粉，因此，充分、均匀的授粉是保证异交结实率、提高制种产量和质量的主要途径之一[2-5]。早期杂交水稻制种授粉尝试用采粉—贮粉—喷粉的方式进行[6-7]，但该方法由于工艺复杂被淘汰；也曾尝试利用蜜蜂进行授粉作业[8]，但未能成为适用的授粉方式。目前，人工辅助授粉方法主要包括人力式和机械式。

人力授粉是传统的授粉方式，主要有绳索拉粉、单长竿赶粉、双短杆推粉[9]。绳索拉粉由于绳的弹性小且不均匀，不利于父本充分散粉，若操作不当，还会显著降低父本花粉利用率，影响产量[10]；单长竿赶粉、双短杆推粉利用竹竿碰撞授粉，花粉飞扬距离远，使授粉均匀，授粉质量高，至今仍是杂交水稻制种的主要授粉方式，在中国、东南亚、印度等劳动力密集的地区应用较多[11-14]，但单长竿赶粉、双短杆推粉存在劳动强度大、效率低等不足。随着杂交水稻制种向规模化发展，传统的人力授粉已不能满足现代制种业及时、均匀、高效授粉的要求。

机械式授粉主要有碰撞式、气力式及碰撞与气力结合式。碰撞式授粉的原理是模仿传统人力式对水稻父本植株进行碰撞，使花粉扬出，并随着惯性及在自然风的作用下飘散至母本，完成授粉。目前，在碰撞式授粉方面的研究成果较少，黄震[15]通过建立碰撞式授粉试验模型，发现碰撞速度和碰撞位置对授粉质量的影响作用大于碰撞角度，且花粉基本散落在近植株位置；陈军等[16-17]研制了碰撞式杂交水稻制种授粉试验样机，研究了碰撞位置、频率对花粉总量和花粉分布均匀性的影响规律，并获得了较佳的参数。气力式授粉的原理是利用风机产生定向、定量的气流，气流将花粉吹落并输送至母本植株上方，完成授粉。在杂交水稻气力授粉方面，王慧敏等[18]研究了气流速度对花粉量及花粉分布的影响，结果表明，当气流速度在20 m/s左右时，吹落的花粉量较多且有效分布面积广，有利于授粉；李中秋等[19]研究了气流作用位置对授粉效果的影响，发现当气流作用在父本穗部中间时，授粉效果最好；此外，他们还通过模拟试验研究了喷孔直径、喷管直径、喷管厚度等对花粉分布均匀性的影响，获得了较优的喷气管道参数[20-21]，但尚无样机应用于授粉的报道。在碰撞与气力结合方面，李中秋等[22]在实验室内测量了气力与碰撞组合式授粉的花粉分布情况，结果表明组合式授粉效果更好；王永维等[23]和唐晨[24]研制了“击穗气吹式”杂交水稻制种授粉机，田间试验表明，该制种授粉机授粉时的花粉量与分布均匀性均优于双短杆推粉。此外，国内外学者开展了利用直升机气流进行杂交水稻授粉的试验与应用，如美国利用Robinson R22直升机进行杂交水稻授粉[25]，虽生产效率高，但需要专业的直升机操作与服务队伍，且制种质量和单位面积产量都低于人力式授粉[1]。近年来，国内学者也尝试利用微型无人直升机进行授粉作业，如：胡炼等[26]设计了无人直升机风场无线传感器网络测量系统；汪沛等[27]和李继宇等[28]分别测试了无人油动力直升机、旋翼式无人机授粉作业时的风场分布；李继宇等[29-30]还优选了单旋翼电动无人直升机、圆形多轴多旋翼电动无人机辅助授粉作业参数，并进行了应用示范。但是无人机授粉作业也需要专业的操作服务队伍。综上可知，现有的研究成果尚不能为杂交水稻制种提供理想的授粉装备，无法满足现代种业机械化授粉要求。

为了提高机械化授粉时的效率与花粉分布均匀性，综合气力式和碰撞式授粉的优点，本文试制了碰撞气吹式杂交水稻授粉机，利用计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）仿真技术探索授粉管直径对授粉管上气吹孔气流速度分布的影响，并通过田间授粉试验，优化授粉管结构与工作参数，为整机研制奠定基础。

1 碰撞气吹式杂交水稻授粉机

1.1 结构组成

碰撞气吹式杂交水稻授粉机主要由机架、吹风机、授粉管、击穗绳、卡环等组成，如图1所示。吹风机（型号：EB 900；最大功率：4 kW；额定转速：6 500 r/min；风量：0.42 m3/s，可调）固定在机架的后侧，吹风机出风口通过导向管与授粉管一端相连通，授粉管的另一端封闭；击穗绳与授粉管长度相当，击穗绳一端固定在机架上，并通过“8”字形卡环平行固定在授粉管前部，且击穗绳与授粉管的中心线在同一平面，授粉管前部均匀开设气吹孔，气吹孔中心线与水平面夹角为0°、7.5°，且2种夹角的气吹孔间隔设置，孔径8 mm[17]。

图1 碰撞气吹式杂交水稻制种授粉机Fig.1 Collision-pneumatic hybrid rice pollination machine

1.2 工作原理

授粉时，授粉人员展开授粉管与击穗绳的长度至田块的实际宽度，一名授粉人员背负碰撞气吹式杂交水稻授粉机在制种田一侧，另一名授粉人员手持授粉管的另一端在制种田另一侧，授粉管、击穗绳的轴向方向与杂交水稻父本行平行，调节击穗绳和授粉管的高度与杂交水稻母本植株顶部平齐，启动吹风机，吹风机的气流经授粉管从气吹孔中吹出，通过控制器调节气吹孔的气流速度至指定范围。授粉人员背负授粉机在制种田两侧同方向行走，授粉管前方的击穗绳撞击父本植株，使父本植株上的花粉被振落，花粉在授粉管吹出气流的作用下飘向母本植株，随着气流的减弱，花粉逐渐降落至杂交水稻母本植株的柱头，实现授粉。

2 授粉管流场特性仿真与结构参数优化

授粉管直径和气吹孔间距直接影响气吹孔输出气流的分布。为了获得不同管径授粉管气吹孔的气流速度沿授粉管轴线方向的分布，采用Fluent软件对授粉管内部和外部流场的速度进行数值仿真。

2.1 建模及网格划分

由于碰撞气吹式杂交水稻授粉机的吹风机气流出口直径为50 mm，为减少节流损失，模拟的授粉管直径分别选50、55、60、65、70 mm，气吹孔间距为70 mm，利用Gambit软件建立以上5种管径授粉管模型，选用适应性较好的Tet/Hybrid类型网格及TGrid方式划分网格，在授粉管进气口、气吹孔处进行网格局部加密，对其余网格进行疏松划分。因不同管径授粉管网格划分后类似，仅以60 mm管径授粉管为例说明。长10 m、管径60 mm的授粉管共计划分网格2 033 411个，网格划分效果如图2所示。

图2 授粉管网格划分Fig.2 Mesh generation of pollination tube

2.2 控制方程与求解

数值模拟的流体介质为空气，在该工况下授粉管内气流流速较大，管内流动为湍流。因授粉管模型内部结构为圆管，流场不存在强旋流、弯曲壁面流等复杂流态，故控制方程组采用标准的k-ε模型，其通用形式描述为：

式中：ρ为空气密度，kg/m3；Φ为通用传输量；t为时间，s；u为流体速度矢量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

2.3 边界条件

进口条件：授粉管进气口与吹风机气流出口相连，进气口的边界与吹风机气流出口一致，进气口分别为直径50、55、60、65、70 mm的圆；假定进口方向垂直于边界，且均匀分布、无旋，参考“击穗气吹式”杂交水稻制种授粉机气吹口平均气流速度在12.1 m/s时具有较好的授粉效果[22]，故本机气吹孔出口流速也应接近此值。直径50、55、60、65、70 mm的进气口，水力直径均为相应的直径，以直径为60 mm的授粉管、进气口速度为30.6 m/s时的流量进行计算，可知气吹孔的平均速度为11.82 m/s，此时50～70 mm直径的授粉管进气口湍流强度为3.6%～3.9%。

出口条件：气流出口为授粉管上的气吹孔，水力直径为0.008 m，气吹孔出口处与大气连接，相对压力为0 Pa，计算得出口湍流强度为5.4%。

壁面条件：整个授粉管除进气口与气吹孔外都为固体壁面，在黏性流动中，壁面处默认为无滑移边界条件，故此处定义为无滑移条件的固体壁面。

2.4 仿真结果与分析

将50、55、60、65、70 mm这5种管径的授粉管模型网格文件导入Fluent 6.3软件，采用k-ε标准湍流模型，以改进的压力耦合方程组的半隐式算法（pressure implicit split operator,PISO）进行耦合，采用一阶迎风离散格式对数值方程进行求解，获得不同管径授粉管气吹孔的流速。

2.4.1 授粉管气吹孔气流流速沿轴向分布特征

通过数值求解得到不同管径授粉管各个气吹孔的气流速度，其沿授粉管轴线分布特征见图3，气吹孔流速平均值、标准差、变异系数计算结果见表1。从中可知：5种直径的授粉管在靠近吹风机一端的气吹孔气流速度较大，随着距授粉管气流入口距离的增加，气吹孔气流速度降低；随着授粉管直径增加，气吹孔的流速变幅降低，直径为50、55、60、65、70 mm授粉管的气吹孔速度极差分别为10.7、8.5、5.0、4.5、3.8 m/s，当授粉管直径大于60 mm时，气吹孔的流速变化率、标准差、变异系数随管径增加变化不明显。60 mm管径授粉管的气吹孔平均气流速度为12.12 m/s，其变异系数较直径为50、55 mm授粉管的变异系数分别降低10.15%、5.45%，但较直径为65、70 mm授粉管的变异系数分别高出仅1.35%、1.98%。由此可见，授粉管直径大于60 mm时，增加授粉管直径对提高气吹孔气流均匀性已不显著。综合吹风机气流出口直径和不同直径时授粉管气吹孔气流速度的均匀性，选择授粉管的直径为60 mm。

2.4.2 授粉管外部流场特性

图3 不同管径授粉管气吹孔速度分布Fig.3 Velocity distribution of air holes in pollination tubeswith different diameters

表1 不同管径气吹孔速度变异系数Table 1 Variable coefficient(CV)of air hole velocity in pollination tubes with different diameters

为了确定气吹孔的射流交叉点位置以确定授粉管与击穗绳的合理间距，利用Gambit建立授粉管局部段的外围流场模型，然后利用Fluent软件对授粉管模型的外部流场进行数值仿真，得到授粉管气吹孔外围流场的平面气流速度云图（图4）。从中可知，随着气吹孔气流远离气吹孔并逐渐扩散，当气流距授粉管表面距离达到100～120 mm时，相邻气吹孔吹出的气流已出现重叠，即气流能够整体向前输送振落花粉，因此，在气吹孔间距为70 mm时，击穗绳距授粉管的距离应大于等于100 mm，以利于花粉整体向前输送。

2.4.3 气吹孔式授粉管流速分布试验

图4 授粉管内外流场速度分布图Fig.4 Distribution of flow velocity inside and outside pollination tube

根据授粉管仿真结果进行授粉管试制，授粉管结构参数为：直径60 mm，有效工作长度10 m，壁厚0.6 mm，气吹孔直径8 mm，气吹孔间距70 mm。为了验证仿真结果，对各气吹孔的流速进行测试。调节吹风机使授粉管入口速度为30.6 m/s，将风速计（AVM-07型，量程0.5～45 m/s，分辨率0.01 m/s）的检测探头置于气吹孔处，使气流垂直流过风速计的空气流速传感器，且检测探头距气吹孔5 mm，检测时气吹孔与风速计的空气流速传感器相对位置见图5，每个气吹孔处风速重复测量3次并取平均值，即为气吹孔出口气流速度。沿授粉管有效长度的气吹孔流速测试结果见图6。从中可知，在距授粉管轴线入口同一距离的气吹孔气流速度的实测值与模拟值接近且变化趋势相同，实测平均气流速度为11.82 m/s，模拟获得的平均气流速度为12.12 m/s，实测值与模拟值相差仅2.5%，说明模拟结果可信。

3 授粉部件结构试验优化

授粉部件由授粉管与击穗绳组成，击穗绳与授粉管的相对位置、气吹孔出口气流速度是影响花粉输送的主要因素，故以击穗绳与授粉管间距、气吹孔出口气流速度为试验因素，通过田间授粉试验优化获得较佳的授粉部件结构。

图5 气吹孔空气流速检测示意图Fig.5 Schematic diagram of air flow velocity measurement inair hole

图6 60 mm管径授粉管气吹孔模拟速度与实测速度Fig.6 Simulated and measured velocity of air hole in pollination tube with 60 mm diameter

3.1 试验材料

试验于2015年8月15日至8月23日在浙江大学农业试验站进行。试验用制种的杂交水稻为中浙优1号，父本与母本行比为2∶8，父本行距为300 mm，父本与母本之间行距为200 mm，母本行距为200 mm。

3.2 试验方案

由上述仿真试验可知，当气吹孔的气流距授粉管表面100～120 mm时，相邻气吹孔的气流重叠，因此，分别试制击穗绳与气吹孔水平距离为50、100、150 mm 3种授粉部件。实测表明，当授粉管进气口风速为24.3、31.7、39.2 m/s时，气吹孔平均流速分别为9.35、11.82、15.07 m/s，参照“击穗气吹式授粉机”理想的气吹孔气流速度为12.1 m/s，故分别以9.35、11.82、15.07 m/s气吹孔平均气流速度进行授粉试验。

试验时，首先采用击穗绳与气吹孔水平距离为100 mm的授粉部件，在气吹孔平均气流速度分别为9.35、11.82、15.07 m/s时分别在同一天对同一制种田的不同区域进行杂交水稻授粉试验，测定在不同进气口风速时沉降在各行母本穗部的花粉量，以确定较佳的气流速度。在确定了较佳的气吹孔平均气流速度后，对气吹孔与击穗绳间距离分别为50、100、150 mm的3种授粉部件均在较佳的气吹孔平均气流速度时，进行田间授粉试验。所有授粉试验同时进行对照组人工绳索拉粉法授粉，测定同一授粉日采用不同授粉部件和人工绳索拉粉法授粉的各母本行花粉量。授粉过程如图7所示。因同种授粉试验结果类似，本文仅以某一天试验结果为例进行分析。

图7 碰撞气吹式杂交水稻授粉机田间试验Fig.7 Field experiment of collision-pneumatic hybrid rice pollination machine

3.3 花粉量测定

授粉前，每个授粉试验区在母本厢放置3只花粉采样盘，高度与杂交水稻母本植株稻穗的高度相同；对应杂交水稻父本一侧的4行杂交水稻母本，每个花粉采样盘放置4行载玻片，每行5片，且每行载玻片中心线与母本行中心线一致。

每次试验前将涂有凡士林的载玻片分别放置在对应的花粉采样盘中，授粉15 min后，利用染色剂（碘-碘化钾溶液）对载玻片上的花粉进行染色，盖上盖玻片，然后利用显微镜（江南XS-212型，光学放大倍数40～1 000倍）在放大100倍的条件下观察花粉分布。每块载玻片在电脑上的观察范围为1.5 mm×1.5 mm，在每块载玻片上随机选取5个观察范围进行花粉数量统计，5个观察范围内的花粉总数作为一个统计值，计算同一采样盘5个载玻片花粉量平均值，3个花粉采样盘在同1行母本的3个平均值即为3次重复试验。授粉后收集的载玻片和显微镜下观察到的花粉如图8所示。

图8 授粉试验后收集的载玻片(A)与显微镜下观察到的花粉(×100)(B)Fig.8 Slides collected after pollination experiments(A)and pollens observed under the microscope(×100)(B)

3.4 试验结果与分析

3.4.1 气吹孔气流速度对花粉分布的影响

在气吹孔平均气流速度为9.35、11.82、15.07 m/s时，击穗绳与气吹孔水平距离为100 mm的授粉部件各母本行的花粉量如图9所示。从中可知：随着授粉机气吹孔气流速度的增加，单位视野内观察到的花粉量逐渐增加，当气吹孔平均气流速度为9.35、11.82、15.07 m/s时，4行母本上收集到的花粉总量分别为98、110和112粒，而采用人工绳索拉粉法授粉，4行母本上收集到的花粉量仅为81粒。可见，授粉机授粉的花粉总量明显高于人工绳索拉粉法授粉。比较每行母本上接收的花粉，授粉机授粉的每行花粉量明显高于人工绳索拉粉法授粉；当气吹孔气流速度为9.35 m/s时，各行花粉量的平均值均低于气吹孔气流速度为11.82、15.07 m/s时的各行花粉量；气吹孔平均气流速度为15.07 m/s时较11.82 m/s时第1行和第4行母本花粉量大，而中间2行的花粉量略小，这主要是由于气流速度较大吹落较多花粉，同时又将花粉输送较远。在上述3种气吹孔气流速度下，不同母本行上收集到的花粉量的最大差值分别为11.3、10.1、10.9，花粉量分布变异系数分别为19.24%、16.19%和19.40%，可见，当气吹孔气流速度为11.82 m/s时，花粉在母本行分布最均匀；而当人工绳索拉粉法授粉时，不同母本行上花粉量的最大差值为16.5，变异系数为36.24%，花粉分布的均匀性较差。综上分析可知，气吹孔平均气流速度的较佳范围为11.82～15.07 m/s，为了避免花粉在空中悬浮时间过长而影响其活力，较佳的气吹孔平均气流速度应为11.82 m/s。

图9 在不同气吹孔平均流速下花粉分布图Fig.9 Pollen distribution of air hole at different average flow velocity

3.4.2 气吹孔与击穗绳间距对花粉量及分布的影响

在较佳的气吹孔平均气流速度（11.82 m/s）条件下，分别利用气吹孔与击穗绳的间距为50、100、150 mm的授粉部件进行授粉，并测定各母本行上方的花粉量，试验结果如图10所示。当气吹孔与击穗绳的间距为50、100、150 mm时，4行母本载玻片上观察到的花粉总量分别为89、100、102粒，各行花粉量的最大差值分别为14.6、9.8、9.4，变异系数分别为28.99%、16.09%、17.82%，表明3种碰撞气吹式杂交水稻授粉机授粉后的母本各行花粉量、花粉总量和花粉分布均匀性都优于人工绳索拉粉。随着气吹孔与击穗绳的间距增加，输送至母本行的花粉总量也增加，但当间距由100 mm增大至150 mm时，花粉总量增加量极小，且气吹孔与击穗绳间距为100、150 mm授粉部件的花粉分布均匀性明显优于间距50 mm，这主要是由于当间距100、150 mm时在击穗绳处形成了连续的气流，能够将振落的花粉及时地向母本行输送。因此，气吹孔与击穗绳的较佳间距应为100～150 mm。

图10 在不同气吹孔与击穗绳间距下花粉分布图Fig.10 Pollen distribution of different distances between collision rope and air hole

4 结论

4.1 碰撞气吹式杂交水稻授粉机的授粉管较佳管径为60 mm，当进气口气流速度为30.6 m/s时，各气吹孔气流速度的仿真值与实测值仅相差2.5%，且沿授粉管方向的变化趋势一致，气吹孔气流速度沿授粉管分布均匀。

4.2 气吹孔气流速度对授粉时花粉量及其分布的均匀性有明显影响。当碰撞气吹式杂交水稻授粉机的气吹孔与击穗绳间距为100 mm时，4行母本观察区域的花粉总量随气吹孔气流速度增加而增加；当气吹孔平均气流速度为11.82、15.07 m/s时，花粉分布较均匀，但大于11.82 m/s时花粉总量增加不明显，因此较佳的气吹孔平均气流速度为11.82 m/s。

4.3 气吹孔与击穗绳间距对授粉时花粉量及其分布的均匀性有明显影响。对气吹孔与击穗绳间距为50、100、150 mm的3个授粉部件在气吹孔平均气流速度为11.82 m/s时进行授粉，随着间距的增加，4行母本观察区域的花粉总量增加，但间距大于100 mm时花粉总量随间距增加变化不明显，间距100、150 mm时花粉在各母本行的分布较均匀，因此气吹孔与击穗绳较佳间距为100～150 mm。

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[21]王慧敏,汤楚宙,李中秋,等.杂交水稻制种气力授粉的参数试验及优化.农业工程学报,2012,28(增刊2):101-106.WANG H M,TANG C Z,LI Z Q,et al.Experiment and optimization of parameters for pneumatic pollination in hybrid rice breeding.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2012,28(Suppl.2):101-106.(in Chinese with English abstract)

[22]李中秋,汤楚宙,李明,等.杂交水稻制种气力碰撞组合式授粉的花粉分布.湖南农业大学学报(自然科学版),2015,41(3):325-331.LI Z Q,TANG C Z,LI M,et al.Pollen distribution of pneumatic and collision combined pollination for hybrid rice breeding.Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences),2015,41(3):325-331.(in Chinese with English abstract)

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[26]胡炼,周志艳,罗锡文,等.无人直升机风场无线传感器网络测量系统设计与试验.农业机械学报,2014,45(5):221-226.HU L,ZHOU Z Y,LUO X W,et al.Development and experiment of a wireless wind speed sensor network measurement system for unmanned helicopter.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(5):221-226.(in Chinese with English abstract)

[27]汪沛,胡炼,周志艳,等.无人油动力直升机用于水稻制种辅助授粉的田间风场测量.农业工程学报,2013,29(3):54-61.WANG P,HU L,ZHOU Z Y,et al.Wind field measurement for supplementary pollination in hybrid rice breeding using unmanned gasoline engine single-rotor helicopter.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2013,29(3):54-61.(in Chinese with English abstract)

[28]李继宇,周志艳,兰玉彬,等.旋翼式无人机授粉作业冠层风场分布规律.农业工程学报,2015,31(3):77-86.LI J Y,ZHOU Z Y,LAN Y B,et al.Distribution of canopy wind field produced by rotor unmanned aerial vehicle pollination operation.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2015,31(3):77-86.(in Chinese with English abstract)

[29]李继宇,周志艳,胡炼,等.单旋翼电动无人直升机辅助授粉作业参数优选.农业工程学报,2014,30(10):10-17.LI J Y,ZHOU Z Y,HU L,et al.Optimization of operation parameters for supplementary pollination in hybrid rice breeding using uniaxial single-rotor electric unmanned helicopter.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2014,30(10):10-17.(in Chinese with English abstract)

[30]李继宇,周志艳,胡炼,等.圆形多轴多旋翼电动无人机辅助授粉作业参数优选.农业工程学报,2014,30(11):1-9.LI J Y,ZHOU Z Y,HU L,et al.Optimization of operation parameters for supplementary pollination in hybrid rice breeding using round multi-axis multi-rotor electric unmanned helicopter.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2014,30(11):1-9.(in Chinese with English abstract)