杂交水稻穗层埋入式管道送风辅助授粉机设计与试验

王永锋，周志艳，林宗辉，钟伯平，刘爱民，罗锡文，钟 南，宋灿灿

·农业装备工程与机械化·

杂交水稻穗层埋入式管道送风辅助授粉机设计与试验

王永锋1,2,3，周志艳1,2,3※，林宗辉1,2,3，钟伯平1,2,3，刘爱民4，罗锡文1,2,3，钟 南1,2,3，宋灿灿1,2,3

（1. 华南农业大学工程学院/广东省农业航空应用工程技术研究中心，广州 510642；2. 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642；3. 国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心，广州 510642；4. 袁隆平农业高科技股份有限公司，长沙 410006）

高地隙杂交水稻制种授粉机在作业过程中，当泥底层高差变化过大时，两侧的授粉器上下颠簸导致授粉器风场脱离父本穗层最佳作用位置，甚至完全脱离父本穗层，从而导致局部区域出现授粉缺失。为解决上述问题，该研究设计了一种杂交水稻穗层埋入式管道送风辅助授粉机，从减轻授粉器质量和增加有效作用深度2个方面进行优化，对授粉器的分流器和授粉管进行分析，并对分流器的气流均布效果和授粉器的气流风场特性进行仿真试验。仿真结果表明：在工作区间内，分流器的气流均布效果与入口风量无关（>0.05），根据参数优化选出的分流器可使3支授粉管的入口总压平均变异系数仅为1.14%；授粉管的喷孔直径为12 mm时，授粉边界区域风场速度约为1.2 m/s，可保证花粉横向悬浮运送至整个母本区域。根据理论分析和仿真结果试制样机并进行试验，结果表明：授粉机行走速度为1.5 m/s，作业效率约14 hm2/h，在通过200 mm地面高差时依然具有稳定的穗层风场保持能力，授粉管喷孔轴心气流平均速度为34.2 m/s的条件下，母本厢花粉采集点的载玻片单位视野内平均粒数为8.35粒（杂交水稻制种农艺上要求至少有3粒花粉），其中平均花粉粒数多于3粒的采集点数量占比为96.02%，基本解决了局部区域授粉缺失问题。该研究可为杂交水稻制种田间机械化授粉提供参考。

机械化；设计；杂交水稻；授粉；高地隙；管道送风；流体仿真

0 引 言

近年来，随着杂交水稻制种机械化辅助授粉研究的不断发展，出现了背负式气力授粉机[1]、手持式风送授粉机[2]、无人机授粉机[3-4]、手扶式授粉机[5]、高地隙授粉机[6]等辅助授粉机械，并在田间试验中取得了一定的效果，但存在作业效率低或对作业人员专业技能要求高等问题[7-8]，没有实现大面积推广应用。

作者团队在前期研究中[6]设计了一种涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机，并试制样机进行了田间试验，花粉量及结实率等指标达到了预期效果，但由于水田作业环境复杂，在实际使用中还存在如下问题：在机具行进过程中，由于泥底层不平，桁架较长，旋翼型涵道风扇授粉器本身质量较大等因素，使车身易发生倾斜或颠簸，尽管设计了桁架调平装置，但当授粉机经过高差变化太大的泥底层时，两侧的授粉器上下颠簸幅度较大，会出现授粉器脱离父本冠层，从而导致局部区域出现授粉缺失现象。

为了进一步提升授粉质量，解决旋翼型涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机局部区域授粉缺失现象，本文在前期工作的基础上，拟设计一种穗层埋入式管道送风辅助授粉器，首先对授粉器进行轻量化设计，然后运用计算流体力学对授粉器的气流速度大小及风场均匀性等进行仿真分析与试验，以使授粉器具备大风量输出和增大风场作用当量面积，使授粉机在满足授粉作业需求的同时，解决因泥底层不平所产生的局部区域授粉缺失问题，并试制样机进行田间试验，分析授粉作业后母本厢花粉的分布规律，为进一步优化高地隙授粉机的作业性能提供理论参考。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

杂交水稻穗层埋入式管道送风辅助授粉机主要由高地隙动力底盘、桁架、自动调平装置与升降机构、风机、分流器、气流输送管、连接软管、授粉管等组成，具体结构如图1所示。

风机和分流器通过软管连通，固定安装在桁架中部；在桁架中间和两端分别固定3支授粉管（按照行进方向，从左到右依次命名为左授粉管、中间授粉管、右授粉管），分别通过气流输送管及连接软管连通分流器的3个出风口；3支授粉管两侧均匀设置喷孔，安装时保证3支授粉管竖直且喷孔气流垂直于授粉机行进方向。

高地隙动力底盘的参数与文献[6]相同，离地高度1.7 m，轴距2.4 m，轮距2.5 m，底盘间距横跨1厢父本（共6行，约1.5 m），桁架单侧幅宽9.25 m，末端可抵达另一厢父本。按照实际水稻种植农艺，父本厢宽约1.5 m，母本厢宽约7.75 m，授粉机单次授粉作业幅宽为27.75 m。

1.2 工作原理

授粉机桁架自平衡装置的最大可调节角度为10°，根据轮距为2.5 m，动力底盘在左右轮经过0.44 m的泥底层高差时，可以保持桁架的水平。但是由于桁架较长，当授粉机遭遇泥底层不平发生颠簸时，授粉器风场存在偏移，如果偏移量大于授粉器有效作用长度，会出现局部区域授粉缺失。为解决此问题，增强授粉机在经过泥底层不平区域时风场在穗层中部的保持能力[9]，本文通过减轻授粉器质量，并增加授粉器的有效作用长度的方式，确保父本穗头中部位置始终有气流通过，以避免局部授粉区域出现授粉缺失。

本文采用穗层埋入式管道送风结构。授粉器风机安装在桁架中部，通过分流器将3支授粉管并联，使桁架两端仅承受单支授粉管的质量，并通过分流器的压力调整使3支授粉管得到相同的授粉风场；穗层埋入式授粉管竖直安装，增加有效作业长度，从而增加授粉器风场在穗层中部的保持能力。

授粉作业过程如图2所示，在授粉作业开始前，通过液压升降机构调整3支授粉管的高度，使授粉管（有效长度600 mm）中部与父本稻穗穗层中部处于同一水平线上。授粉作业时，授粉机跨行在父本厢正上方，中间授粉管位于授粉机下方父本厢中线上，沿授粉机前进方向，左授粉管位于授粉机左侧父本厢中线上，右授粉管位于授粉机右侧父本厢中线上，每支授粉管左右两侧喷孔所产生的流场作用于父本厢左右两侧的半厢母本。

注：h为授粉管的作业幅宽，m；F为气流方向。

授粉管通过连接软管连接气流输送管，行进过程中授粉管产生摆动，撞击父本厢中线附近1～2行父本稻穗，使其在授粉管射流和撞击的双重作用下产生震荡，其他行由气流作用产生震荡，花粉被震落在空气中，随着授粉管产生的气流飘向母本区域，实现授粉[10]。授粉机的作业速度为1.5 m/s，作业效率约14 hm2/h。

2 关键部件设计

2.1 分流器

由于左授粉管和右授粉管比中间授粉管的气力输送管长，且存在直角弯头，导致风机出口与各授粉管之间的气力输送管路阻力不同，使得左右授粉管与中间授粉管中的风场不同。为使3支授粉管（图3a）风场一致，达到均匀授粉的效果，本文设计了一种分流器，如图3b所示，左右出风口关于中风口对称，与中出风口夹角为45°。为降低风机出风口与管路连接处以及管路与管路连接处变管径的局部能量损失[11]，设置所有气流输送管路外径与风机出风口外径相等，均为75 mm，壁厚2.5 mm。

在授粉器管路系统中，管路总压分为静压P和动压。动压影响管道内的流量，P决定喷孔向外流出的空气流量[12]。

要保证3支授粉管风场一致，即喷孔向外流出的空气流量相等，需要确保授粉管入口处（图3c中、和处）的静压相等。根据全压损失直接计算法[13-14]，通过改变下游风管的阻力，使分流器三通处的总压与阻力相等，从而达到均匀送风的目的。本文采用调整中出风口内径实现管路总压调节。

为了得到最佳气流均布效果的分流器，创建以授粉器物理模型中心为中心的长方体计算域（30 m×0.5 m×2 m），计算模型为-湍流模型，将计算域边界设为压力出口，相对压力为0，将分流器进风口设为体积流量入口，入口边界条件依据工作区间的风量设为0.05～0.45 m3/s，授粉器管道为光滑壁面，通过二分法依次设置中出风口内径为20、40、30、35、37、36 mm对授粉器物理模型进行仿真，在分流器进入左中右3支授粉管的入口相同位置（图3c中、、处）圆管中心设置总压探测点，得到总压变异系数如图4所示。

对图4中数据进行显著性分析，结果显示在=0.05的显著性水平下，进风口风量与总压变异系数没有显著相关性，说明进风口风量在0.05～0.45 m3/s范围内分流器的气流均布效果不随风量大小变化；在=0.01的显著性水平下，中出风口内径与总压变异系数有显著相关性，说明进风口风量在0.05～0.45 m3/s范围内分流器的气流均布效果会随着中出风口内径变化而变化。

工作区间内，当中出风口内径为36 mm时，平均变异系数最小，仅为1.14%，具有较好的气流均布效果，所以本文采用中出风口内径为36 mm的分流器。

2.2 授粉管

圆孔射流速度在轴线上的一般分布规律[15-18]

式中v为射流断面轴心风速，m/s；0为喷孔处射流速度，m/s；为射流断面与喷孔距离，m；为喷孔直径，mm。

由式（1）可知，改变喷孔直径即可改变授粉区域内的风速。为得到满足风力要求的授粉风场，本文设置授粉管喷孔直径为6、8、10、12、14 mm，喷孔间距100 mm[19]，进行仿真试验对比，为涵盖整个授粉作用区域，创建以授粉器物理模型中心为中心的长方体计算域（30 mm×0.5 mm×2 m），计算模型为-湍流模型，将计算域边界设为压力出口，相对压力为0，将分流器进风口设为体积流量入口，设置授粉器入口条件为满足风量要求的拟采用风机的额定功率下-曲线，授粉器管道为光滑壁面。

由于授粉器的3支授粉管风场相近，本文仅展示其中1支。为更加清晰的显示授粉管外部风场分布的不同，此处刻度标尺仅截取授粉管外部风场速度分布区间，超过此标尺范围的按标尺最大值显示。授粉管风场分布的仿真结果如图5所示。在仿真风场中，授粉管上部喷孔风场下压，可以防止父本花粉上扬飘散在空中，而是随气流飘向柱头较矮的母本，减少花粉在空中的停留时间，最大程度维持花粉原有的生理状态[20-21]。

在图5仿真风场中距3支授粉管两侧0～4.6 m内（单支授粉管作业区域），分别水平设置5个风速探针测量风速，探针高度为授粉管中部以下200 mm处（约为母本穗层位置[22]），结果如图6所示，随着喷孔直径增大，喷孔附近流速增大，这是因为喷孔直径增大，管路系统的系统压力变小，使风机对管路系统提供的风量增大[15]；随着与喷孔的距离增大，风速在空气中自然衰减，其中喷孔直径的不同造成单侧的6个喷孔气流的初始速度和出流角的差异[23]，使混合风场特性产生差异。当喷孔直径为12 mm时，在该风场内衰减较缓，作业边界处风速为1.2 m/s，略大于花粉悬浮速度[24]，说明花粉可以传播到边界处，且不会引起因花粉过度扩散产生的基因飘流问题[25-26]。因此选用喷孔直径为12 mm的授粉管。

3 样机性能试验

3.1 授粉管射流风速测试

依据仿真计算结果制作杂交水稻穗层埋入式管道送风辅助授粉器样机，并进行室内实测试验。

采用风机（KS890，山东华盛农业药械有限公司）为授粉管路提供风源（出口静压为标准大气压时额定风量为0.45 m3/s），打开风机使其在额定功率下运行，用皮托管风速仪（DP2000，杰昱电子科技有限公司）进行授粉管喷孔射流风速测量，为保证实际测量位置与仿真测量位置的一致性，降低测量位置误差对测量结果的影响，测量位置均选取授粉管外壁面喷孔轴心处（如图7所示），对授粉器的所有喷孔（36个）进行风速测量，每个喷孔测量时间为10 s，重复3次，取平均值并与仿真结果对比，如表1所示。

由表1可知，随着喷孔直径的增加，喷孔射流风速0减小，这是因为喷孔直径增大管内流量增加，导致管内动压增大，静压值相对减少[23]。授粉器在风机额定功率下工作时，左中右3支授粉管喷孔的模拟轴心风速平均值与实测轴心风速平均值的误差仅为±0.3 m/s，说明仿真结果与实测值基本一致；喷孔直径为12 mm时，实测喷孔平均风速为34.2 m/s，3支授粉管喷孔射流风速的平均变异系数仅为1.12%，满足风场均匀性设计要求。

表1 授粉管喷孔射流风速测试结果

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

3.2 泥底层高差对授粉器穗层风场保持能力的影响

为了探明泥底层高差对授粉器穗层风场保持能力的影响程度，验证穗层埋入式管道送风辅助授粉机的穗层风场保持效果，本文设计了穗层保持能力模拟试验测试，并与涵道风扇式高地隙授粉机授粉器穗层风场保持能力进行对比。

3.2.1 授粉器穗层风场保持能力测量原理

授粉机穗层风场保持能力测量原理如图8所示，参考Li等[9]的研究，父本穗层中部位置有气流通过时，可以获得大量的花粉，有利于花粉沿气流方向分布，因此，根据作业要求，调整授粉器初始位置为授粉器中部气流作用于穗层中部（如图8a）。

当授粉机遇到泥底层不平发生颠簸时，记有效长度为的授粉器竖直向上的最大偏移量为l，为保证穗层中部有气流通过，最大偏移不能超过授粉风场有效长度的一半，因此l=/2（如图8b），当实际偏移量小于最大偏移量l时，即风场作用到穗层中部，授粉器具有穗层风场保持能力；当实际偏移量大于最大偏移量l时，即风场脱离穗层中部，授粉器无穗层风场保持能力（如图8c）。向下偏移同理。授粉器穗层风场保持能力的表达式为

式中为授粉器的风场保持能力，= 0表示授粉器具有穗层风场保持能力，1表示授粉器没有穗层风场保持能力；为授粉器实际偏移量，m。

3.2.2 测试方案

授粉器安装在高地隙动力底盘，将激光雷达测距传感器（TFmini Plus，北醒光子科技有限公司）固定于右侧授粉器底部，如图9所示，设置授粉机行驶于平坦地面时传感器测得的实际偏移距离初始值为0，授粉机以授粉作业实际速度1.5m/s通过不同高度的地面凸台时传感器采集的数值即为实际偏移距离。根据作者团队前期田间授粉作业中的经验，分别设置地面凸台高度100和200 mm进行授粉器穗层风场保持能力模拟测试。涵道风扇式和管道送风式2种授粉机依次通过上述凸台，记录实际偏移距离，重复3次取平均值。

3.2.3 测试结果

将传感器测量数据代入式（2），将实际偏移量与授粉器最大偏移量l进行比较，得到如图10所示授粉器穗层风场保持能力结果。由图10可知，在通过100 mm障碍时，涵道风扇式授粉器和管道送风式授粉器穗层保持能力均为0，即均具有较好的穗层风场保持能力；在通过200 mm障碍时，涵道风扇式授粉器在竖直方向上存在较大摆动幅度，无穗层风场保持能力，而管道送风式授粉器的穗层保持能力均为0，依然具有较好的穗层风场保持能力，说明本文设计的管道送风式授粉机在通过较大泥底层高差时具有较好的穗层风场保持能力，减少了授粉器脱离穗层现象，满足大部分田间泥底层不平的情况，达到预期设计要求。

4 田间试验

4.1 试验方法

试验于2019年8月14日至18日进行，试验地点为湖南隆平种业邵阳市武冈基地，辅助授粉期间气象条件为气温35～37 ℃，东南风1级（0.3～1.5 m/s），制种品种为玖两优/黄莉占，父本行距250 mm，株距220 mm；父母本行比为6∶35，厢宽为9.25 m。将涂有凡士林的载玻片水平固定在母本厢穗层处（授粉作业期间，需根据水稻长势情况喷施赤霉素，水稻逐日长高，株高约为1.0～1.2 m，因此采集花粉时载玻片的安装高度也逐日相应调整，使其与母本水稻穗层位置平齐）作为花粉采集点。在试验区域母本厢内取80个花粉采集点，平均分为5行采集带（A～E），随机分布于总长200 m的单次往返授粉区域，每行采集带设置16个采集点，相邻2个采集点距离约1.0 m，如图11a所示，试验现场如图11b所示。

授粉机以1.5 m/s的速度进行田间授粉作业，授粉机风机在额定功率条件下工作。每天进行2～3次授粉作业，每次授粉间隔约30 min[27]。当天授粉结束后，将载玻片收回，用8%的I-IK溶液染色，然后在显微镜下（江南XSP-16A）放大10×10倍进行观察，对视野内的花粉进行计数。

4.2 结果与分析

对4厢母本3 d的盛花期花粉数据进行统计分析，结果如图12所示。杂交水稻穗层埋入式管道送风辅助授粉机赶粉后各采集点的花粉数量统计结果显示，花粉数量高于杂交水稻结实需求[28]的占比为96.02%，表明穗层埋入式管道送风辅助授粉机具有较好的泥底层高差适应性，花粉分布较均匀，较好的解决了局部区域授粉缺失问题；在父本厢附近形成3个峰，靠近父本厢的平均花粉粒数较多，远离父本较花粉平均粒数较低，主要原因是气流刚离开父本时裹挟花粉较多，花粉降落在采集点的概率较高，随着气流中花粉量降低，降落在采集点的花粉数量逐渐减少。

所有采集点的单位视野内平均花粉粒数为8.35粒，其中4厢母本上的单位视野内平均花粉粒数依次为9.34、8.46、10.54和5.08粒，第4厢母本花粉平均数最低，不满足最低结实要求的采集点全部分布在第4厢，这主要受授粉期间当地季风（东南风1级，风速为0.3～1.5 m/s）的影响，A～E采集带的平均花粉粒数依次为7.52、6.28、6.73、9.53、12.28粒，在授粉田块中处于自然风下游的D和E采集带的花粉数较高也证实了季风条件对花粉分布均匀性存在直接影响。

5 结论

本文设计了一种杂交水稻穗层埋入式管道送风辅助授粉机，用风机提供风源，通过分流器均分风量，传输到3支竖直安装的授粉管上，降低了桁架两端承受的重量，并增加授粉器的有效作用长度，通过仿真和田间试验，得出以下结论：

1）当作业幅宽为27.75 m，风源风量为0.05～0.45 m/s3，分流器中出风口直径为36 mm时，进入3支授粉管总压的差异性最小。在风机额定功率条件下，授粉管喷孔直径为12 mm时，授粉管喷孔射流风速平均为34.2 m/s，变异系数为1.22%，风场可以覆盖整个作业范围。

2）当授粉机以1.5 m/s的作业速度时，竖直安装的授粉管有效长度为600 mm时，提供了始终作用在父本稻穗穗层中部的风场。授粉试验，镜检得到4厢母本上采集点花粉粒数高于杂交水稻结实需求的占比为96.02%，其中距离父本厢近的采集点花粉粒数较多，自然风下游处的采集点花粉粒数较多。本文所设计的杂交水稻穗层埋入式管道送风辅助授粉机具有较好的泥底层高差适应性，较好解决了局部区域授粉缺失问题。

[1]王永维，何焯亮，陈军，等. 碰撞气吹式杂交水稻授粉机结构与参数优化[J]. 浙江大学学报：农业与生命科学版，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. 手持式风送授粉机工作参数优化与试验[J]. 农业工程学报，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]李继宇，兰玉彬，王建伟，等. 基于小型无人机风场的水稻花粉分布规律[J]. 中国农业文摘-农业工程，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]姚福强，王永维，郝一枫，等. 气力式杂交水稻制种授粉机授粉管结构参数优化[J]. 农业工程学报，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]周志艳，钟伯平，刘爱民，等. 涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机设计[J]. 农业工程学报，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]陈军. 杂交水稻制种机械化授粉机研制[D]. 杭州：浙江大学，2017. Jun Chen. Design of Hybrid Rice Pollination Machine[D]. Hangzhou：Zhejiang University, 2017 (in Chinese with English abstract)

[8]唐文帮，张桂莲，邓化冰. 杂交水稻机械化制种的技术探索与实践[J]. 中国水稻科学，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]袁振兴. 杂交水稻制种授粉基本原理及其应用技术的研究[J]. 湖南农业科学，1992：23-25.

[11]蔡增基，龙天渝. 流体力学泵与风机[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1999：131-152.

[12]辜松，姚维侦，刘建禹. 塑料薄膜通风筒性能的研究[J]. 农机化研究，1991(4)：18-21.

[13]殷平. 静压复得计算法的新计算公式和算图[J]. 通风除尘，1983(2)：1-7.

[14]殷平. 多分支风道系统静压复得计算法的新算法[J]. 暖通空调，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，华明，等. 同向圆射流混合特性实验研究[J]. 水科学进展，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]张殿印，王纯，除尘工程设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2003：47-50.

[19]李中秋，汤楚宙，李明，等. 气力式授粉喷气管道参数优化与试验验证[J]. 农业工程学报，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]张萌，戴冬青，李西明，等. 水稻花时性状研究进展[J]. 核农学报，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]张彬，芮雯奕，郑建初，等. 水稻开花期花粉活力和结实率对高温的响应特征[J]. 作物学报，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，汤楚宙，王慧敏，等. 气流作用位置对杂交水稻制种气力式授粉花粉分布的影响[J]. 农业工程学报，2012，28(增刊2)：107-113. (in Chinese with Eglish)

[23]陆耀庆. 供暖通风设计手册[M]. 中国建筑工业出版社，1987：863-865.

[24]胡达明. 杂交稻制种授粉花粉悬浮速度测定与应用研究[J]. 杂交水稻，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，陈万隆，刘寿东，等. 水稻花粉扩散的模拟研究[J]. 生态学报，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，曹孟飞. 人工辅助授粉的理论与技术研究[J]. 杂交水稻，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，吴升高，肖层林，等. 杂交水稻父本制种特性研究进展[J]. 湖南农业科学，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

王永锋，周志艳，林宗辉，等. 杂交水稻穗层埋入式管道送风辅助授粉机设计与试验[J]. 农业工程学报，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

国家重点研发计划（2017YFD0701202）；广东省科技计划项目（2017B090903007）；广东省乡村振兴战略专项（2020KJ261）

王永锋，研究方向为杂交水稻授粉技术。Email：793626334@qq.com。

周志艳，教授，研究方向为农业航空应用技术。Email：zyzhou@scau.edu.cn。

中国农业工程学会会员：周志艳（E042100021M）