周中林 胡洪基 郭金岳 黃邦超 李 卉 陶有鳳 任萬軍 雷小龍,*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學 機電學院,四川 雅安625014; 2.作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室,成都 611130)

我國是雜交稻生產(chǎn)大國和用種大國,傳統(tǒng)雜交稻制種人工作業(yè)效率低、勞動高強度大和成本高,實現(xiàn)雜交稻制種機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程,父母本機械化種植是實現(xiàn)制種機械化的難點。雜交稻制種機械化種植分為父本手插母本機插或直播[4-5]、父母本同機機插[6]、父母本分機機插[7]等方式,生產(chǎn)中存在作業(yè)次數(shù)多、環(huán)節(jié)復雜等問題。針對父母本播始歷期相差20～30 d的品種,父本機插母本直播一體機是雜交稻制種機械化種植的重要裝備,其中排種裝置是影響制種機作業(yè)性能的核心部件。

國內外已對水稻排種裝置的設計和試驗開展較多研究。羅錫文等[8-10]設計了瓢形組合型孔、雙充種室和彈性隨動帶護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]通過拍攝排種過程,解析了型孔內稻種的充種姿態(tài)及流動規(guī)律。集中式排種裝置具有結構簡單、作業(yè)高效、裝卸種便捷等優(yōu)點,已廣泛應用于水稻、小麥、油菜等播種[13-18];張順等[19-20]設計了一種氣力滾筒式水稻直播精量排種裝置,實現(xiàn)一器六行均勻排種;雷小龍等[21]設計了一種集中定量供種的穴播供種裝置,運用集中供料、氣流輸送及分配技術,實現(xiàn)一器八行排種。集中排種裝置結構簡單且體積小,便于實現(xiàn)播種機輕簡化設計。

目前針對雜交稻制種機排種技術的研究較少,為適應雜交稻機械化制種生產(chǎn)要求和滿足不育系稻種排種裝置安裝于插秧機插秧臺的輕簡化要求,本研究擬設計一種適用于雜交稻制種的不育系精量穴播集中排種裝置,設計一種葉形狀型孔,應用EDEM仿真和高速攝像臺架試驗分析排種過程中型孔內稻種的運動規(guī)律,通過正交試驗優(yōu)化型孔結構參數(shù),以期為雜交稻制種不育系排種裝置的設計提供參考。

1 雜交稻制種機精量穴播集中排種裝置結構與工作原理

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,利于母本授粉和機收。筆者前期設計的溝插壟播式雜交稻制種機能夠在開溝時同步完成父本機插+母本直播作業(yè)[22],采用2行恢復系(父本)機插于插秧溝,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,要求基本苗達到90～112.5萬株/hm2[23],預試驗測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;4.母本直播稻種;5.蓄水溝;6.插秧溝;7.父本機插秧苗 1.Soil; 2.Sowing ditch; 3.Ridge platform; 4.Rice population; 5.Water storage ditch; 6.Seedling transplanting ditch; 7.Seedling

1.2 雜交稻制種機結構

本研究設計的雜交稻制種機主要包括排種裝置、開溝裝置、傳動系統(tǒng)和動力裝置(圖2)。該制種機以插秧機底盤為動力源,驅動開溝裝置、栽植機構和排種裝置同步作業(yè),其中排種裝置安裝于插秧機后端插秧臺上,實現(xiàn)不育系稻種一器六行精量播種,其主要技術參數(shù)見表1。

表1 溝插壟播式雜交稻制種機主要參數(shù)

1.排種裝置;2.變速裝置;3.導種管;4.投種口;5.換向器;6.機架;7.植保裝置;8.父本秧苗;9.栽植機構;10.開溝裝置;11.藥箱;12.插秧機頭 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構及工作過程

本研究設計的精量穴播集中排種裝置主要包括種箱、殼體、攪種機構、種層調節(jié)板、穴播排種機構、護種板和分配器等(圖3)。種層調節(jié)板位于穴播排種機構與殼體之間的充種室內,調節(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入型孔。排種過程包括充種、攜種、護種和投種4個過程,穴播排種機構由6個排種輪和7個空白輪組成,對應6行排種,是實現(xiàn)精量穴播排種的核心部件。

Ⅰ.充種區(qū);Ⅱ.攜種區(qū);Ⅲ.護種區(qū);Ⅳ.投種區(qū) 1.種層調節(jié)板;2.穴播排種機構;3.底座;4.觀察口;5.分配器;6.卸種板;7.攪種機構;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,稻種由種箱進入充種室,在種層調節(jié)板作用下使充種室種層厚度保持穩(wěn)定,稻種在重力、攪種機構和排種輪的多重擾動作用下充入型孔,排種輪型孔在充種區(qū)完成充種,轉動至排種輪頂端稻種在回流作用下納入型孔底部,通過護種區(qū)進入投種區(qū)在重力和離心力的雙重作用下6行型孔內稻種掉入分配器,由導種管輸送至種溝完成排種過程。

2 精量穴播集中排種裝置關鍵部件設計與仿真分析

2.1 型孔結構設計

2.1.1葉形狀型孔

型孔是排種裝置的關鍵結構,主要包括形狀和尺寸參數(shù)。不育系稻種物理特性參數(shù)是型孔結構與尺寸設計的依據(jù)[24],不育系稻種呈紡錘體狀,表面有稃毛,流動性差。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個品種為供試材料見表2。稻種以平躺和側臥姿態(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計(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;B為左壁葉形曲線與底面的交點;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;E為右壁葉形曲線始點。 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的橫坐標和縱坐標,mm;k為斜率;xt為橫向調節(jié)參數(shù);yt為縱向調節(jié)參數(shù)。

2.1.2型孔尺寸

參照經(jīng)驗公式[8,21,27],型孔參數(shù)計算公式為:

(2)

式中:Xa為型孔上沿寬度,mm;λa為上沿寬度調整系數(shù),范圍為0.9～1.9;Xb為型孔下沿寬度,mm;λb為下沿寬度調整系數(shù),范圍為0.5～0.7;Xc為型孔上沿長度,mm;λc為上沿長度調整系數(shù),范圍為1.0～2.0;Xd為型孔深度,mm;λd為型孔深調整系數(shù),范圍為0.9～1.1;Lmax為水稻種子最大長度,mm;Lmean為水稻種子平均長度,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,設左壁葉形曲線初始坐標A點為(-2.10 mm,21.5 mm),右壁葉形曲線初始坐標E點為(-4.81 mm,26.74 mm),根據(jù)型孔的尺寸設計與排種輪輪廓的交點,令葉形曲線方程調節(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分別設為2和1,為投種成穴性右壁葉形曲線斜率k1、k2分別設為0和3,確定點B坐標為(0.13 mm,26.74 mm),根據(jù)排種輪輪廓確定交點C和D坐標分別為(-5.02 mm,34.64 mm)和(15.17 mm,31.54 mm)。

2.2 排種輪參數(shù)設計

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為排種輪轉速,r/min;v為機具作業(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速n、發(fā)芽率p、機具作業(yè)速度v、排種輪上型孔數(shù)量N有關,同時排種輪上型孔數(shù)量N受排種輪直徑影響,當穴距m、作業(yè)幅寬l和作業(yè)速度v一定時,型孔數(shù)量N與排種輪轉速n呈負相關關系。當排種輪直徑過大時,排種器尺寸較大;直徑過小時,排種輪線速度過大導致型孔充種時間過短,會產(chǎn)生漏播。一般排種輪轉速n為10～50 r/min,機具前進速度為2.5～5.0 km/h時,確定排種輪直徑D為70 mm,型孔數(shù)量N為6個。排種輪應用3D打印技術加工,材料為ABS(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer)工程塑料。

2.3 排種過程仿真試驗

精量穴播集中排種裝置工作時,由于充種過程中多粒稻種組成的種群在攪種裝置和排種輪對種群的雙重擾動作用下順利充入型孔到排出的過程難以準確描述。因此,采用EDEM對排種過程進行仿真研究分析。

在仿真中將幾何模型簡化為殼體、攪種裝置和穴播排種機構3部分(圖5),材料分別設定為不銹鋼和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[28-29],設定排種輪轉速為20 r/min,在型孔內分別標記豎立、平躺和側臥姿態(tài)稻種,后處理器分析稻種在排種過程中受力和姿態(tài)變化。

1.種群;2.攪種軸;3.殼體;4.穴播排種機構;5.限種板;6.顆粒工廠;7.側臥姿態(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)稻種排種過程仿真分析

不同初始姿態(tài)稻種仿真排種過程中稻種在型孔內的姿態(tài)變化與所受合力見圖6。仿真時間t=1.65 s時稻種開始從充種區(qū)充種,不同姿態(tài)稻種所受合力差異較大,平躺和側臥姿態(tài)稻種分別在t=1.73 和1.80 s進入型孔,在型孔支持力作用下受種群擾動和擠壓力減小,稻種所受合力變化趨于平穩(wěn),豎立姿態(tài)稻種受種群擾動和擠壓在t=1.89 s進入型孔,豎立姿態(tài)稻種因豎立在型孔內超出型孔深度,在型孔轉動過程中受到種群的刮帶作用易從型孔內脫落,豎立姿態(tài)稻種所受合力波動最大;在t=2.01 s時型孔離開充種層進入攜種區(qū),型孔內稻種不再受種群擾動和擠壓作用,不同姿態(tài)稻種所受合力小且穩(wěn)定,在t=2.38 s時型孔轉動到排種輪頂點,型孔內稻種出現(xiàn)微動,在t=2.48 s時進入護種區(qū),型孔內不同姿態(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,避免稻種與排種裝置外殼碰撞和擠壓破損,型孔轉動至投種口時,右壁面采用向下葉形曲線設計保證投種一致性,此時受力不斷增加,其中豎立姿態(tài)由于重心高加速度大,在t=2.78 s時滑出型孔時受力最大,在t=3.01 s時稻種離開型孔完成投種。

圖6 仿真排種過程中稻種姿態(tài)和所受合力

3 精量穴播集中排種裝置臺架試驗

3.1 試驗材料及設備

試驗時將自主設計的精量穴播集中排種裝置安裝在JPS-12計算機視覺排種性能試驗臺,排種輪轉速為20 r/min,供試材料為‘宜香1A’、‘蜀21A’和‘錦城2A’,稻種進行浸種催芽處理。

3.2 試驗設計

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

x1、x2、x3分別為型孔長度、深度和寬度的實際值,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)化型孔結構參數(shù),以排種輪型孔長度、深度和寬度為試驗因素,以合格率Y1、漏播率Y2為評價性能指標,排種轉速為20 r/min,采用三因素五水平二次回歸正交旋轉組合試驗方法開展試驗[30-31],型孔參數(shù)試驗因素水平見表3。統(tǒng)計6行的連續(xù)60穴的穴粒數(shù),每組重復3次,應用Design-Expert 8.0.6軟件進行試驗設計與分析。

表3 型孔參數(shù)試驗因素與水平

為分析精量穴播集中排種裝置對雜交稻品種和轉速的適應性,以不育系品種和轉速為因素試驗,不育系共3個品種,排種輪轉速設10～40 r/min,增量為10 r/min。

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

3.3 試驗結果與分析

3.3.1型孔形狀對排種性能的影響

型孔形狀對排種合格率、漏播率和稻種在型孔內的姿態(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,故葉形狀型孔內稻種以平躺和側臥姿態(tài)為主,其比例>76%,排種性能較好,試驗中選用葉形狀型孔。

表4 型孔形狀對排種性能影響的試驗結果

3.3.2型孔結構參數(shù)對排種性能的影響

排種裝置性能試驗的結果及方差分析見表5和表6。

表5 型孔參數(shù)試驗方案與結果

表6 型孔參數(shù)試驗二次多項式模型方差分析

由方差分析可知:x1x2和x1x3交互作用對排種合格率有顯著影響,x1x3和x2x3交互作用分別對排種漏播率有顯著和極顯著影響;2個響應指標的回歸模型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試驗擬合精度較高[30]。將不顯著項剔除后,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)交互作用對排種合格率和漏播率的響應曲面見圖8。當型孔寬度取16.00 mm時,隨型孔長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)),型孔長度增加延長了型孔在充種區(qū)種群的充種時間,有效囊種數(shù)量增加,進而提高排種合格率;型孔過長時,囊種數(shù)量過多和在相同位置型孔未完全浸在充種區(qū)種群內,導致合格率降低。當型孔長度取19.45 mm時,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,平躺和側臥姿態(tài)稻種能順利進入型孔,降低了排種漏播率;型孔過寬時,型孔內平躺和側臥姿態(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)交互因素對排種合格率(Y1)和漏播率(Y2)的響應曲面圖

當型孔長度為19.45 mm時,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;型孔過深時,豎立和傾斜姿態(tài)的稻種阻礙稻種充入型孔,導致合格率減小。當型孔深度為8.26 mm時,隨輪型孔寬度增加排種漏播率減小,當型孔寬度為16.00 mm時,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,應用Design-Expert 8. 0.6軟件對回歸模型方程進行優(yōu)化求解,得到優(yōu)化數(shù)學模型為:

(7)

優(yōu)化后型孔形狀長度、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%。

為驗證回歸模型和優(yōu)化結果的可靠性,采用型孔最佳參數(shù)組合開展5次重復驗證試驗,取平均值作為試驗驗證結果。結果表明: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速對排種性能的影響

不育系品種和排種輪轉速對排種性能有顯著影響(圖9),排種輪轉速為10～50 r/min時,排種合格率隨排種輪轉速增加呈先增大后減小趨勢,重播率和漏播率趨勢相反;當排種輪轉速為40～50 r/min時,排種合格率減小較快,主要由于轉速過快型孔充種時間減少;當排種輪轉速為10 r/min時,由于轉速過低種層之間的擾動作用不明顯,其排種合格率低于20～30 r/min。因此,較優(yōu)排種輪轉速為20～30 r/min,3個品種的合格率均>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速對排種性能的影響

4 排種裝置田間試驗

為檢驗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)大學現(xiàn)代研發(fā)基地開展田間試驗(圖10(a))。將排種裝置安裝在雜交稻制種機支架上,試驗田塊長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%,堅實度為0.96 kPa。播種量分別設為(4±2)、(6±2)和(8±2) 粒/穴。供試品種為‘宜香1A’,排種輪轉速為20 r/min,行距、穴距分別為250 和120 mm。播后采用3點取樣法選取3個點調查6行每行連續(xù)20穴的穴粒數(shù),于3葉一心期采用5點定點法測1 m內6行的穴苗數(shù)、株距,父母本長勢效果較好(圖10(b))。

1.插秧機;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)藝技術要求。

5 結 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象,依據(jù)稻種物理特性參數(shù)和農(nóng)藝要求,確定型孔結構及尺寸參數(shù);對排種過程進行仿真和高速攝像分析,型孔采用葉形曲線設計有利于充種,其平躺和側臥姿態(tài)充種的概率>76%。開展葉形狀型孔參數(shù)二次旋轉正交組合試驗,得到了型孔較優(yōu)參數(shù)組合,型孔長度、寬度和深度分別為20.27、16.84 和7.46 mm時,排種合格率和漏播率分別為92.63%和2.81%。田間試驗結果表明,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)藝技術要求。