周中林 胡洪基 郭金岳 黄邦超 李 卉 陶有凤 任万军 雷小龙,*

(1.四川农业大学 机电学院,四川 雅安625014; 2.作物生理生态及栽培四川省重点实验室,成都 611130)

我国是杂交稻生产大国和用种大国,传统杂交稻制种人工作业效率低、劳动高强度大和成本高,实现杂交稻制种机械化是提高制种效率与效益的重要途径[1-3]。

杂交稻制种是父母本间作的异交栽培过程,父母本机械化种植是实现制种机械化的难点。杂交稻制种机械化种植分为父本手插母本机插或直播[4-5]、父母本同机机插[6]、父母本分机机插[7]等方式,生产中存在作业次数多、环节复杂等问题。针对父母本播始历期相差20～30 d的品种,父本机插母本直播一体机是杂交稻制种机械化种植的重要装备,其中排种装置是影响制种机作业性能的核心部件。

国内外已对水稻排种装置的设计和试验开展较多研究。罗锡文等[8-10]设计了瓢形组合型孔、双充种室和弹性随动带护种为核心的水稻精量穴直播单体式排种装置,王在满等[11-12]通过拍摄排种过程,解析了型孔内稻种的充种姿态及流动规律。集中式排种装置具有结构简单、作业高效、装卸种便捷等优点,已广泛应用于水稻、小麦、油菜等播种[13-18];张顺等[19-20]设计了一种气力滚筒式水稻直播精量排种装置,实现一器六行均匀排种;雷小龙等[21]设计了一种集中定量供种的穴播供种装置,运用集中供料、气流输送及分配技术,实现一器八行排种。集中排种装置结构简单且体积小,便于实现播种机轻简化设计。

目前针对杂交稻制种机排种技术的研究较少,为适应杂交稻机械化制种生产要求和满足不育系稻种排种装置安装于插秧机插秧台的轻简化要求,本研究拟设计一种适用于杂交稻制种的不育系精量穴播集中排种装置,设计一种叶形状型孔,应用EDEM仿真和高速摄像台架试验分析排种过程中型孔内稻种的运动规律,通过正交试验优化型孔结构参数,以期为杂交稻制种不育系排种装置的设计提供参考。

1 杂交稻制种机精量穴播集中排种装置结构与工作原理

1.1 沟插垄播式杂交稻制种种植模式

根据杂交稻机械化制种的农艺要求,采用4行父本12行母本交替种植,利于母本授粉和机收。笔者前期设计的沟插垄播式杂交稻制种机能够在开沟时同步完成父本机插+母本直播作业[22],采用2行恢复系(父本)机插于插秧沟,6行不育系(母本)直播于种沟的种植模式(图1),由于杂交稻制种不育系分蘖能力弱,要求基本苗达到90～112.5万株/hm2[23],预试验测得不育系直播平均发芽率为71.29%,确定不育系直播平均每穴播种量为8粒。

1.土壤;2.种沟;3.垄台;4.母本直播稻种;5.蓄水沟;6.插秧沟;7.父本机插秧苗 1.Soil; 2.Sowing ditch; 3.Ridge platform; 4.Rice population; 5.Water storage ditch; 6.Seedling transplanting ditch; 7.Seedling

1.2 杂交稻制种机结构

本研究设计的杂交稻制种机主要包括排种装置、开沟装置、传动系统和动力装置(图2)。该制种机以插秧机底盘为动力源,驱动开沟装置、栽植机构和排种装置同步作业,其中排种装置安装于插秧机后端插秧台上,实现不育系稻种一器六行精量播种,其主要技术参数见表1。

表1 沟插垄播式杂交稻制种机主要参数

1.排种装置;2.变速装置;3.导种管;4.投种口;5.换向器;6.机架;7.植保装置;8.父本秧苗;9.栽植机构;10.开沟装置;11.药箱;12.插秧机头 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 精量穴播集中排种装置结构及工作过程

本研究设计的精量穴播集中排种装置主要包括种箱、壳体、搅种机构、种层调节板、穴播排种机构、护种板和分配器等(图3)。种层调节板位于穴播排种机构与壳体之间的充种室内,调节种层高度控制充入排种轮型孔的种量和保持恒定的种流进入型孔。排种过程包括充种、携种、护种和投种4个过程,穴播排种机构由6个排种轮和7个空白轮组成,对应6行排种,是实现精量穴播排种的核心部件。

Ⅰ.充种区;Ⅱ.携种区;Ⅲ.护种区;Ⅳ.投种区 1.种层调节板;2.穴播排种机构;3.底座;4.观察口;5.分配器;6.卸种板;7.搅种机构;8.外壳;9.充种室;10.种箱;11.排种轴;12.空白轮;13.型孔;14.排种轮 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

精量穴播集中排种装置工作时,稻种由种箱进入充种室,在种层调节板作用下使充种室种层厚度保持稳定,稻种在重力、搅种机构和排种轮的多重扰动作用下充入型孔,排种轮型孔在充种区完成充种,转动至排种轮顶端稻种在回流作用下纳入型孔底部,通过护种区进入投种区在重力和离心力的双重作用下6行型孔内稻种掉入分配器,由导种管输送至种沟完成排种过程。

2 精量穴播集中排种装置关键部件设计与仿真分析

2.1 型孔结构设计

2.1.1叶形状型孔

型孔是排种装置的关键结构,主要包括形状和尺寸参数。不育系稻种物理特性参数是型孔结构与尺寸设计的依据[24],不育系稻种呈纺锤体状,表面有稃毛,流动性差。以杂交稻制种不育系‘宜香1A’(宜香优2115不育系)、‘蜀1A’(蜀优217不育系)和‘锦城2A’(锦城优雅禾不育系)共3个品种为供试材料见表2。稻种以平躺和侧卧姿态为主,概率>88%[20,25-26]。

表2 杂交稻不育系稻种物理特性参数

为提高充种性能、防止型孔堵塞和便于投种,排种轮型孔的左壁面和右壁面采用叶形曲线设计(图4)。由笛卡尔方程得到叶形曲线方程为:

1.排种轮;2.型孔左壁叶形曲线;3.型孔;4.型孔右壁叶形曲线 1.Seed metering wheel; 2.Left leaf curve of model-hole; 3.Model-hole; 4. Right leaf curve of model-hole Xa、Xb、Xd分别为型孔上沿宽度、下沿宽度、深度。 Xa, Xb, Xd are the width, bottom width, depth of model-hole, respectively. A为左壁叶形曲线始点;B为左壁叶形曲线与底面的交点;C、D分别为左壁叶形曲线和右壁叶形曲线与排种轮轮廓交点;E为右壁叶形曲线始点。 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分别为叶形曲线上点的横坐标和纵坐标,mm;k为斜率;xt为横向调节参数;yt为纵向调节参数。

2.1.2型孔尺寸

参照经验公式[8,21,27],型孔参数计算公式为:

(2)

式中:Xa为型孔上沿宽度,mm;λa为上沿宽度调整系数,范围为0.9～1.9;Xb为型孔下沿宽度,mm;λb为下沿宽度调整系数,范围为0.5～0.7;Xc为型孔上沿长度,mm;λc为上沿长度调整系数,范围为1.0～2.0;Xd为型孔深度,mm;λd为型孔深调整系数,范围为0.9～1.1;Lmax为水稻种子最大长度,mm;Lmean为水稻种子平均长度,mm;Tmax为水稻种子最大厚度,mm;Tmean为水稻种子平均厚度,mm。

根据稻种物理特性参数(表2),确定型孔的Xa、Xb、Xc、Xd分别为19.45、4.94、16.00和8.26 mm。根据型孔尺寸要求,设左壁叶形曲线初始坐标A点为(-2.10 mm,21.5 mm),右壁叶形曲线初始坐标E点为(-4.81 mm,26.74 mm),根据型孔的尺寸设计与排种轮轮廓的交点,令叶形曲线方程调节参数xt=yt=6.21,为提高囊种成功率左壁叶形曲线斜率k1、k2分别设为2和1,为投种成穴性右壁叶形曲线斜率k1、k2分别设为0和3,确定点B坐标为(0.13 mm,26.74 mm),根据排种轮轮廓确定交点C和D坐标分别为(-5.02 mm,34.64 mm)和(15.17 mm,31.54 mm)。

2.2 排种轮参数设计

由杂交稻制种农艺种植所需播种量与排种装置播种量可知:

(3)

式中:h为行距,m;m为穴距,m;k为单穴植株数量;p为发芽率;D为排种轮直径,mm;n为排种轮转速,r/min;v为机具作业速度,m/s;N为排种轮型孔数量;fp为型孔充种数量,粒;Z为穴播排种轮数量;l为机具工作幅宽,m;Q1为田间作业播种量,kg/hm2;Q2为排种装置播种量,kg/s。

根据穴播集中排种装置的播种量应与农艺要求的播种量相同,由式(3)可得:

(4)

由式(4)可知,稻种在田间的分布与排种轮转速n、发芽率p、机具作业速度v、排种轮上型孔数量N有关,同时排种轮上型孔数量N受排种轮直径影响,当穴距m、作业幅宽l和作业速度v一定时,型孔数量N与排种轮转速n呈负相关关系。当排种轮直径过大时,排种器尺寸较大;直径过小时,排种轮线速度过大导致型孔充种时间过短,会产生漏播。一般排种轮转速n为10～50 r/min,机具前进速度为2.5～5.0 km/h时,确定排种轮直径D为70 mm,型孔数量N为6个。排种轮应用3D打印技术加工,材料为ABS(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer)工程塑料。

2.3 排种过程仿真试验

精量穴播集中排种装置工作时,由于充种过程中多粒稻种组成的种群在搅种装置和排种轮对种群的双重扰动作用下顺利充入型孔到排出的过程难以准确描述。因此,采用EDEM对排种过程进行仿真研究分析。

在仿真中将几何模型简化为壳体、搅种装置和穴播排种机构3部分(图5),材料分别设定为不锈钢和ABS工程塑料,颗粒模型选择Hertz-Mindlin(no-slip)硬球模型,颗粒及其材料的仿真参数参考文献[28-29],设定排种轮转速为20 r/min,在型孔内分别标记竖立、平躺和侧卧姿态稻种,后处理器分析稻种在排种过程中受力和姿态变化。

1.种群;2.搅种轴;3.壳体;4.穴播排种机构;5.限种板;6.颗粒工厂;7.侧卧姿态;8.稻粒;9.排种轮;10.型孔;11.平躺姿态;12.竖立姿态 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 不同姿态稻种排种过程仿真分析

不同初始姿态稻种仿真排种过程中稻种在型孔内的姿态变化与所受合力见图6。仿真时间t=1.65 s时稻种开始从充种区充种,不同姿态稻种所受合力差异较大,平躺和侧卧姿态稻种分别在t=1.73 和1.80 s进入型孔,在型孔支持力作用下受种群扰动和挤压力减小,稻种所受合力变化趋于平稳,竖立姿态稻种受种群扰动和挤压在t=1.89 s进入型孔,竖立姿态稻种因竖立在型孔内超出型孔深度,在型孔转动过程中受到种群的刮带作用易从型孔内脱落,竖立姿态稻种所受合力波动最大;在t=2.01 s时型孔离开充种层进入携种区,型孔内稻种不再受种群扰动和挤压作用,不同姿态稻种所受合力小且稳定,在t=2.38 s时型孔转动到排种轮顶点,型孔内稻种出现微动,在t=2.48 s时进入护种区,型孔内不同姿态稻种在重力和离心力作用下向型孔右壁面倾倒后平躺在型孔内,避免稻种与排种装置外壳碰撞和挤压破损,型孔转动至投种口时,右壁面采用向下叶形曲线设计保证投种一致性,此时受力不断增加,其中竖立姿态由于重心高加速度大,在t=2.78 s时滑出型孔时受力最大,在t=3.01 s时稻种离开型孔完成投种。

图6 仿真排种过程中稻种姿态和所受合力

3 精量穴播集中排种装置台架试验

3.1 试验材料及设备

试验时将自主设计的精量穴播集中排种装置安装在JPS-12计算机视觉排种性能试验台,排种轮转速为20 r/min,供试材料为‘宜香1A’、‘蜀21A’和‘锦城2A’,稻种进行浸种催芽处理。

3.2 试验设计

为确定较优的型孔形状,根据型孔每穴播种量计算叶形曲线与排种轮的交点坐标B、C、D和E点,分析直线状型孔、圆弧曲线状型孔和叶形状型孔3种型孔结构(图7)对排种性能的影响。应用高速摄像机(日本Photron公司生产的FastCamMini UX100)拍摄稻种的充种过程,统计连续50穴的穴粒数及其充入型孔的姿态。

x1、x2、x3分别为型孔长度、深度和宽度的实际值,mm,图8同。 x1, x2, x3 are the actual values of length, depth, width of the model-hole, mm. The same as Fig.8.

为优化型孔结构参数,以排种轮型孔长度、深度和宽度为试验因素,以合格率Y1、漏播率Y2为评价性能指标,排种转速为20 r/min,采用三因素五水平二次回归正交旋转组合试验方法开展试验[30-31],型孔参数试验因素水平见表3。统计6行的连续60穴的穴粒数,每组重复3次,应用Design-Expert 8.0.6软件进行试验设计与分析。

表3 型孔参数试验因素与水平

为分析精量穴播集中排种装置对杂交稻品种和转速的适应性,以不育系品种和转速为因素试验,不育系共3个品种,排种轮转速设10～40 r/min,增量为10 r/min。

试验方法参照GB/T 6973—2005《单粒 (精密) 播种机试验方法》[32],穴粒数6～10粒为合格,>10粒为重播,<6粒为漏播。

3.3 试验结果与分析

3.3.1型孔形状对排种性能的影响

型孔形状对排种合格率、漏播率和稻种在型孔内的姿态有显著影响(表4)。叶形状型孔排种合格率最高,漏播率最小;竖立姿态稻种对排种性能影响最大,其占比越大排种性能越差,故叶形状型孔内稻种以平躺和侧卧姿态为主,其比例>76%,排种性能较好,试验中选用叶形状型孔。

表4 型孔形状对排种性能影响的试验结果

3.3.2型孔结构参数对排种性能的影响

排种装置性能试验的结果及方差分析见表5和表6。

表5 型孔参数试验方案与结果

表6 型孔参数试验二次多项式模型方差分析

由方差分析可知:x1x2和x1x3交互作用对排种合格率有显著影响,x1x3和x2x3交互作用分别对排种漏播率有显著和极显著影响;2个响应指标的回归模型P<0.01,决定系数R2分别为0.98和0.96,失拟项P值分别为0.93和0.80,均大于0.05,表明排种合格率、漏播率的回归模型方程对试验拟合精度较高[30]。将不显著项剔除后,得到以各因素编码值为自变量的排种合格率和漏播率回归模型方程分别为:

(5)

(6)

型孔参数交互作用对排种合格率和漏播率的响应曲面见图8。当型孔宽度取16.00 mm时,随型孔长度增加排种合格率先增大后减小(图8(a)),漏播率先减小后增大(图8(c)),型孔长度增加延长了型孔在充种区种群的充种时间,有效囊种数量增加,进而提高排种合格率;型孔过长时,囊种数量过多和在相同位置型孔未完全浸在充种区种群内,导致合格率降低。当型孔长度取19.45 mm时,随型孔宽度增加排种合格率先增大后减小,漏播率先减小后增大,型孔宽度增加时,平躺和侧卧姿态稻种能顺利进入型孔,降低了排种漏播率;型孔过宽时,型孔内平躺和侧卧姿态种群与竖立姿态种群之间形成架空,排种漏播率增大。

图8 型孔参数交互因素对排种合格率(Y1)和漏播率(Y2)的响应曲面图

当型孔长度为19.45 mm时,随型孔深度增加排种合格率先增大后减小(图8(b)),型孔深度增加,竖立姿态稻种易充入型孔,凸出掉落减少,增加囊种概率,从而增大排种合格率;型孔过深时,竖立和倾斜姿态的稻种阻碍稻种充入型孔,导致合格率减小。当型孔深度为8.26 mm时,随轮型孔宽度增加排种漏播率减小,当型孔宽度为16.00 mm时,随型孔深度增加排种漏播率减小(图8(d))。

为获得型孔较优参数组合,应用Design-Expert 8. 0.6软件对回归模型方程进行优化求解,得到优化数学模型为:

(7)

优化后型孔形状长度、深度和宽度尺寸分别为20.26、7.46和16.84 mm;排种合格率为92.99%、漏播率2.28%。

为验证回归模型和优化结果的可靠性,采用型孔最佳参数组合开展5次重复验证试验,取平均值作为试验验证结果。结果表明:排种合格率、漏播率分别为92.63%和2.81%,平均穴距、穴径分别为120.60和38.90 mm,穴距变异系数、穴径变异系数分别为15.07%和29.03%。

3.3.3杂交稻不育系品种和排种轮转速对排种性能的影响

不育系品种和排种轮转速对排种性能有显著影响(图9),排种轮转速为10～50 r/min时,排种合格率随排种轮转速增加呈先增大后减小趋势,重播率和漏播率趋势相反;当排种轮转速为40～50 r/min时,排种合格率减小较快,主要由于转速过快型孔充种时间减少;当排种轮转速为10 r/min时,由于转速过低种层之间的扰动作用不明显,其排种合格率低于20～30 r/min。因此,较优排种轮转速为20～30 r/min,3个品种的合格率均>90.51%,重播率<5.92%,漏播率<3.55%。

图9 杂交稻不育系品种和排种轮转速对排种性能的影响

4 排种装置田间试验

为检验不育系精量穴播集中排种装置的田间播种性能,于2021年4月在四川省崇州市四川农业大学现代研发基地开展田间试验(图10(a))。将排种装置安装在杂交稻制种机支架上,试验田块长64.00 m、宽20.00 m,前茬为油菜,茬高562.40 mm;土壤含水率为58.66%,坚实度为0.96 kPa。播种量分别设为(4±2)、(6±2)和(8±2) 粒/穴。供试品种为‘宜香1A’,排种轮转速为20 r/min,行距、穴距分别为250 和120 mm。播后采用3点取样法选取3个点调查6行每行连续20穴的穴粒数,于3叶一心期采用5点定点法测1 m内6行的穴苗数、株距,父母本长势效果较好(图10(b))。

1.插秧机;2.排种装置;3.封闭除草装置;4.开沟装置;5.投种口;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

排种装置田间播种性能结果表明,随播种粒数增加播种合格率减小,播种合格率、漏播率和重播率分别为82.69%、8.52%和8.79%。3叶一心成苗率为46.93%,平均穴距为121.20 mm,不育系精量穴播集中排种装置满足杂交水稻制种不育系直播农艺技术要求。

5 结 论

本研究以杂交稻制种不育系精量穴播集中排种装置为研究对象,依据稻种物理特性参数和农艺要求,确定型孔结构及尺寸参数;对排种过程进行仿真和高速摄像分析,型孔采用叶形曲线设计有利于充种,其平躺和侧卧姿态充种的概率>76%。开展叶形状型孔参数二次旋转正交组合试验,得到了型孔较优参数组合,型孔长度、宽度和深度分别为20.27、16.84 和7.46 mm时,排种合格率和漏播率分别为92.63%和2.81%。田间试验结果表明,播种合格率、漏播率、重播率、成苗率、穴距分别为82.69%、8.52%、8.79%、46.93%和121.20 mm。该不育系精量穴播集中排种装置能满足杂交水稻制种母本直播作业的农艺技术要求。