涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机设计

为了寻求更高效、更可靠的辅助授粉方法,以利于实现杂交水稻制种的全程机械化,该文设计了一种涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机,采用计算流体力学技术对涵道风扇式授粉器的流场特性进行仿真研究与试验分析,并试制了样机,根据仿真试验得到的授粉器优选参数,进行了田间验证试验。试验结果表明,在授粉机行走速度为1.5 m/s及授粉器电机转速为9 000 rad/min条件下,单位视野内母本厢花粉采集点的花粉平均粒数为8.39粒(杂交水稻制种农艺上要求至少有3粒花粉),较好地满足了杂交水稻制种授粉对花粉数量的最低要求。安排了涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机赶粉与农用无人机赶粉的实际生产作业对比试验,测得2种授粉方式的结实率分别为44.2%、42.7%,两者作业效果相近,说明所设计的涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机能满足杂交水稻制种的实际生产需要。该研究为杂交水稻制种机械化提供了参考。     

“击穗气吹式”杂交水稻制种授粉机授粉管优化与试验

为克服人工授粉效率低、花粉分布均匀性差等缺点,实现杂交水稻制种机械化授粉,该文设计并试制了击穗-气吹式杂交水稻授粉机,利用CFD数值仿真技术对该机气吹嘴式和气吹孔式2种授粉管的气流场分布进行数值模拟,测试了不同流量下授粉管各吹气孔流速;然后进行田间授粉试验,采用重力玻片法检测了授粉机授粉与人工授粉时花粉分布。结果表明,在相同进气口速度条件下,吹孔式授粉管外部分气吹孔气流倾斜,授粉管外侧存在气流未达到的死区;气嘴式授粉管外侧各气吹嘴气流方向基本一致,可为气流授粉提供均匀稳定的气流场,吹嘴式授粉管是较理想的授粉管型式;在进气口风速为5.4、10.0和13.5 m/s时,吹嘴式授粉管各气吹嘴出口气流速度的模拟与实测值沿授粉管的变化趋势一致,气吹嘴出口气流速度模拟值与实测值的平均误差分别为2.14%、2.40%和3.43%,气流沿授粉管分布的均匀性变异系数分别为14.76%、15.93%和16.31%。田间授粉试验表明,在气吹嘴出口平均流速为7.3 m/s时,该机的每行花粉量及各母本行花粉量分布的均匀性上均优于人工授粉,授粉效率高于人工授粉法,为杂交水稻制种机械化授粉提供了实用机型。     

杂交水稻制种气力授粉的参数试验及优化

摘要：为研究各作用因素对杂交水稻制种气力授粉效果的影响,该文设计了气力授粉试验装置,应用二次正交旋转试验设计方法,研究气流速度、作用位置和作用角度对花粉有效分布面积比率、花粉平均分布密度以及花粉分布不均匀度的影响。通过Design-Expert8.05数据处理系统建立3个因素对各指标影响的回归方程,进一步优化,得到最佳授粉效果的参数组合为：气流速度21.98 m/s,作用位置为穗顶以下16.85 cm,作用角度为0。此时,花粉有效分布面积率为88.75%,单视野花粉平均密度为4.50粒,花粉分布不均匀度为19.53,授粉效果综合评价指数为最大值0.744。该结果为研究杂交水稻气力式授粉技术及研制气力式授粉装备提供理论依据。     

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

摘要：为研究气流作用位置对杂交水稻制种气力式授粉花粉分布效果的影响,分析了杂交水稻气力式授粉中花粉的两种运动情况,重点分析了气流作用下植株受力及气力作用层下层的花粉运动情况,对气流不同作用位置产生的弯曲变形进行了对比分析,从花粉的分散密度、水平分布、竖直分布三个方面评价气流作用位置对花粉分布的影响效果。结果表明：气流作用位置对花粉量、水平分布、竖直分布影响明显,气流中心作用在穗头中部位置（穗顶下100 mm/200 mm）时,能得到较大的花粉扩散量,花粉水平、竖直分布量明显增多,且有利于花粉沿气流方向的分布;作用位置主要影响传播花粉量以及花粉的分布,对花粉沿气流方向分布的距离影响较小。     

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

无人驾驶直升机具有机动灵活、不需要专用机场等特点,目前已在农业航空植保中得到应用。杂交水稻制种中,利用无人直升飞机飞行时其旋翼产生的风力能使父本花粉传播更远,可扩大父本和母本相间种植的宽度,实现父本和母本的机械化耕种和收割,从而实现制种全程机械化。杂交稻制种辅助授粉的效果(母本异交结实率)、作业效率及经济效益与无人直升机飞行时产生的风速、风向和风场宽度等参数密切相关,但迄今尚不明确。该文采用风场无线传感器网络测量系统组成三向风速测量线阵和单向风速面阵在水稻田里对无人油动单旋翼直升机飞行时的风场进行了测量试验,目的在于探明无人直升机在辅助授粉作业时不同方向的风速和风场宽度等参数,以便决策出较佳的飞行作业参数,包括飞行高度、作业航向等。无人直升机授粉作业的飞行速度设置为3m/s,作业载荷为3.75kg,飞行高度为:9、8、7和6m,测量的风向为:平行于飞行方向(X)、垂直于飞行方向(Y)、垂直于地面方向(Z)。测量试验结果表明,上述3个风向的风速值大小排序为VX>VY>VZ,且风速持续稳定,因此,在直升机辅助水稻授粉作业时,平行于飞行方向的风力(即沿着直升机前进方向的飞机尾风)更有益于辅助授粉作业;随着飞行高度不断降低,风场宽度亦有所增加,在飞行高度为6～8m时,达到3级风的风场宽度最大可达到9m,飞行高度为9m时,达到3级风的风场宽度最大仅为4m,明显缩小,综合考虑农艺要求、作业效率及安全性等因素,该文建议无人驾驶油动单旋翼直升机Z3机型的较佳飞行作业高度为7m;直升机逆自然风方向飞行作业时到达水稻冠层的风力较小,很难形成能满足水稻制种授粉所需的风场宽度和风速,而顺风方向飞行时的风场宽度和风速较大,因此采用油动力无人直升机辅助水稻制种授粉时,宜避免逆自然风方向飞行作业。该研究可为无人直升机水稻制种辅助授粉技术的发展提供参考。     

Wind field measurement for supplementary pollination in hybrid rice breeding using unmanned gasoline engine single-rotor helicopter

无人驾驶直升机具有机动灵活、不需要专用机场等特点,目前已在农业航空植保中得到应用。杂交水稻制种中,利用无人直升飞机飞行时其旋翼产生的风力能使父本花粉传播更远,可扩大父本和母本相间种植的宽度,实现父本和母本的机械化耕种和收割,从而实现制种全程机械化。杂交稻制种辅助授粉的效果(母本异交结实率)、作业效率及经济效益与无人直升机飞行时产生的风速、风向和风场宽度等参数密切相关,但迄今尚不明确。该文采用风场无线传感器网络测量系统组成三向风速测量线阵和单向风速面阵在水稻田里对无人油动单旋翼直升机飞行时的风场进行了测量试验,目的在于探明无人直升机在辅助授粉作业时不同方向的风速和风场宽度等参数,以便决策出较佳的飞行作业参数,包括飞行高度、作业航向等。无人直升机授粉作业的飞行速度设置为3 m/s,作业载荷为3.75 kg,飞行高度为：9、8、7和6 m,测量的风向为：平行于飞行方向（X）、垂直于飞行方向（Y）、垂直于地面方向（Z）。测量试验结果表明,上述3个风向的风速值大小排序为VX>VY>VZ,且风速持续稳定,因此,在直升机辅助水稻授粉作业时,平行于飞行方向的风力（即沿着直升机前进方向的飞机尾风）更有益于辅助授粉作业;随着飞行高度不断降低,风场宽度亦有所增加,在飞行高度为6～8 m时,达到3级风的风场宽度最大可达到9 m,飞行高度为9 m时,达到3级风的风场宽度最大仅为4 m,明显缩小,综合考虑农艺要求、作业效率及安全性等因素,该文建议无人驾驶油动单旋翼直升机Z3机型的较佳飞行作业高度为7 m;直升机逆自然风方向飞行作业时到达水稻冠层的风力较小,很难形成能满足水稻制种授粉所需的风场宽度和风速,而顺风方向飞行时的风场宽度和风速较大,因此采用油动力无人直升机辅助水稻制种授粉时,宜避免逆自然风方向飞行作业。该研究可为无人直升机水稻制种辅助授粉技术的发展提供参考。     

气力式杂交水稻制种授粉机授粉管结构参数优化

针对当前杂交水稻制种对机械化授粉装备的迫切需求，设计了气力式杂交水稻制种授粉机。首先对其关键部件授粉管建立了计算流体力学模型，进一步以授粉管内径、气流出口长度与宽度为因素，以气流出口流速变异系数、气流覆盖高度为指标，利用Design Expert软件设计了三因素三水平的Box-Behnken仿真试验，最后对授粉管结构参数进行优化。结果表明：在授粉管内径为60～80 mm、气流出口长度为100～200 mm、气流出口宽度为4～10 mm的范围内，授粉管内径、气流出口宽度及授粉管内径与气流出口宽度的交互作用、气流出口长度与宽度的交互作用、气流出口宽度平方对气流出口流速变异系数影响极显著（P<0.01）；授粉管内径、气流出口长度与宽度及二者的交互作用、授粉管内径与宽度的交互作用对气流覆盖高度的影响极显著（P<0.01）。授粉管较佳结构为内径64.49 mm，气流出口长度、宽度分别为200.0、7.25 mm，此时出口气流速度变异系数为9.10%，气流覆盖高度187.57 mm。为便于加工，选用授粉管内径61.5 mm的标准不锈钢管，取气流出口长度、宽度分别为200、7.5 mm并进行验证试验，气流出口流速仿真值与实测值基本一致，实测流速变异系数为8.83%～9.25%，气流出口流速分布均匀。研究结果可为气力式杂交水稻制种授粉机参数优化提供理论参考。     

气流速度对杂交水稻制种授粉花粉分布的影响

气流速度(包括自然风速)对杂交水稻制种授粉过程中花粉分布情况的影响十分显著,直接关系到制种产量。为研究流速对授粉效果的影响,该文首先分析杂交水稻气力授粉的基本原理,通过试验验证气流速度对花粉分布的影响,从花粉的分散密度、水平分布、垂直分布3个方面进行评价。结果表明:花粉分布受气流影响显著,水平分布量、竖直分布量以及花粉总量都随流速的增大而增大;水平分布出现特有的双峰图像,且后峰随流速的增大远离花粉源;竖直分布随流速的增大向气流中心靠拢,说明花粉在一定速度的定向气流中能保持较好的直线传播。气流速度为20m/s时,水平花粉量较多,且竖直分布能满足作用范围内花粉的传播要求。该文为进一步研究气力授粉机械提供依据。     

气力式授粉喷气管道参数优化与试验验证

杂交水稻制种气力式辅助授粉时,花粉随气流场运动,喷气管道多个喷孔的气流场叠加,表征气流场特性的射流极角、出孔动压对花粉分布均匀性、传播距离起决定性作用,为探索射流极角、出孔动压与管道参数之间的影响关系,获得较理想的气力授粉管道参数组合。该研究首先分析喷气管道气流场的叠加原理,采用消防烟雾弹发出有色气体经喷气管道的喷孔喷射并拍摄气流场图片,选取喷管直径、喷管壁厚、喷孔直径三因素为影响因子,以射流极角、出孔动压为评价指标,进行三因素五水平的单因素和多因素正交试验,通过对试验结果进行极差分析、矩阵分析,获得各因素对气流场特性的影响规律,找出较理想的因素组合并进行验证试验。结果表明,喷孔直径对射流极角和出孔动压的影响显著,3个因素的影响顺序为喷孔直径、喷管直径、喷管壁厚,较优的因素组合为喷管直径63 mm、喷管壁厚5 mm、喷孔直径12 mm,此时的射流极角为13.38°,出孔动压为31.6 Pa。验证试验表明,优化的因素组合明显提高花粉分布均匀性,花粉分布不均匀度（方差）降为1.33,花粉能形成覆盖母本行呈正态分布特性的单峰分布,能够满足气力辅助授粉对授粉管道的作业要求,研究结果为气力式授粉喷气管道的设计提供参考。     

单旋翼电动无人直升机辅助授粉作业参数优选

不同类型的农用无人直升机的结构不同,旋翼所产生气流到达作物冠层后形成的风场也有较大差异,对应的风速、风向和风场宽度等参数对花粉的运送效果直接影响到授粉的效果(母本结实率)、作业效率及经济效益。该文采用单轴单旋翼电动无人直升机,根据正交试验设计法设计了3因素(飞行高度、飞行速度和飞机及负载质量)3水平的正交试验,通过考察平行于飞行方向(X向)、垂直于飞行方向(Y向)、垂直地面(Z向)3个方向上的峰值风速(X、Y向越大越好,Z向越小越好)、Y向风场宽度(越宽越好)、动力电池的压降(放电越慢越好)3个指标,对单旋翼电动无人直升机用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数进行优选,试验结果分析表明:SCAU-2型单轴单旋翼电动无人机在峰值风速1 m/s时对应的水稻冠层有效风场最宽可达8.1 m,最窄为4.9 m,该机型在所设计的试验条件下基本能满足传播花粉的需求;该机型在水稻冠层所形成风场的峰值风速主要受飞机的飞行速度、飞机及负载质量、飞行高度影响,且随着飞行速度的降低、飞机及负载质量的增加、飞行高度的降低,其峰值风速有逐步增大的趋势。结合有效风场宽度及电池电量消耗程度来考量,3种主要因素的主次排序及其较优水平依次为飞行速度1.56 m/s、飞机及负载质量14.05 kg和飞行高度1.93 m。该结果可为其他单轴单旋翼电动无人直升机用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数设置提供参考,而且也可为制定基于农用无人直升机的水稻制种辅助授粉作业技术规范提供依据。     

手持式风送授粉机研制与试验

针对中国果树授粉大多采用人工点授、蜜蜂授粉等作业方式,迫切需要机械授粉机具的现状,研制了手持式风送授粉机。该机采用可变速的直流电机驱动离心风机,依照流体力学射流原理,计算授粉出口风速并设计了离心风机,叶片型式采用径向直板叶片,叶轮型式为平前盘,叶轮直径38 mm,叶片数为6,叶片宽度为18 mm。通过室内试验和样机田间试验分别测试了风机性能特性和气流速度对花粉分布的影响及猕猴桃柱头处的花粉覆盖率,试验结果表明:风机转速在8 000 r/min时风量为3.0×10-3 m3/s,满足风送授粉作业要求,风机转速9 000 r/min时全压效率较高,达到43%;花粉分布受风速影响较大,花粉竖直分布量以及喷粉量与出口风速成正比,且水平分布、竖直分布峰值随着风速的增加而后移,竖直分布峰值在距出口一定距离内保持稳定,显示花粉在一定速度的定向气流中能保持较好的直线传播;随着出口风速的增加,柱头处花粉覆盖率提高,当出口风速达到19.5 m/s时,花朵柱头平均有57.66%的花粉覆盖率。研究结果可为进一步研究风送授粉机的结构设计和作业参数优化提供依据。