雜交水稻制種父母本同栽插秧機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

熊　瑋，朱德泉，，*，朱德文，武立權(quán)，汪超賢，吳作龍

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥 230036； 2.安徽省糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230036； 3.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014； 4.天長市萬壽機(jī)械有限公司，安徽 天長 239300)

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雜交水稻制種父母本同栽插秧機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

熊瑋1，朱德泉1，2，*，朱德文3，武立權(quán)2，汪超賢1，吳作龍4

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥 230036； 2.安徽省糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230036； 3.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014； 4.天長市萬壽機(jī)械有限公司，安徽 天長 239300)

針對(duì)目前雜交水稻制種父母本人工插秧勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高等問題，設(shè)計(jì)一種雜交水稻制種父母本同栽插秧機(jī)，可以同時(shí)栽插2行父本缽體苗和10行母本毯狀苗。該機(jī)器在2ZT-9358型乘坐式水稻插秧機(jī)的基礎(chǔ)上研制而成，根據(jù)雜交水稻制種農(nóng)藝要求，確定了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，并設(shè)計(jì)了父母本秧苗分插機(jī)構(gòu)和移箱機(jī)構(gòu)螺旋軸等關(guān)鍵零部件。田間試驗(yàn)表明：該機(jī)作業(yè)性能良好，生產(chǎn)率為0.35 hm2·h-1，父本秧苗和母本秧苗的傷秧率分別為2.7%，2.4%，漂秧率分別為2.2%，2.0%，漏插率分別為3.1%，3.2%，翻倒率分別為2.5%，2.1%，插秧深度合格率均為94%，相對(duì)均勻度合格率分別為90.5%，91.8%，符合水稻插秧機(jī)技術(shù)條件(GB/T 20864—2007)，可滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

雜交水稻；父母本同栽；模態(tài)分析；田間試驗(yàn)；雜交水稻制種

制種是雜交水稻生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其技術(shù)水準(zhǔn)直接影響雜交水稻的推廣應(yīng)用。為了使雜交水稻制種父母本花期相遇，父母本必須有一定的播差期。長江中下游地區(qū)不同品種雜交水稻制種母本秧苗移栽行距基本在180 mm以下[1-4]，而目前市場(chǎng)上雜交水稻制種插秧機(jī)行距最小為200 mm，只能插小苗，無法滿足該地區(qū)雜交水稻父母本大小苗同時(shí)移栽要求[5-6]。因此，長江中下游地區(qū)雜交水稻制種仍采用父母本分別播種、移栽的人工制種方式，工序繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度高、耗工量大、制種成本高，嚴(yán)重制約了該地區(qū)雜交水稻制種產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。

針對(duì)長江中下游地區(qū)雜交水稻制種的農(nóng)藝要求，提出父本采用缽體苗、母本采用毯狀苗的移栽方案，并設(shè)計(jì)一種可以同時(shí)移栽雜交水稻父母本秧苗的獨(dú)輪乘坐式插秧機(jī)，確定其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，并設(shè)計(jì)父母本秧苗分插機(jī)構(gòu)、移箱機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件，以期滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，提高雜交水稻制種效率和制種機(jī)械化水平。

1　設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

1.1總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的雜交水稻制種父母本同栽插秧機(jī)為乘坐式插秧機(jī)，由動(dòng)力行走部分和插秧工作部分組成，如圖1所示。

動(dòng)力行走部分由發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力架、發(fā)引架、行走傳動(dòng)箱、行走輪、工作傳動(dòng)箱等組成。插秧工作部分由分插機(jī)構(gòu)、移箱機(jī)構(gòu)、秧箱、秧船、尾板等組成。插秧機(jī)采用曲柄搖桿式分插機(jī)構(gòu)，根據(jù)雜交水稻制種農(nóng)藝要求，分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為12個(gè)栽植臂，父本秧苗栽植臂布置在中間，母本秧苗栽植臂位于兩側(cè)。設(shè)計(jì)的插秧機(jī)工作性能參數(shù)如表1所示。

1.2工作原理

如圖1所示，在工作過程中，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)發(fā)引架、傳動(dòng)箱傳遞給父本栽植臂，父本栽植臂的動(dòng)力軸與母本栽植臂的動(dòng)力軸通過聯(lián)軸套相連，帶動(dòng)母本栽植臂運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)雜交水稻制種父母本栽植臂的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)傳動(dòng)軸又將動(dòng)力傳遞給橫向移箱機(jī)構(gòu)和縱向送秧機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雜交水稻制種父母本同栽的同步橫向送秧和縱向送秧。秧船、尾板位于插秧機(jī)栽植臂下部，可保證插秧機(jī)在田間工作時(shí)能夠平整刮泥，不傷秧。

1. 支撐臂；2. 移箱機(jī)構(gòu)；3. 縱向送秧機(jī)構(gòu)；4. 過埂器；5. 發(fā)引架；6，操向盤；7. 發(fā)動(dòng)機(jī)；8. 動(dòng)力架；9. 行走輪；10. 行走傳動(dòng)箱；11. 掛鏈；12.秧船；13. 工作傳動(dòng)箱；14. 尾輪；15. 秧箱；16. 母本直臂式栽植臂；17. 尾板；18. 母本彎臂式栽植臂；19. 父本彎臂式栽植臂。圖1　插秧機(jī)總體結(jié)構(gòu)Fig.1　Overall structure of the rice transplanter

表1插秧機(jī)工作性能參數(shù)

Table 1Designed parameters of the rice transplanter

設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)值父本行數(shù)/行2母本行數(shù)/行10父本行距/mm291母本行距/mm177父母本間行距/mm左238,右300父本穴數(shù)/(穴·hm-2)59720母本穴數(shù)/(穴·hm-2)392560父本秧齡/d20～35母本秧齡/d15～18父本穴距/mm140母本穴距/mm140每穴株數(shù)/株2～3插秧深度/mm一定范圍內(nèi)無級(jí)可調(diào)理論生產(chǎn)率/(hm2·h-1)≥0.300

其中，秧船通過掛鏈與插秧機(jī)頭部相連，保證了機(jī)器的穩(wěn)定性；尾板通過螺栓安裝在秧船底部。

2　關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1分插機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)是插秧機(jī)關(guān)鍵部件之一，它完成插秧的動(dòng)作，控制秧針的運(yùn)動(dòng)軌跡[7-10]。曲柄搖桿式分插機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的工作性能[11-15]，是目前獨(dú)輪乘坐式插秧機(jī)普遍使用的分插機(jī)構(gòu)。因此，所設(shè)計(jì)的插秧機(jī)采用曲柄搖桿式分插機(jī)構(gòu)。為滿足父母本插秧行距要求，父本秧苗栽植臂采用彎臂式栽植臂，8個(gè)母本秧苗栽植臂采用直臂式栽植臂，另有2個(gè)母本秧苗栽植臂采用彎臂式栽植臂，如圖2所示。彎臂式父本秧苗栽植臂與彎臂式母本秧苗栽植臂結(jié)構(gòu)基本相同，僅是秧針寬度不同。

左為直臂式栽植臂；右為彎臂式栽植臂圖2　兩種分插機(jī)構(gòu)栽植臂示意圖Fig.2　Schematic view of the two types of transplanting mechanism

(1)彎臂角度θ的確定

為保證插秧的同步性，彎臂式栽植臂和直臂式栽植臂的端蓋、秧針需在同一平面上，即兩者保持平行，且兩秧針長度相同，如圖2所示。彎臂設(shè)計(jì)時(shí)，需確定彎臂角度θ，如圖3所示。根據(jù)農(nóng)藝要求確定直臂式栽植臂行距為177 mm，彎臂式栽植臂行距分別為左側(cè)238 mm，右側(cè)300 mm。以左側(cè)行距238 mm為例：

Δ=2a

(1)

式(1)中，Δ為彎臂式栽植臂行距與直臂式栽植臂行距之差，經(jīng)測(cè)算，為61 mm。

由圖3可知：

a=lcosθ

(2)

式(2)中：a=30.5 mm，l為彎臂式栽植臂推秧器中心點(diǎn)與彎折位置點(diǎn)的連線。為使加工方便可靠，設(shè)計(jì)l為43 mm，θ為45°。

當(dāng)彎臂式栽植臂行距為300 mm時(shí)，為使加工方便和保證插秧質(zhì)量，θ仍為45°，通過增長鏈輪軸而保證行距。

(2)秧針強(qiáng)度校核

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：插秧機(jī)在插秧瞬間，秧針與地面近似為90°。直臂式栽植臂秧針加速度a1約為51.42 m·s-2，彎臂式栽植臂秧針加速度a2約為48.35 m·s-2。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律：

F=ma

(3)

得到直臂式栽植臂秧針?biāo)芰1為1.41 N，彎臂式栽植臂秧針?biāo)芰2為1.33 N。

插秧瞬間，秧針尖端的受力面積A約為0.039 2 mm2，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算公式

圖3　彎臂式分插機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3　Schematic view of curved transplanting mechanisms

(4)

得直臂式栽植臂秧針σ1為36MPa，彎臂式栽植臂秧針σ2為34MPa。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇秧針材料為45鋼[16]。

2.1.2分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析

秧針尖端運(yùn)動(dòng)軌跡能否滿足農(nóng)藝要求是決定分插機(jī)構(gòu)特性和工作性能要求的重要因素，是分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心前提。秧針尖端的運(yùn)動(dòng)軌跡包括靜軌跡與動(dòng)軌跡兩種[17]。靜軌跡指插秧機(jī)在進(jìn)行正常的插秧工作時(shí)，秧針尖端相對(duì)于機(jī)架的運(yùn)動(dòng)軌跡，包括取秧段、送秧段、插秧段、出土段和回程段5個(gè)階段；動(dòng)軌跡指插秧機(jī)在進(jìn)行正常的插秧工作時(shí)，秧針尖端相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)軌跡。

直臂式分插機(jī)構(gòu)和彎臂式分插機(jī)構(gòu)曲柄的轉(zhuǎn)速為263r·min-1，同時(shí)設(shè)置機(jī)組前進(jìn)速度為0和522.22mm·s-1，用于模擬分插機(jī)構(gòu)秧針尖端的靜、動(dòng)態(tài)軌跡。利用仿真軟件對(duì)分插機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算，并結(jié)合雜交水稻制種插秧機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)，建立相應(yīng)的測(cè)量函數(shù)，以便觀察和分析相應(yīng)參數(shù)對(duì)雜交水稻父母本秧苗移栽質(zhì)量的影響。

(1)秧針尖端運(yùn)動(dòng)軌跡

秧苗由取秧階段到栽植階段的運(yùn)動(dòng)軌跡是雜交水稻制種插秧機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心前提，是決定插秧機(jī)工作性能和栽植質(zhì)量的主要因素之一。兩種分插機(jī)構(gòu)秧針尖端靜、動(dòng)態(tài)軌跡曲線如圖4所示。

由圖4可知：兩種分插機(jī)構(gòu)的靜態(tài)軌跡呈魚擺線形，滿足前插式分插機(jī)構(gòu)的軌跡要求；從動(dòng)態(tài)軌跡看，秧針在送秧段的軌跡基本與地面垂直，且在接近地面時(shí)有前貼趨勢(shì)，有利于減少秧針的入土阻力。

(2)秧針尖端速度、加速度

秧針運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要包括秧針作業(yè)過程中各階段速度和加速度的變化規(guī)律及其對(duì)作業(yè)性能的影響，兩種分插機(jī)構(gòu)秧針尖端速度和加速度曲線分別如圖5和圖6所示。

綜合分析圖4、圖5、圖6可得：秧針在接近取秧點(diǎn)時(shí)，其速度逐漸增加，有助于順利取到秧苗；到達(dá)取秧點(diǎn)時(shí)，兩種分插機(jī)構(gòu)的秧針尖端速度均接近2.5m·s-1，均滿足前插式分插機(jī)構(gòu)對(duì)取秧速度的要求。秧針在送秧階段的速度呈遞減趨勢(shì)，到達(dá)入土點(diǎn)時(shí)速度較小，秧苗送秧階段軌跡與地面基本垂直，有利于秧苗的迅速下插；當(dāng)秧苗接近最深點(diǎn)時(shí)，推秧器開始推秧，到最深點(diǎn)完成栽植過程。從速度的變化區(qū)域來看，取秧段增速、插秧段減速等均符合插秧過程的農(nóng)藝要求。秧針尖端加速度在送秧階段比較平穩(wěn)，而在回程階段時(shí)快速增加，此時(shí)回程段軌跡與地面基本保持垂直，避免碰撞已插秧苗。

2.1.3分插機(jī)構(gòu)同步性能分析

兩種分插機(jī)構(gòu)是否能同步插秧對(duì)插秧機(jī)的性能有著至關(guān)重要的影響。

由圖4可知：直臂式分插機(jī)構(gòu)與彎臂式分插機(jī)構(gòu)秧針尖端的運(yùn)動(dòng)軌跡和變化趨勢(shì)幾乎相同，曲線擬合程度高。由圖5和圖6可知：兩種分插機(jī)構(gòu)秧針尖端的速度、加速度曲線變化趨勢(shì)幾乎相同，曲線擬合程度高，雖然直臂式分插機(jī)構(gòu)秧針尖端的速度、加速度峰值均比彎臂式分插機(jī)構(gòu)秧針尖端大，但兩者取秧和插秧動(dòng)作幾乎保持同步，可有效保證取秧和插秧的同步性。

a. 直臂式分插機(jī)構(gòu)秧針尖端靜態(tài)軌跡曲線；b. 彎臂式分插機(jī)構(gòu)秧針尖端靜態(tài)軌跡曲線；c. 直臂式分插機(jī)構(gòu)秧針尖端動(dòng)態(tài)軌跡曲線；d. 彎臂式分插機(jī)構(gòu)秧針尖端動(dòng)態(tài)軌跡曲線。圖4　兩種分插機(jī)構(gòu)秧針尖端靜、動(dòng)態(tài)軌跡曲線Fig.4　Static and dynamic trajectory curves of seedling needles of the two types of transplanting mechanisms

a. 直臂式分插機(jī)構(gòu)秧針尖端速度曲線；b. 彎臂式分插機(jī)構(gòu)秧針尖端速度曲線。圖5　兩種分插機(jī)構(gòu)秧針尖端速度曲線圖Fig.5　Velocity curves of seedling needles of the two types of transplanting mechanisms

a. 直臂式分插機(jī)構(gòu)秧針尖端加速度曲線；b. 彎臂式分插機(jī)構(gòu)秧針尖端加速度曲線。圖6　兩種分插機(jī)構(gòu)秧針尖端加速度曲線圖Fig.6　Acceleration curves of seedling needle of the two types of transplanting mechanisms

綜上分析可推斷，所設(shè)計(jì)的兩種插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)不僅滿足前插式分插機(jī)構(gòu)的性能要求，而且能夠保證同步取秧和插秧，同時(shí)滿足了父母本秧苗的穴距，設(shè)計(jì)合理。

2.2螺旋軸設(shè)計(jì)

2.2.1螺旋軸參數(shù)設(shè)計(jì)

國內(nèi)帶土苗插秧機(jī)都采用連續(xù)移箱方式，秧箱連續(xù)不斷地均勻移動(dòng)，移動(dòng)至兩端時(shí)秧箱各停歇一次然后換向，而移箱機(jī)構(gòu)軸為等速單向運(yùn)動(dòng)，可以減少間歇移箱而產(chǎn)生的慣性沖擊，便于提高效率。通常采用螺旋軸式移箱機(jī)構(gòu)[17]。

由于雜交水稻父本缽體苗每株寬度為20 mm，根據(jù)雜交水稻制種插秧機(jī)的農(nóng)藝要求，要滿足父母本同步橫向送秧，必須使插秧機(jī)秧箱橫向每次移距b為20 mm。

每一行程移箱次數(shù)[17]：

(5)

式(5)中：Bs為秧箱內(nèi)寬(mm)；b0為秧針寬度；Δbs為秧針與秧箱的側(cè)向間隙(mm)，取1～1.5 mm。

移箱行程：

Ss=nsb

(6)

螺旋軸螺旋線導(dǎo)程：

t=2b

(7)

螺旋軸回轉(zhuǎn)軌道的展開圖一般為正弦曲線[18]，且螺旋軸回轉(zhuǎn)軌道振幅滿足：

(8)

式(8)中：L為螺旋槽總長(mm)；A為回轉(zhuǎn)軌道曲線的振幅(mm)；a為螺旋槽槽頂寬(mm)。

根據(jù)插秧機(jī)設(shè)計(jì)要求，螺旋軸的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2，設(shè)計(jì)的螺旋軸如圖7所示，其回轉(zhuǎn)軌道展開如圖8所示。

表2螺旋軸參數(shù)

Table2Performancespecificationsofthescrewshaft

參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)值秧箱內(nèi)寬Bs/mm160秧針寬度b0/mm15秧針與秧箱的側(cè)向間隙Δbs/mm1每一行程移箱次數(shù)ns7移箱行程Ss/mm142螺旋槽槽頂寬a/mm5螺旋槽總長L/mm147螺旋軸螺旋線導(dǎo)程t/mm40回轉(zhuǎn)軌道曲線的振幅A/mm11

圖7　螺旋軸示意圖Fig.7　Schematic view of screw shaft

圖8　螺旋軸回轉(zhuǎn)軌道展開圖Fig.8　Stretch-out view of the rotary track of the screw shaft

2.2.2螺旋軸模態(tài)分析

插秧機(jī)移箱機(jī)構(gòu)螺旋軸振動(dòng)現(xiàn)象是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，嚴(yán)重的振動(dòng)影響移箱機(jī)構(gòu)工況穩(wěn)定性和工作安全性，并對(duì)橫向送秧的均勻性有直接影響。為了改善移箱機(jī)構(gòu)工作狀況、降低振動(dòng)噪聲，有必要對(duì)螺旋軸進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究[19-20]。

在三維制圖軟件中建立螺旋軸的三維模型，導(dǎo)入有限元分析軟件中。定義單元類型為SOLID45；添加材料屬性，螺旋軸材料為40Cr，其密度為7 820 kg·m-3，彈性模量E為2.068e11 Pa，泊松比μ為0.29；進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分；定義分析類型為模態(tài)分析，設(shè)定分析階數(shù)為6。根據(jù)插秧機(jī)實(shí)際工況，螺旋軸兩端添加固定約束，軸肩面添加Z向約束，求解得到的分析結(jié)果如表3所示。

根據(jù)模態(tài)分析理論可知：螺旋軸工作時(shí)，所受載荷的頻率一般較低，其振動(dòng)是由低階模態(tài)起主導(dǎo)作用，高階模態(tài)對(duì)中心軸振動(dòng)影響較小[19-20]。

表3各階模態(tài)分析結(jié)果

Table 3Analysis results of each step

步數(shù)時(shí)頻載荷步子步累加1487.391112958.3212231572.213342605.414453283.115565103.8166

設(shè)計(jì)的螺旋軸工作轉(zhuǎn)速為n=325 r·min-1，則對(duì)應(yīng)的激振頻率為：

(9)

式(9)中，ωn為角速度。

由計(jì)算結(jié)果可知，螺旋軸的激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其第一階固有頻率，因此，所設(shè)計(jì)的插秧機(jī)正常運(yùn)行時(shí)螺旋軸不會(huì)發(fā)生共振。

3　田間試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)條件與方法

2014年6月17日在安徽天長市萬壽鎮(zhèn)百子村進(jìn)行了雜交水稻制種父母本同栽插秧機(jī)田間性能試驗(yàn)，并以人工栽插為對(duì)照。試驗(yàn)地共劃分6個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長100 m，寬53 m。人工栽插規(guī)格為：母本170 mm×200 mm，父本240 mm×210 mm，父母本行間距190 mm，行數(shù)與機(jī)插秧一致。

栽植秧苗：選用兩系雜交稻皖稻153，機(jī)插父本為RH003缽體苗，機(jī)插母本為1892S毯狀苗；人工栽插父母本均采用毯狀苗。為使父母本秧苗花期同遇，父本比母本早15 d育秧，母本秧齡15 d，父本秧齡30 d。

測(cè)試參數(shù)與方法：傷秧率、漂秧率、漏插率、翻倒率、插秧深度合格率、相對(duì)均勻度合格率、母本秧苗平均行距、父本秧苗平均行距、父母本秧苗平均行間距。成熟期調(diào)查各小區(qū)40株，計(jì)算有效穗數(shù)；每行取代表性植株1株，考查穗粒數(shù)、粒重和結(jié)實(shí)率；對(duì)每行母本實(shí)收測(cè)產(chǎn)，計(jì)算制種產(chǎn)量，并將機(jī)插秧與人工栽插結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

檢測(cè)方法：參考GB/T 20864—2007 水稻插秧機(jī)技術(shù)條件[21]。

3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1插秧機(jī)田間性能結(jié)果分析

由表4田間試驗(yàn)結(jié)果可知：雜交水稻制種父母本同栽插秧機(jī)父本秧苗和母本秧苗的傷秧率分別為2.7%，2.4%，漂秧率分別為2.2%，2.0%，漏插率分別為3.1%，3.2%，翻倒率分別為2.5%，2.1%，插秧深度合格率均為94%，相對(duì)均勻度合格率分別為90.5%，91.8%，母本秧苗平均行距為177.5 mm，父本秧苗平均行距為291.4 mm，父母本秧苗平均行間距為左側(cè)238.2 mm、右側(cè)300.4 mm。機(jī)器生產(chǎn)率為0.35 hm2·h-1，是人工插秧的35倍，比母本插秧機(jī)提高25%，整機(jī)性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，綜合性能達(dá)到插秧機(jī)行業(yè)和國家標(biāo)準(zhǔn)要求[21]。

由于父本秧苗秧齡長于母本秧苗，秧苗粗壯高大，雖根據(jù)該特性對(duì)父本分插機(jī)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，但仍有一些父本秧苗在栽插時(shí)更易發(fā)生損傷和折斷，導(dǎo)致父本秧苗的傷秧率、漂秧率和翻倒率較母本秧苗更高，為今后的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供了設(shè)計(jì)思路和方向。

表4插秧機(jī)田間性能試驗(yàn)結(jié)果

Table 4Performance parameters of the rice transplanter

項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果父本母本性能指標(biāo)要求傷秧率/%2.72.4≤4漂秧率/%2.22.0≤3漏插率/%3.13.2≤5翻倒率/%2.52.1≤3插秧深度合格率/%9494≥90相對(duì)均勻度合格率/%90.591.8≥85母本秧苗平均行距/mm177.5177±1父本秧苗平均行距/mm291.4291±1父母本秧苗平均行間距/mm左238.2右300.4左238±1右300±1生產(chǎn)率/hm2·h-10.35≥0.30

由于水田作業(yè)工況復(fù)雜，地表高低起伏，土壤物理及機(jī)械性能不同，實(shí)際插秧作業(yè)時(shí)，行走速度等參數(shù)是連續(xù)變化的，對(duì)生產(chǎn)率也有影響。特別需要指出的是，本研究所測(cè)的傷秧率、漂秧率、漏插率、翻倒率、插秧深度合格率、相對(duì)均勻度合格率等性能指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)是連續(xù)變化數(shù)值，而非定值。

3.2.2產(chǎn)量指標(biāo)結(jié)果分析

田間試驗(yàn)后進(jìn)行追蹤記錄得到：機(jī)插秧13 d后父本進(jìn)入分蘗期，63 d后進(jìn)入孕穗期；機(jī)插秧15 d后母本進(jìn)入分蘗期，66 d后進(jìn)入孕穗期。父本抽穗歷期完整覆蓋母本是父母本花期相遇的標(biāo)志之一。父本8月29日始穗，9月4日齊穗，9月6日完穗，較母本早1天始穗，遲1天完穗，父母本同一天齊穗。

水稻制種產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)如表5所示。分析可知，相同栽插行數(shù)情況下，機(jī)插秧制種產(chǎn)量比人工栽插高7.89%，同時(shí)機(jī)插秧的每穗實(shí)粒數(shù)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、有效穗數(shù)和千粒重均高于人工栽插，整機(jī)性能達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表5機(jī)插秧與人工栽插制種產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)對(duì)比

Table 5Comparison of seed production yield and yield constitution between transplanting and manual planting

插秧方式母本行數(shù)每穗實(shí)粒數(shù)每穗總粒數(shù)結(jié)實(shí)率/%有效穗數(shù)/(×104·hm-2)千粒重/g產(chǎn)量/(kg·hm-2)機(jī)插秧1069.2154.844.7171.826.12810.9人工栽插1066.3152.143.6151.725.02605.3

4　結(jié)論

(1)本研究提出了父本采用缽體苗、母本采用毯狀苗的一套機(jī)械化移栽方法，滿足了父母本花期相遇的農(nóng)藝要求，實(shí)現(xiàn)了雜交水稻制種父母本秧苗機(jī)械同步栽插，提高了制種效率，降低了制種成本。

(2)經(jīng)仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，直臂式分插機(jī)構(gòu)與彎臂式分插機(jī)構(gòu)秧針尖端的運(yùn)動(dòng)軌跡和變化趨勢(shì)基本相同，取秧、送秧動(dòng)作一致，滿足父母本秧苗穴距的要求。

(3)田間試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的雜交水稻制種父母本同栽插秧機(jī)工作可靠，能顯著提高父母本插秧質(zhì)量，生產(chǎn)率為0.35 hm2·h-1，父本秧苗和母本秧苗的傷秧率分別為2.7%，2.4%，漂秧率分別為2.2%，2.0%，漏插率分別為3.1%，3.2%，翻倒率分別為2.5%，2.1%，插秧深度合格率均為94%，相對(duì)均勻度合格率分別為90.5%，91.8%，各項(xiàng)指標(biāo)均符合機(jī)動(dòng)插秧機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

(4)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，父本抽穗歷期完整覆蓋母本，分析試驗(yàn)結(jié)果可知，相同栽插行數(shù)情況下，機(jī)插秧制種產(chǎn)量比人工栽插高7.89%，同時(shí)機(jī)插秧的每穗實(shí)粒數(shù)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、有效穗數(shù)和千粒重均高于人工栽插，整機(jī)性能達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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(責(zé)任編輯高峻)

Design of a rice transplanter used to synchronously transplant parental seedlings for hybrid rice seed production

XIONG Wei1， ZHU De-quan1，2，*， ZHU De-wen3， WU Li-quan2， WANG Chao-xian1， WU Zuo-long4

(1.SchoolofEngineering，AnhuiAgriculturalUniversity，Hefei230036，China; 2.CenterofCollaborativeInnovationofAnhuiGrainCrops，Hefei230036，China; 3.NanjingAgriculturalMechanizationInstitute，MinistryofAgriculture，Nanjing210014，China; 4.TianchangWanshouMachineryCo.Ltd.，Tianchang239300，China)

At present， planting the parental seedlings for hybrid rice seed production was carried out artificially， which had a lot of problems such as large labor intensity， low production efficiency， high cost， etc. A kind of rice transplanter was developed to plant the parental seedlings synchronously as two lines of paternal seedlings and ten lines of maternal seedlings. The machine was developed based on 2ZT-9358 riding rice transplanter， according to the requirements of seed production of hybrid rice. The key structure parameters were determined， and the design of parental seedling transplanting mechanisms， the screw shaft of the box-transferring mechanism and other key components were determined. Field test showed that the operating performance of the designed transplanter was pretty good.Its productivity was 0.35 hm2·h-1， the paternal and maternal damaged seedling rate were 2.7%， 2.4%， respectively， the floating seedling rate were 2.2%， 2.0%， respectively， the miss planting hill rate were 3.1%， 3.2%， respectively， the laid seedling hill rate were 2.5%， 2.1%， respectively， the percent of pass of planting depth were both 94%， and the percent of paternal pass of relative uniformity were 90.5%， 91.8%， respectively， which were all in line with the national standard for rice transplanter (GB/T 20864-2007). In conclusion， the designed rice transplanter could meet the actual requirements for hybrid rice seed production.

hybrid rice; transplanting parental seedlings synchronously; modal analysis; field test; hybrid rice seed production

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.04.25

2015-09-11

國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(2014GB2C300002)；安徽省長三角科技聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目(1301C063006)

熊瑋(1990—)，女，安徽馬鞍山人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法。E-mail: xw19902004@163.com

，朱德泉，E-mail: zhudequan@ahau.edu.cn

S223.91+2

A

1004-1524(2016)04-0699-08

熊瑋，朱德泉，朱德文，等. 雜交水稻制種父母本同栽插秧機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2016，28(4)： 699-706.