用于评估自旋下降式秸秆切割机性能的秸秆-土壤切割系统相互作用的DEM仿真

《Computers and Electronics in Agriculture》：DEM simulation of straw-soil-cutting system interactions for performance assessment of a spin-descent straw cutter

秸秆覆盖检测中新型旋降切割器的开发与优化研究。通过整合稳定环与旋转下降分离柱设计，结合离散元素法（DEM）模拟土壤-秸秆-刀片相互作用，对比锯齿形、波纹形和缺口形三种刀片性能，采用响应面法和小目标优化确定最优参数（287N下压力，230rpm转速，10mm插入深度），验证模型误差小于12%，为精准秸秆检测提供技术支撑。

　　在现代农业实践中，精准测量秸秆覆盖量对于评估保护性耕作效果和优化作物残余管理至关重要。秸秆覆盖量，通常指覆盖在土壤表面的秸秆质量，不仅影响土壤结构和水肥保持能力，还在碳循环调节和温室气体减排中发挥着重要作用。因此，建立一种能够有效区分采样框内外秸秆质量的测量方法，成为提升农业可持续性的重要课题。目前，传统的秸秆覆盖量测量方法主要依赖人工采样，包括随机选取地块、收集和称重秸秆，再进行结果外推。然而，这种方法存在显著的局限性，如操作繁琐、耗时较长，且容易受到人为误差的影响，特别是在准确识别采样框内外秸秆分布方面。为解决这些问题，研究者们开始探索机械化和智能化的测量技术，以提高测量的效率和准确性。

本文提出了一种新型的旋降式秸秆切割器，旨在通过高效的秸秆分离机制实现精准的覆盖量测量。该切割器设计上结合了稳定环和旋转下降分离柱，形成了一种集成结构。稳定环的作用是压紧秸秆，以减少其在切割过程中的移动，而旋转下降分离柱则通过同时旋转和下降的运动方式，实现对采样框边界处秸秆的切割与分离。这种结构在以往的研究中并未被报道，因此具有一定的创新性。为了进一步验证切割器的性能，研究团队采用离散元方法（DEM）建立了秸秆-土壤-切割系统的模拟模型，并对三种不同类型的刀片（锯齿形、波浪形和缺口形）进行了比较分析。此外，研究还运用了响应面法和多目标优化技术，以平衡切割效率、能耗和土壤扰动面积等关键指标。

在实验设计方面，研究团队通过设置一系列数值模拟实验，系统地分析了关键操作参数对切割器性能的影响。这些参数包括旋转速度、向下压力和插入深度。通过采用Box-Behnken设计（BBD），研究能够在较少的实验次数下，有效探索这些参数之间的非线性相互作用。BBD的优势在于它能够适应复杂的参数组合，同时避免极端参数值带来的安全隐患或机械问题，从而提高实验的可行性和数据的可靠性。实验结果表明，不同刀片类型在切割效率、能耗和土壤扰动方面表现出显著差异，其中锯齿形刀片在这些指标之间取得了最佳的平衡，展现出较高的综合性能。

在模型构建与模拟方法方面，研究团队使用了EDEM商业软件，建立了一个土壤-秸秆-切割系统的交互模型。考虑到玉米秸秆的基本物理特性，模型被简化为外层纤维层和内层核心结构，而髓腔和详细的木质化结构则被忽略，以提高计算效率。这种简化方式在以往的类似研究中已被广泛采用，例如Li等人（2024）的研究中也采用了类似的模型结构。通过这种建模方式，研究能够更高效地模拟切割过程，并分析刀片与土壤、秸秆之间的相互作用。模拟过程中，研究团队还结合了DEM与其他数值模拟方法，如有限元法（FEM）和计算流体力学（CFD），以更全面地研究切割工具在复杂土壤环境中的应力和磨损机制。此外，DEM与多体动力学（MBD）的结合也被用于提高动态响应分析的准确性，为农业机械的结构优化提供了有力支持。

在实验验证方面，研究团队通过台架试验对DEM模型进行了验证，实验结果与模拟预测之间的误差控制在12%以内，表明模型具有较高的可信度。台架试验不仅验证了切割器在实际工作条件下的性能，还为后续的参数优化提供了可靠的数据支持。试验中，研究团队重点考察了切割效率、能耗和土壤扰动三个关键指标，并通过设计专家软件对实验数据进行了分析，以确定最佳的参数组合。结果显示，锯齿形刀片在旋转速度230 rpm、向下压力287 N和插入深度10 mm的条件下，实现了最高的切割效率，同时保持了较低的能耗和较小的土壤扰动面积。这一发现为切割器的设计和优化提供了明确的指导，同时也为未来自动化秸秆覆盖量检测技术的发展奠定了基础。

在性能分析方面，研究团队对三种刀片类型进行了全面比较。结果显示，缺口形刀片虽然在能耗方面表现最优，但其对土壤的扰动较大，可能会影响后续的土壤质量评估。波浪形刀片则表现出较高的能耗，但其切割效率和土壤扰动控制能力相对较弱。相比之下，锯齿形刀片在切割效率、能耗和土壤扰动之间达到了最佳的平衡，因此被选为最优刀片类型。这种刀片的结构特点使其在切割过程中能够有效控制秸秆的分布，从而减少测量误差，提高检测精度。研究团队还通过期望函数对不同刀片类型的综合性能进行了评估，进一步确认了锯齿形刀片的优越性。

此外，本文的研究不仅关注了切割器的结构设计，还深入探讨了不同工作参数对切割效率和能耗的影响。通过系统的参数优化，研究团队确定了最佳的切割参数组合，为切割器的实际应用提供了科学依据。这种参数优化方法在农业机械设计中具有重要的意义，因为它能够帮助工程师在有限的资源条件下，找到最符合实际需求的解决方案。同时，研究团队还提出了一个经过验证的模拟-优化框架，该框架可以用于指导未来切割器的设计，并拓展其在保护性耕作领域的应用。

综上所述，本文的研究成果为实现精准、高效的秸秆覆盖量测量提供了新的思路和技术手段。旋降式秸秆切割器的设计创新，使得在采样框边界处的秸秆分离更加可控，从而提高了测量的准确性。同时，通过DEM模型的建立和参数优化，研究团队为切割器的性能提升提供了坚实的理论支持和实验验证。本文的研究不仅有助于推动保护性耕作技术的发展，也为农业机械化和智能化的进程提供了重要的参考价值。未来，随着相关技术的进一步成熟和应用，这种新型切割器有望在更大范围内推广，为农业可持续发展做出积极贡献。