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为解决水稻种子机械化收获时破损率高、脱粒率低和夹带损失率高等问题，研究人员开展低损伤柔性滚筒脱粒元件的设计与测试研究。结果表明优化参数下可降低损失率，满足水稻种子高质量收获要求，推动农业机械化发展。
在农业生产的大舞台上，水稻作为世界主要粮食作物之一，其种子的收获环节却面临着诸多挑战。随着人口的持续增长和耕地面积的减少，培育优良水稻品种并高效收获种子显得尤为重要。然而，目前水稻种子生产主要依赖联合收割机进行收获，在脱粒过程中，种子与脱粒装置的刚性表面碰撞容易受损，这直接影响了种子后续的发芽率。而且，种子破损率还受到水稻品种、含水量和成熟度等多种因素的影响。面对这些难题，如何在收获过程中减少种子损伤、提高脱粒效率，成为了农业领域亟待解决的问题。
海南大学的研究人员勇挑重担，针对这些问题开展了深入研究。他们致力于设计一种低损伤柔性滚筒形脱粒元件，并通过一系列研究确定了其最佳工作参数，验证了该元件在降低种子破损率和损失率方面的显著效果。这一研究成果发表在《Scientific Reports》上，为水稻种子收获提供了新的解决方案，对推动农业机械化发展具有重要意义。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是建立数学模型，通过对脱粒过程的力学分析，确定脱粒元件对水稻种子的最大法向冲击力；二是构建基于离散元法（DEM）的水稻模型，根据水稻的物理和生物学特性，建立了包含稻穗、叶片和空心茎的模型，并通过试验获取模型参数；三是进行仿真优化试验，以滚筒转速、喂入量和脱粒间隙为试验因素，以破损率和损失率为试验指标，开展三因素五水平正交旋转组合试验，确定最佳工作参数；四是开展田间收获验证试验，在海南东方市进行实地试验，验证优化结果的可靠性。
研究结果
- 低损伤柔性脱粒滚筒设计：研究人员设计了一种以 EPDM 橡胶为材料的滚筒形柔性脱粒元件，该元件中心厚、两端渐细。相比传统钢钉齿，其结构可有效减少法向冲击力，增强切向摩擦力，降低种子破损率。通过力学分析建立了脱粒过程中法向接触力模型，并确定了脱粒元件的结构参数，顶部直径为 19mm，滚筒体直径为 29mm，脱粒元件高度为 103mm。
- 基于离散元法的水稻模型构建：针对 “Shuyounuo No. 81” 水稻品种，构建了包含稻穗、叶片和空心茎的离散元模型。为准确反映水稻空心茎的力学特性，构建了多级空心茎模型，并通过拉伸和剪切试验获取模型参数，包括各部件的刚度、临界应力等。经试验验证，该模型能够准确反映水稻的物理特性，为后续仿真分析提供了可靠基础。
- 仿真优化试验结果：通过三因素五水平正交旋转组合试验，研究人员分析了滚筒转速、喂入量和脱粒间隙对脱粒过程中法向力、切向力和损失率的影响。结果表明，对法向力影响从大到小的因素依次为脱粒间隙、喂入量和滚筒转速；对切向力影响从大到小的因素依次为滚筒转速、喂入量和脱粒间隙；对损失率影响从大到小的因素依次为脱粒间隙、滚筒转速和喂入量。通过多目标优化，确定了 EPDM 滚筒齿的最佳工作参数：滚筒转速为 900rmp，喂入量为 3.734kg/s，脱粒间隙为 23.214mm。在此参数下，预测法向力为 18.05N，切向力为 12.96N，损失率为 0.929%。
- 田间验证试验结果：在海南东方市进行的田间验证试验中，使用优化后的工作参数对 EPDM 滚筒齿和钢钉齿进行对比测试。结果显示，在相同操作条件下，柔性钉齿的破损率比钢钉齿降低了 55.9%，损失率降低了 15.3%。同时，柔性脱粒装置排出的秸秆完整性更高，间接表明其减少了对水稻的法向冲击。
研究结论与讨论
本研究成功设计出低损伤滚筒形脱粒元件，并通过离散元建模从微观层面分析了脱粒过程，结合正交旋转组合试验，有效解决了种子破损率与脱粒率之间的矛盾关系。确定的最佳工作参数为实际生产提供了科学依据，田间试验结果也充分验证了柔性滚筒形脱粒元件在减少种子损伤和损失方面的有效性。这一研究成果不仅为水稻种子收获提供了创新的解决方案，也为其他农作物种子收获技术的改进提供了参考，对推动农业机械化向高效、低损方向发展具有重要意义。未来，研究人员可进一步探索不同水稻品种和环境条件下该脱粒元件的适应性，持续优化脱粒技术，为农业现代化贡献更多力量。
