基于离散元分析的花生挖掘铲作业性能优化与参数调控研究

针对花生收获过程中挖掘铲作业阻力大、磨损严重等问题，本研究通过离散元软件(EDEM)建立铲-土-根系统交互模型，采用Hertz-Mindlin with JKR接触模型和Archard Wear模型模拟作业过程，结合Design-Expert分析得出：当挖掘深度10 cm时，工作速度0.86 m/s、入土角24.95°、滑切角42.36°可使阻力最小；速度0.8 m/s、入土角24°、滑切角44°时磨损最低。该研究为土壤耕作部件参数优化提供了新方法。

　　

花生作为全球重要的经济油料作物，其机械化收获过程面临严峻挑战。挖掘作为收获的首要环节，传统挖掘铲在复杂土壤环境中长期作业时，不仅面临巨大阻力导致能耗增加，还会因严重磨损影响作业效率。目前针对根茎类作物土壤耕作部件的研究多集中于马铃薯等作物，且普遍存在模型适用性不足、参数优化系统性欠缺等问题。

为解决这一技术瓶颈，青岛农业大学机电工程学院的Hao Yang团队创新性地将离散元分析(DEM)应用于花生收获领域。研究以4HB-2A花生联合收获机配备的梯形对称挖掘铲为对象，通过建立铲-土-花生根系交互的离散元模型，首次实现了对挖掘过程中动态阻力与磨损特性的精准模拟。论文发表于农业工程领域重要期刊《Information Processing in Agriculture》。

研究采用多学科交叉的技术路线：首先通过五点采样法获取成熟期花生根区土壤，结合环刀试验和干燥法测定土壤密度与含水率；其次运用EDEM软件建立包含四种粒径土壤颗粒和简化花生根系的三维模型；关键创新在于采用Hertz-Mindlin with JKR模型模拟土壤颗粒间粘附力，应用Archard Wear模型预测铲面磨损；最后通过四因素三水平正交试验设计，结合Design-Expert软件进行参数优化。

材料与方法

研究团队在青岛胶州市花生田采集典型棕壤，通过筛分将土壤颗粒分为四类并相应放大模拟粒径。挖掘铲按1:1比例建模导入EDEM，花生根系简化为20 cm长的主根模型。采用Hertz-Mindlin with JKR接触模型准确模拟土壤颗粒间由表面张力产生的水分粘附效应，其核心公式包含等效杨氏模量E和等效半径R计算。磨损分析采用Archard理论，建立磨损深度H_m与法向载荷F_n、滑动距离L的定量关系。

结果与讨论

多因素试验表明：挖掘深度对作业阻力的影响占主导地位，当深度从10 cm增至14 cm时，阻力从126.74 N激增至232.32 N；而工作速度0.8-1.2 m/s范围内，速度与阻力的关系呈线性增长趋势。值得注意的是，入土角在达到24.95°后，继续增大反而会降低阻力，这与传统认知形成有趣反差。

参数优化结果显示两组最佳组合：阻力最小化方案（0.86 m/s, 24.95°, 42.36°）使阻力降至129.1 N，与预测值误差仅1.8%；磨损最小化方案（0.8 m/s, 24°, 44°）对应的磨损量为5.37×10^-8 mm。磨损云图分析揭示：铲刃右侧破土尖部位呈现显著红色区域，实测最大磨损深度达1.7×10^-7 mm，与田间实际磨损位置高度吻合。

结论与意义

该研究通过离散元仿真与田间试验的对比验证，首次系统阐明了花生挖掘铲作业参数与性能指标的定量关系。创新点在于：建立考虑根系作用的铲-土耦合模型，突破传统土壤耕作部件研究中忽略作物根系影响的局限；提出基于Archard理论的磨损预测方法，实现磨损部位的精准定位。研究成果不仅为花生收获机械的节能降耗提供理论依据，其建立的JKR-Cohesion模型参数体系还可推广至其他根茎类作物（如马铃薯、山药）的土壤耕作部件研究。特别值得注意的是，研究发现当入土角接近25°时会出现阻力拐点，这一现象为后续土壤动力学研究提供了新方向。

实际应用方面，研究给出的参数优化组合可使4HB-2A收获机在标准作业深度下降低阻力18.7%，同时延长挖掘铲使用寿命30%以上。该成果已应用于山东花生主产区的机械化收获作业，为农业装备的智能化设计提供了重要范式。未来研究可进一步结合有限元分析，探究结构-参数协同优化对综合性能的提升潜力。