《Computers and Electronics in Agriculture》：Development and evaluation of a novel convex-wheel furrow leveller for enhancing maize seeding precision based on DEM-MBD coupled simulation
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针对高速精密播种中种子落土反弹导致播种均匀性下降的问题，基于种子-土壤能量耗散机制研发新型凸轮式起沟整平器（CWFL），建立多体动力学（MBD）与离散元法（DEM）耦合仿真模型，通过中心复合设计实验优化结构参数（18个凸轮单元，14.46mm凸轮直径，23.62mm压穴深度），验证模型误差小于5%，田间试验表明其播种均匀性系数（CV）显著优于传统起沟器（分别降低4.04%、1.74%、4.00%、4.26个百分点）。研究为高速精密播种设备结构优化提供理论支撑。
Xian Jia|Yiming Zhao|Xiaojun Gao|Youming Yang|Pengfei Zhao|Gang Guo|Shilin Zhang|Yuxiang Huang|Chongqin Zhang
西北农林科技大学机械与电子工程学院，中国杨陵712100
摘要
为了解决精准播种过程中种子落入土沟后反弹导致的播种均匀性下降问题，基于种子与土壤相互作用的能量耗散特性，开发了一种新型凸轮轮式沟平整器（CWFL）。建立了一个结合多体动力学（MBD）和离散元方法（DEM）的耦合仿真模型，用于分析和优化CWFL的结构参数。通过以凸轮单元数量（Nc）、凸轮直径（Φc）和压孔深度（HPD）为因素进行中央复合设计（CCD）实验，同时使用种子间距变异系数（cv1）作为播种均匀性的评价指标。拟合了一个二次多项式回归模型来描述因素与响应之间的关系。最终确定的最佳结构参数为：Nc = 18，Φc = 14.46 mm，HPD = 23.62 mm。通过结合安息角（AOR）和穿透模拟（PS）误差指标对模型进行了验证，结果表明总模拟误差（ETotal）低于5%，证明了模拟的高可靠性。在8–14 km·h?1的行进速度下进行的田间实验表明，CWFL的cv1值分别为6.43%、9.53%、10.77%和12.87%，显著低于传统犁式沟平整器（PFL的相应值（10.47%、11.27%、14.77%和17.13%）。这些发现证实了CWFL显著提高了播种均匀性。本研究为提高高速精准玉米播种系统的种子放置稳定性和结构优化提供了理论和技术支持。
引言
在高速精准玉米播种过程中，由于种子计量频率和传输速度的增加，控制种子下落过程中的运动变得非常困难（Liao等人，2020年，Liao等人，2023年）。这导致种子释放、引导和接触土壤等关键环节出现位置偏差，最终导致种子间距的均匀性显著下降（Bai等人，2025年，Liao等人，2023年，Lu等人，2023年，Shi等人，2019年，Du等人，2023年，Zhao等人，2018年）。
为了解决这些问题，许多研究人员提出了相应的解决方案。Li等人（2022年）为气动精准计量装置引入了一种线性种子释放策略，并通过测试验证了其有效性。Dong等人（2023年，Dong等人，2024年）开发了一种带有种子引导机制的新型姿态控制引导种子计量系统，以稳定种子方向并提高高速播种性能。在种子引导方面，Chen等人（2022年）开发了一种模块化引导管，以适应不同的播种速度。Jia等人（2024年）提出了一种汇聚引导结构，以提高种子引导的稳定性。Lei等人（2021年）分析了管内气流引起的种子运动，以减少分布变化。然而，种子在沟内的释放后行为仍不甚明了，缺乏有效的土壤约束继续影响田间播种质量（Jia等人，2024年，Jia等人，2026年）。因此，本研究提出了一种基于沟槽的种子定位新技术，以提高高速精准播种过程中的种子间距均匀性。
种子与土壤的接触定位是指种子离开引导机构后接触沟槽土壤，将其动能耗散至零并完全停止的过程（Wang等人，2020年）。由于沟槽内土壤环境的复杂性和可变性，控制种子撞击后的运动轨迹变得更加困难（Jia等人，2024年；Liu等人，2025年）。目前，主要有三种方法用于减少种子接触土壤后的位移：1）通过引导机制减少着陆能量，例如低释放高度设计和优化引导路径，这有助于最小化种子着陆时的速度和相对冲击（Jia等人，2024年，Karayel等人，2022年，Yost等人，2019年，Yan等人，2022年）；2）着陆后定位措施，在引导系统后添加被动组件如种子压轮或压舌，施加向下压力以减少种子反弹（Wang等人，2020年）；3）改变沟槽土壤性质，通过重塑沟槽或准备苗床来改善土壤条件，直接抑制种子反弹（Wang等人，2019年，Wang等人，2020年）。虽然前两种方法对种子运动施加了严格的机械约束，并在一定程度上有效限制了反弹，但它们通常需要对种子姿态和操作速度进行严格控制，从而限制了其适应性（Jia等人，2016年）。相比之下，第三种方法——改变种子-土壤相互作用——提供了一个更根本的解决方案。然而，种子-土壤相互作用的机制仍不甚清楚。因此，详细研究种子在沟槽中的碰撞行为并据此开发灵活的约束机制来控制种子运动至关重要。因此，设计了一种新型凸轮轮式沟平整器（CWFL），以重塑沟底，创建结构化的微腔层，并减少种子下落后的位移。
近年来，离散元方法（DEM）及其与多体动力学（MBD）的耦合在农业工程中得到了广泛应用，特别是在机械设计和优化方面（Bi等人，2024年，Wang等人，2023年，Zhao等人，2023年）。Kim等人（2022年）使用DEM-MBD评估了耕作深度对拖拉机牵引力的影响；Li等人（2025年）应用相同的方法研究了免耕覆盖和压实装置的坡度适应性；He等人（2025年）利用MBD-DEM耦合研究了无底播种机的振动特性。DEM能够模拟粒子级别的动力学，而MBD则控制机械的复杂运动约束（Li等人，2025a，Li等人，2025b）。
总结来说，本研究的具体目标是：（1）提出一种基于沟槽的种子定位技术，利用凸轮轮压印机制提高高速精准玉米播种过程中的种子间距均匀性；（2）通过DEM-MBD耦合仿真研究种子接触土壤后的微观运动特性；（3）通过不同操作速度下的田间实验验证所提出的设计。
材料
本研究的主要实验材料是土壤和玉米种子。土壤来自中国山东诸城的威柴洛沃尔智能农业有限公司。该土壤被分类为沙质粘壤土，含水量为19.31%，容重为2.50 g cm?3。本研究选择了在中国西北部广泛种植的Howell-20（渭天源公司，甘肃省武威市）玉米种子，其千粒重为359.20 g。
仿真模型校准
使用安息角（AOR）和穿透应力（PS）测试对DEM土壤模型进行了校准。每个测试重复三次以减少随机误差。校准结果见表4。模拟值和测量值的AOR分别为41.03°和42.76°，PS分别为257.76 kPa和252.25 kPa。总体相对误差计算为3.46%，低于5%的阈值，表明
结论
本研究提出了一种新型凸轮壳式沟平整器，用于提高高速精准玉米播种过程中的种子放置均匀性。建立了DEM-MBD耦合仿真框架来揭示种子-土壤接触机制，并通过田间验证确认了其实际性能。主要研究结果如下：
(1)基于种子-土壤能量耗散机制，开发了一种新型凸轮轮式沟平整器（CWFL），以提高高速播种时的种子均匀性
作者贡献声明
Xian Jia：撰写 – 原始草案，可视化，方法论，调查，概念化。Yiming Zhao：可视化，软件，调查，形式分析，概念化。Xiaojun Gao：方法论，概念化。Youming Yang：可视化，软件，调查。Pengfei Zhao：调查，概念化。Gang Guo：资源，方法论。Shilin Zhang：软件，概念化。Yuxiang Huang：监督，资源，方法论。Chongqin Zhang：方法论，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：32372009）、国家重点研发计划（资助编号：2021YFD2000404，资助编号：2021YFD2000405）的支持。
