基于离散元方法的机理研究：集料装置对稻草的扰动及抛掷过程

《Computers and Electronics in Agriculture》：Discrete element method–based mechanistic investigation of rice straw disturbance and throwing by a gathering device

秸秆清除效率影响因素及耦合机制研究。基于离散元法（DEM）分析水稻秸秆与清选设备相互作用机制，探究旋转速度与弹簧齿长度对清除效率的影响规律，田间试验验证最优参数（210r/min，140mm）使秸秆残留减少6.67%，揭示后退携带和二次抛撒为主要残留成因。

　　

许亚楠|唐涵|王长宇|王琪|朱桂轩|王金武

中国哈尔滨市东北农业大学工程学院，邮编150030

摘要

水稻收割后，大量的秸秆残余物以及难以处理的秸秆清除问题严重影响了后续田间作业的效率。由于缺乏系统性的研究方法来阐明秸秆清除设备与水稻秸秆之间的相互作用机制，秸秆清除过程的核心影响因素仍不清楚。本研究采用离散元方法（DEM）分析了影响秸秆清除效率和残余秸秆量的主要因素，研究了耙具旋转速度与弹簧齿长度与秸秆残余量之间的相关性，并深入阐明了耙草过程中秸秆的抛射机制。通过田间试验进一步验证了模拟结果的准确性。结果表明，秸秆收集效率随着设备旋转速度和齿长的增加先提高后降低。在最佳条件（旋转速度210 r/min，齿长140 mm）下，秸秆残余量相比农艺要求减少了6.67%。残余秸秆主要归因于设备的反向携带和二次抛射。本研究建立的DEM模拟方法阐明了秸秆与清除设备之间的相互作用机制，为优化水稻秸秆清除装置的设计和性能分析提供了有价值的见解。

引言

中国东北地区以水稻种植为主。其独特的黑土环境为水稻生长提供了丰富的养分和良好的土壤结构（Wang等人，2021年）。在中国寒冷的东北地区，单季水稻的主要收集方法包括全喂和半喂联合收集方式。收割后，机器可以将水稻秸秆压碎至8–10厘米并均匀散布在田地里，随后使用秸秆粉碎机或秸秆还田机将其埋回田中。传统的秸秆还田机埋藏深度较浅，而寒冷的气候阻碍了秸秆的分解，这可能导致未发酵的秸秆残留，这些秸秆在搅动泥浆时可能会浮到土壤表面，从而影响后续的移栽工作（Tang等人，2023a年）。

为了解决上述技术问题，许多学者研究了更高效的秸秆埋藏和还田技术。秸秆被收集并深埋在沟槽中，这一过程涉及多个协调操作的环节，包括收集、运输、挖沟、埋藏和压实。Zheng等人（2017年）开发了一种能够同时完成秸秆捡拾、粉碎、输送、挖沟和埋藏操作的机器。尽管这种机器可以调节秸秆埋藏率并便于秸秆的田间分布，但其还田性能及其核心组件的工作原理尚未得到评估，因此对其埋藏效果缺乏深入理解。Yang等人（2018年）开发了一种利用离心力的气动秸秆深埋还田机，将切碎的秸秆输送到粉碎罩中，再通过挖沟和土壤分离装置将秸秆输送到沟槽中，并进行土壤覆盖和压实。同样，这种机器的工作原理也尚未得到充分研究。Zhang等人（2020年）开发了一种集成的秸秆集中挖沟和埋藏机，包括链式开沟装置、水平旋转收集装置和螺旋覆盖装置。

尽管这种机器集成度较高，但相关研究仅限于对其机械原理的分析。所有上述离散元（DEM）研究都集中在秸秆-土壤耦合关系上，而对秸秆清除装置本身的动态特性研究较少。

目前，关于秸秆机械与土壤耦合系统的研究主要通过数值模拟来进行，以建立准确的模型来分析上述相互作用机制。Zhu等人（2023年）开发了一个旋转耕作器秸秆-土壤耦合系统的动态模型，准确分析了稻田耕作系统中工具秸秆的物理参数变化，阐明了复杂稻田耕作系统中工具秸秆的相互作用。Chen等人（2024年）利用离散元方法构建了未受干扰土壤下的秸秆-土壤复合模型，准确分析了与秸秆接触的组件的机械行为，并提高了秸秆还田率。Liu等人（2023年）通过测量和校准土壤和秸秆参数，模拟了机械、秸秆和土壤之间的相互作用，并分析了在机械作用下的秸秆和土壤运动机制。Ma等人（2019年）利用离散元方法开发了一个水稻秸秆模型，展示了在水平振动作用下水稻颗粒和秸秆的分离机制。

迄今为止，上述研究通过构建离散元模型分析了研究对象的动态行为特性，揭示了耦合系统的内在机制。然而，它们尚未详细分析秸秆收集装置的工作原理或秸秆抛射机制。将这些方法应用于研究秸秆与清除装置之间的相互作用机制、阐明装置作用下的秸秆抛射轨迹以及分析地面上残余秸秆的原因，将显著提升秸秆清除装置的结构研究和设计。

本研究主要分析了收获后水稻秸秆与收集装置之间的相互作用机制。我们假设旋转速度和齿长通过改变秸秆抛射动态来决定残余量。采用离散元仿真方法建立了秸秆与装置之间的相互作用模型，该方法不仅探讨了观察到的现象的原因，还深入阐明了水稻秸秆与耙具之间的动态相互作用机制。最后，通过田间试验验证了模拟结果的准确性和可靠性，为秸秆耙具的最佳设计提供了宝贵的理论支持。

关键组件及工作原理

本研究提出了一种基于中国东北地区水稻种植农艺要求的新秸秆管理方法。该方法将水稻秸秆埋藏在沟槽中，不会干扰后续的水稻种植过程，同时集成了挖沟、秸秆收集、秸秆埋藏、堆肥剂施用和土壤覆盖等功能。该机器主要由框架、链式开沟装置、秸秆收集装置等组成。

操作参数对秸秆耙除效果的影响分析

在操作过程中，根据秸秆的侧向位移，将秸秆收集装置轴向划分为四个区域（I、II、III和IV）。每个区域对应螺旋齿轮弹簧指工作区域的四分之一，使用EDEM软件计算每个区域的秸秆总质量，如图4a所示。为了确定收集装置对秸秆的影响，将装置的前进速度设置为0.2 m/s；旋转速度设置为150 r/min。

讨论

通过分析确定的最佳操作参数并非孤立值，而是设备旋转速度、齿长和前进速度这三个因素协同作用的结果。如方程（4）所示，这三个因素之间存在定量耦合关系。当装置的前进速度固定为0.2 m/s时，增加齿长R需要同时调整装置旋转速度ω，以确保秸秆的抛射效果。

结论

为了解决现有作物秸秆收集装置清洁效率不足和相互作用机制不明确的技术瓶颈，本研究系统地探讨了作物秸秆、收集装置和土壤之间的相互作用规律，并建立了针对性的数值模拟和实验验证系统。基于离散元方法（DEM）构建了作物残余物装置-土壤系统的数值模拟模型，能够有效再现相关现象。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了Chat-GPT来提高语言表达和可读性。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

许亚楠：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，形式分析，概念构思。唐涵：撰写 – 原稿，资源获取，概念构思。王长宇：撰写 – 审稿与编辑，验证，形式分析，数据管理。王琪：撰写 – 审稿与编辑，可视化，数据管理。朱桂轩：撰写 – 审稿与编辑，验证，数据管理。王金武：撰写 – 审稿与编辑，可视化，监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（32472011）、黑龙江省自然科学基金（TD2023E001）以及黑龙江省自然科学基金（青年类A项目）（JQ2025C001）的支持，还得到了国家水稻工业技术系统计划（CARS-01）的资助。感谢智能稻田农业设备和技术团队对本次研究的野外测试所提供的支持。