《Computers and Electronics in Agriculture》：Performance analysis and experimental study of flexible opening-closing single garlic seed metering device based on DEM-MBD coupling
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大蒜播种中单粒计量装置设计及性能优化研究。采用"保留一个，去除多个"方法设计柔性开合装置（FOSG），通过摩擦系数标定和离散元-多体动力学耦合仿真，验证装置在0.15m/s速度下单粒率达94.47%，较传统链勺提升10.62%。实验与仿真误差均小于1.3%。
李正中|周华|张银萍|卢芳媛|王贤|李家业|李彦军|胡阳婷|余瑞
山东工业大学农业工程与食品科学学院，中国淄博255000
摘要
为了解决现有大蒜播种装置中多粒种子率过高、空粒种子率过高以及单粒种子率过低的问题，采用了一种“从多粒种子中保留一粒”的种子挑选方法，并设计了一种可灵活开闭的单粒大蒜播种装置。通过物理实验测量了大蒜的参数，并利用安息角作为响应值，通过中心复合设计试验校准了摩擦系数。校准后的大蒜-大蒜和大蒜-PLA的静摩擦系数分别为0.202、0.085、0.308和0.108。在该参数下进行的安息角模拟试验结果显示，安息角为24.5°，与实际安息角的误差为0.69%。结合多体动力学，进行了离散元方法-多体动力学耦合模拟试验，比较了可灵活开闭的种子勺（FSS）和L形种子勺，发现单粒种子率提高了10.62%。当FSS的线速度为0.15 m/s时，种子挑选效果最佳，单粒种子率为94.47%。台架试验结果为93.26%，误差为1.28%，证明了模拟模型和装置设计的可靠性。当FSS中的大蒜数量为2粒或3粒时，种子清理效果更好，单粒种子率分别为92.96%和94.70%。本研究开发了一种播种装置，对提高大蒜种植的机械化质量具有重要意义。
引言
大蒜在全球范围内广泛种植，中国的大蒜种植面积和产量均位居世界前列（Pacholczyk-Sienicka等，2024年；Shagun等，2024年）。然而，大蒜独特的生物学特性对机械播种提出了极高的要求。与传统作物相比，大蒜播种需要精确分离单粒种子、定向调整蒜瓣以及直立深播等复杂操作（Zhang等，2025年）。尽管近年来机械化播种率迅速提高，在一些主要生产区已接近70%，但整体机械化水平仍然较低。这主要是由于大多数农业作业规模较小且分散，同时适合机械化播种的大蒜品种有限（Cui等，2023年）。单粒种子挑选作为机械化播种的核心前提，直接影响后续工序的操作精度和效率（Li等，2022年）。目前，机械化大蒜播种的单粒种子率通常在85%左右（Jia，2020年）。因此，开发适用于大蒜机械化播种的单粒种子计量装置尤为重要。
链勺式播种装置由于其结构简单、操作方便等优点，在大型种子播种过程中被广泛采用（Mou等，2023年；Su等，2020年）。在大蒜播种机械领域，这种装置也占据主导地位，成为最常用的播种设备（Liu等，2019年；Zhang等，2021年）。然而，由于蒜瓣形状独特且不规则，这种类型的种子勺容易出现遗漏和重复播种的问题（Hou等，2021年；Li等，2022年；Li等，2024年）。近年来，逐渐应用了“从多粒种子中保留一粒”的种子挑选技术。该技术采用逐步挑选策略，种子勺首先从种子箱中抓取多粒大蒜种子，然后通过物理清种机构逐步去除多余的种子，最终确保种子勺中仅剩一粒大蒜种子，从而满足精确播种的要求。Hou等（2019年）基于这种方法设计了一种爪形循环单粒播种装置。该装置的种子勺呈爪状，在向上运动过程中，勺内的空间在倾斜网格板的作用下被压缩，从而将多余的大蒜推出种子勺实现清种。Hou等（2024年）开发了一种具有多个弯曲突起的多扰动清种装置。当种子勺通过装置向上移动时，弯曲突起将勺内的多余大蒜推出实现清种。
离散元方法（DEM）作为一种研究颗粒系统微观力学行为的数值模拟方法，在农业机械领域得到广泛应用，包括耕作设备（Bravo等，2014年；Zhang等，2024年）、播种机（Lei等，2021年；Wang等，2024年）、收割机（Ma等，2022年；Zhang等，2023a）和产后加工（Van Zeebroeck等，2006a；Van Zeebroeck等，2006b）。然而，随着工程技术的进步，独立的DEM软件在模拟复杂机械系统的运动特性时面临挑战，尤其是在处理特定运动轨迹和不规则振动等动态行为时（Li等，2024年）。多体动力学（MBD）的引入为这些挑战提供了有效的解决方案。近年来，随着MBD技术的不断发展，DEM-MBD耦合数值模拟逐渐应用于农业机械领域，显著提高了模拟分析的全面性和准确性，有效弥补了传统DEM模拟的不足。Wang等（2023年）进行了DEM-MBD耦合模拟，研究了稻草埋藏犁具与土壤颗粒之间的相互作用，揭示了复杂机械与颗粒材料之间的动态相互作用。Zhao等（2023年）受人类拇指启发，设计了一种柔性脱粒组件，并利用DEM-MBD耦合研究了关节弹性系数对脱粒效率和损伤率的影响。结果表明，柔性脱粒组件在脱粒效率和减少谷物损伤方面优于传统刚性设计。此外，将DEM-MBD耦合应用于大型种子播种装置，实现了微观-宏观协同模拟，有效解决了农业机械中的复杂模拟问题。Li等（2025年）基于双曲柄五连杆机构设计了一种马铃薯覆盖栽培的冲压播种装置，并通过DEM-MBD耦合模拟验证了其可靠性。Lai等（2022年）开发了一种人参用链勺式精密播种装置，通过DEM-MBD耦合模拟确定了其结构和操作参数，并通过台架试验验证了模拟精度。这些研究表明，DEM-MBD耦合方法不仅能够准确描述颗粒系统的动态行为，还能充分考虑多体系统的运动学和动力学特性，为复杂机械系统的设计和优化提供了有力工具。
因此，为有效解决现有链勺式大蒜播种装置中多粒种子率和空粒种子率过高的问题，本研究首先建立了大蒜种子的离散元模型并进行参数校准。随后，基于“从多粒种子中保留一粒”的原理，设计了一种可灵活开闭的单粒大蒜播种装置（FOSG）。分析了FOSG的工作原理和结构特点，并利用DEM-MBD耦合模拟比较了FOSG与传统链勺式装置的种子挑选性能。此外，还研究了不同线速度对FOSG种子挑选性能的影响。最后，构建了台架试验平台，系统研究了FSS中大蒜种子数量对FOSG清种性能的影响。FOSG为解决大蒜播种中的单粒种子挑选问题提供了可行的技术方法和理论基础。
章节片段
大蒜的离散元模型构建与参数校准方法
本研究选取了具有典型特征的苍山大蒜作为测试对象。为确保大蒜的出苗率和质量，所使用的播种大蒜形状规整、饱满，尺寸差异较小。随机选取了100粒合格的苍山大蒜种子，并使用电子数字卡尺测量了大蒜的三轴尺寸（长度、宽度和厚度）（图1a）。大蒜的三轴尺寸分布如下：
大蒜三轴尺寸的统计结果及FSS结构参数的确定
完成苍山大蒜样本的三轴尺寸测量后，计算了所得数据的平均值，并使用统计方法处理和分析各参数。结果如表2所示，苍山大蒜的平均长度、宽度和厚度分别为31.62毫米、21.51毫米和21.10毫米。可以看出，宽度和厚度尺寸相近，变异系数
FOSG在单粒种子挑选中的优势
基于“从多粒种子中保留一粒”的设计原则，本研究创新性地开发了FOSG，并对其种子挑选性能进行了系统和深入的研究。首先，通过安息角试验校准了大蒜离散元模型的参数。模拟试验与实际试验之间的安息角误差仅为0.69%，表明构建的大蒜离散元模型具有很高的准确性，为后续研究提供了可靠的模型基础
结论
通过物理实验确定了大蒜的参数，并利用CCD试验以安息角作为响应值校准了摩擦系数。安息角的模拟结果与实际测量结果的误差仅为0.69%，为后续研究提供了可靠的模型基础。采用“从多粒种子中保留一粒”的种子挑选方法设计了基于链勺的FOSG，并建立了FOSG操作过程的DEM-MBD耦合模型
作者贡献声明
李正中：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，调查，数据整理，概念构思。周华：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法论，资金获取，概念构思。张银萍：项目管理，方法论，概念构思。卢芳媛：验证，调查。王贤：验证，调查。李家业：监督，形式分析。李彦军：验证，调查。胡阳婷：验证，调查。
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所述的工作。
致谢
本研究得到了山东省科技型中小企业创新能力提升项目[项目编号2024TSGC0271]、中国山东省自然科学基金[项目编号ZR2022ME103]、中国山东省自然科学基金[项目编号ZR2022QE150]以及山东省农业机械研发、制造、推广与应用集成试点项目[项目编号NJYTHSD-202315]的财政支持。
