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秸秆覆盖层质量精准评估方法及耦合机制研究|稳定环辅助剪切系统|离散元耦合模型|边界约束优化|轴向运动参数协同控制
李荣荣|李洪文|杨硕菲|何进|卢彩云|王超|杨汉宇|江珊|杨宗福
中国农业大学工程学院，北京100083，中国
摘要
准确评估秸秆覆盖物的质量对于评估保护性耕作措施至关重要。然而，传统的田间采样方法常常由于地表秸秆分离不清晰而产生边界诱导误差，这可能导致测量偏差较大。为了解决这一限制，本文提出了一种辅助稳定环的旋转剪切系统，该系统能够在质量测量之前实现局部限制下的切割和边界秸秆的精确分离。为了机械地捕捉这一过程，建立了一个土壤-秸秆-工具耦合的离散元方法（DEM）框架，该框架能够同时表示传统单材料模拟中无法解决的多材料相互作用。系统地分析了稳定环的限制作用、切割柱的旋转顺序、轴向速度和轴向加速度对切割过程的影响。仿真结果表明，辅助稳定环的限制作用稳定了刀片与秸秆的接触，使得剪切作用能够持续累积，从而提高了切割的连续性。尽管机械负荷较高，但旋转方向的改变会中断剪切传递，从而降低有效切割效率。基于位移的分析进一步表明，在恒定轴向速度下的切割受到空间进展的限制，而轴向加速度则通过加速刀片与秸秆的相互作用来增强早期剪切效果。这些发现为受限条件下的秸秆切割力学提供了新的见解，并揭示了协同限制、旋转运动和轴向运动学对切割效率的影响。所提出的系统和方法不仅为准确测量秸秆覆盖物质量提供了实用基础，也为优化机械化秸秆管理系统提供了依据。
引言
返回土壤的作物残余物在保护性耕作中起着关键作用。它们有助于增加土壤有机质含量（Cherubin等人，2018年；Jin等人，2020年），提高养分有效性（Huang等人，2021年），并减少风蚀和水蚀（Bhatt和Khera，2006年；Wang等人，2022年）。然而，秸秆覆盖物的质量既不能过低也不能过高，应根据当地的农业和环境条件进行调整（Chen等人，2023年；Wang等人，2023a）。目前，秸秆覆盖物质量的评估主要依赖于人工田间采样方法，如五点采样法（Li等人，2023年）。然而，这些方法劳动强度大且容易产生测量误差。采样框架内外边界秸秆划分不清会导致边界诱导误差，从而影响测量的准确性和重复性。在现代农业中，数据驱动的传感技术和智能机器正在逐渐取代人工田间操作，尤其是在作物监测系统中（Albiero等人，2022年；Jiang等人，2024年；Zhang等人，2025年）。这一趋势支持了本文提出的机械化、自动化边界秸秆切割策略的实际意义。
目前，用于切割地表秸秆的机械化方法主要应用于免耕播种机的开沟器（Liu等人，2023年；Karayel等人，2024年；Tang等人，2024年）或秸秆切碎和回田机械（Liu等人，2021年；Wang等人，2025年）。为了提高秸秆破碎质量并降低能耗，以往的研究主要集中在优化刀片结构和秸秆破碎机制上（Geng等人，2022年；Lin等人，2022年；Tang等人，2024年）。从力学角度来看，用于重力切割残茬的圆盘型开沟器依靠自身重量驱动的高速滚动旋转，通过滚动和剪切作用实现秸秆切割（Fallahi和Raoufat，2008年；Ahmad等人，2015年；Hou等人，2021年）。相比之下，秸秆切碎和回田机械主要通过高速旋转刀片或锤击杆来破碎秸秆（Johnson等人，2013年；He等人，2018年）。这些方法已被证明适用于大面积残余物管理和秸秆粉碎。然而，这些方法主要是为连续性和大规模残余物处理而开发的。相反，本研究考虑在固定且受限区域内切割秸秆，以实现内外边界秸秆的清晰分离。这种局部化、空间受限的切割模式在现有研究中受到的关注较少，因此本研究致力于开发专门的切割和分离策略。
离散元方法（DEM）已被广泛用于分析秸秆（Shi等人，2023年；Li等人，2024年）和颗粒材料（Zhang等人，2022年；Tran等人，2023年）的力学行为，大多数研究关注最终破碎结果或接触力特性。同时，许多研究利用DEM研究了耕作工具与土壤之间的复杂相互作用，以预测不同操作条件下的土壤扰动、切割阻力和力响应（Tekeste等人，2019年；Aikins等人，2021年；Saunders等人，2021年）。此外，以往的研究还探讨了切割工具与秸秆残余物之间的相互作用，以改进切割性能或优化切割器配置（Bochat和Zastempowski，2020年；Hu等人，2023年；Qi等人，2023年），为切割行为和工具设计提供了宝贵见解（Aikins等人，2023年）。然而，大多数基于DEM的研究都是在简化载荷条件下分别研究土壤-工具或秸秆-工具之间的相互作用。本研究则考虑了具有土壤-秸秆-工具耦合行为的受限旋转切割场景。
鉴于秸秆切割、边界分离和过程层面理解的上述挑战，本文提出了一种辅助稳定环的旋转剪切系统，以实现受限切割和边界秸秆的精确分离。该系统能够在固定区域内主动限制和切割地表秸秆，从而建立内外秸秆之间的清晰机械边界，为秸秆覆盖物质量的测量提供更可靠的基础。基于该系统，建立了一个土壤-秸秆-工具耦合的DEM框架，系统地分析了在辅助稳定环旋转剪切作用下的秸秆切割演变过程，明确考虑了外部限制、旋转剪切运动和独立控制的轴向运动学。进一步进行了田间实验，以验证仿真结果，并在实际操作条件下评估所提系统的切割性能和边界分离效果。本研究旨在为受限条件下的秸秆切割力学提供新的见解，并为设计及优化机械化系统以准确测量秸秆覆盖物质量提供实用指导。
部分内容摘录
结构和工作原理
如图1所示，旋转剪切系统主要由辅助稳定环（SR）和切割柱（SC）组成，还包括自推进底盘、控制器、电动推杆（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）、平台、电机、小齿轮、圆盘轴承、蓄能器等部件。SC的内圈半径为400毫米，采样面积约为0.5平方米。SR和SC的高度分别为400毫米和800毫米。实验材料为田间收集的玉米秸秆。
验证结果
DEM仿真得到的切割速率是一个过程层面的、时间依赖的指标。
相比之下，田间实验测得的切割速率代表的是最终且不可逆的结果。因此，直接进行点对点比较并不合适。在本研究中，采用DEM仿真中观察到的最大切割速率（η1）作为系统切割能力的等效指标，反映了切割过程中可实现的最佳有效切割状态。
结论
本研究通过DEM仿真和田间实验研究了使用辅助稳定环的旋转剪切系统进行受限秸秆切割的力学机制。建立了一个土壤-秸秆-工具耦合的DEM框架，将切割过程表示为连续的力学演变过程，比传统的单材料模拟提供了更真实的描述。辅助稳定环的限制作用被认为是影响切割连续性的主导因素。
作者贡献声明
李荣荣：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、软件开发、资源管理、项目协调、数据分析、正式分析、数据整理。李洪文：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、项目协调、资金争取。杨硕菲：撰写 – 审稿与编辑、可视化、指导、方法论设计、数据分析。何进：撰写 – 审稿与编辑、指导、数据分析。卢彩云：撰写 – 原稿撰写、软件开发。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国农业部和中国农业科学院农业研究系统（CARS-03）的支持；中国农业大学2115人才发展计划（北京）；以及国家自然科学基金（52305042）的资助。
