低损耗风力芝麻收割机的关键部件设计以及基于CFD仿真的物料输送机制研究

《Computers and Electronics in Agriculture》：Design of key components for a low-loss air-blowing sesame harvest header and study on material transport mechanisms based on CFD simulation

本研究设计了一种低损失的空气吹送芝麻收割机具，结合计算流体动力学（CFD）模拟与实验分析，优化了关键结构参数和作业参数，使地面损失率降至2.87%，机具残留率3.66%，有效提升芝麻机械化收割效率。

　　

唐汉|孙志远|徐福东|张驰|王琦|王金武

中国东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030

摘要

为了解决芝麻机械收割过程中高损失率和高头部残余率的问题，本研究提出了一种低损失的吹风式芝麻收割头设计。为了减少收割过程中芝麻荚和种子的损失，对收割头的关键部件进行了运动分析和结构参数优化。针对头部内大量物料残留的问题，设计了一种吹风装置，利用气流清扫收割机底板，有效降低了头部残余率。在台架实验中，内部流场的分布和气流速度的变化难以直观测量和可视化。因此，通过将计算流体动力学（CFD）技术与台架实验相结合，发现气流速度的变化对头部内的物料残留有显著影响。使用地面损失率和头部残余率作为实验指标，进行了单因素和多因素试验，以研究每个实验因素的影响，并确定收割头操作参数的最佳组合。现场验证实验表明，预测值与测试结果基本一致。在最佳操作参数下，测试结果显示地面损失率为2.87%，头部残余率为3.66%。本研究结合了收割头结构优化和CFD仿真技术，有效减少了机械化芝麻收割过程中的损失和残留。为其他易碎谷物作物的收割设备设计和性能提升提供了理论参考和技术支持。

引言

芝麻（Sesamum indicum L.）是一种油料作物，具有广泛的应用前景，广泛用于制造工业产品，如工业润滑油、肥皂、香水和化妆品（Bedigian, 2010; Kunik et al., 2022）。主要的芝麻种植地区包括印度、苏丹、中国、缅甸等地。近年来，国际市场对芝麻的需求稳步增加，推动了种植面积和产量的持续扩大（Li et al., 2023）。芝麻生产通常依赖人工收割，这种方式劳动密集且效率低下。劳动力成本的上升导致生产成本增加，利润下降，机械化收割已成为芝麻行业实现高质量和可持续发展的必然选择（Day, 2000）。

在芝麻的机械化收割过程中，由于荚果破裂造成的种子损失是限制机械化收割应用的关键技术挑战之一（Qureshi et al., 2022）。在传统的人工收割中，芝麻荚必须保持开放或分裂状态以防止种子滞留。然而，在机械化收割中，荚果应在进入收割机之前尽可能保留更多种子（Langham, 2001）。成熟的芝麻必须及时快速收割。延迟收割会导致荚果失水开裂，从而造成严重的收获损失。为防止种子损失，收割应在植物仍为绿色时进行（Ugurluay and Cardak, 2019）。目前针对芝麻收割过程中的高种子损失率的研究主要集中在通过育种技术提高芝麻的抗损伤能力上。然而，关于减少芝麻收割设备损失的技术研究仍然很少。机械化收割方法的缺乏已成为限制芝麻产量增加的关键制约因素（Sanni et al., 2024; Yadav et al., 2022）。

目前，大多数芝麻收割设备都是对传统谷物收割机进行改造的。然而，它们通常存在较高的收割损失率和残余率。一些研究表明，使用谷物收割机收割芝麻会导致大约50%的种子损失。不同设备和机械用于芝麻收割时，损失率差异很大，范围从20%到65%不等（Georgiev et al., 2009; Soleimani et al., 2023）。此外，由于不同芝麻品种在形态结构和抗损伤能力上的差异，机械化收割过程中的损失程度也有所不同。Naydenov等人（2020）对两种芝麻品种进行了机械化收割的田间试验。在相同的操作条件下，使用Hege 160谷物联合收割机和专用收割附件进行收割，并测量了过程中的种子损失。结果显示，在无风条件下，谷物联合收割机的损失率分别为21.2%和30.2%，而专用收割附件的损失率分别为5.2%和11.4%。全球研究人员进行了大量研究，以解决作物收割过程中的高损失率和高残余率问题。Sun等人（2025）专注于油菜籽收割过程中的种子损失。通过分析收割头核心工作部件的运动过程，阐明了影响收割效率的关键因素。通过仿真分析和参数优化，有效降低了收割过程中的损失率。Stefanoni等人（2022）使用向日葵和谷物收割头进行机械蓖麻豆收割，但在收割过程中仍存在显著的种子损失和残余率。上述研究表明，对于易碎作物，传统的收割头结构不足以满足低损失收割的要求。

随着农业机械化和智能技术的发展，吹风技术已在收割作业中得到广泛应用。吹风装置结构简单，易于调节，在减少收割损失、降低头部残余和提高物料输送效率方面发挥了重要作用（Zhou et al., 2025）。德国GERINGHOFF公司生产的TruFlex Razor收割头配备了集成空气系统（IAS），该系统利用可控气流将收割过程中散落的种子重新送回收割头，有效降低了收割损失。Li等人（2017）开发了一种吹风式收割头，显著降低了机械化谷物收割过程中的头部残余。吹风系统的结构和操作参数直接影响物料输送性能，其中气流速度是影响输送稳定性的关键因素（Liu and Yu, 2026）。气流速度不足无法有效输送物料，可能导致堵塞或积聚；而过高的气流速度虽然可以提高物料输送效率，但会显著增加物料与设备壁之间的碰撞强度，从而增加物料损坏的概率（Li et al., 2024）。

随着计算机技术的发展，与传统的设备内部流场研究方法（如三孔探针法（Xu et al., 2019）、螺纹法和烟雾可视化法（Smits and Lim, 2012）相比，计算流体动力学（CFD）仿真可以准确捕捉全场数据，并更系统直观地显示三维空间中的流场分布（Tu et al., 2018）。因此，它已成为分析流场特性的可靠工具。Liang等人（2020）利用CFD仿真分析了水稻收割机的多管道谷物清洁系统中的气流，确定了理想的操作气流速度。一些研究人员应用CFD技术分析了机械内部的物料输送过程，优化了收割头结构以减少头部残余和收割损失（Leng et al., 2020; Xingyu et al., 2023）。Tang等人（2023）对预切割脱粒机头部流场的形成和稳态特性进行了CFD研究和分析。Wang等人（2025）利用CFD仿真研究了收割头内部的气流分布特性。基于气流不均匀系数和不同区域的涡流分析，阐明了气流与物料残余分布之间的相关性。

芝麻荚果密集生长在茎的两侧，其成熟过程不同步，导致机械化收割过程中种子散落严重，产量损失增加（Soleimani et al., 2023）。芝麻荚果结构脆弱，容易在外部冲击下破裂。同时，芝麻种子的微小尺寸使得在输送过程中容易产生残余。为了解决上述问题，本研究设计了一种低损失的吹风式芝麻收割头，旨在提高收割效率，减少收割过程中的物料损失，并降低头部残余。通过分析芝麻植株与关键机械部件之间的相互作用，优化了结构设计，并确定了操作参数范围。采用计算流体动力学（CFD）方法研究了收割头内的流场分布。结合台架测试，揭示了气流速度对头部内物料残余的影响。进行了单因素和多因素实验，以研究低损失吹风式芝麻收割头的最佳操作参数，满足机械化芝麻收割的要求。本研究为减少易碎作物的种子损失和头部残余提供了理论指导和技术支持。

低损失吹风式芝麻收割头的整体结构和工作原理

低损失吹风式芝麻收割头主要由作物分隔收集器、往复切割器、吹风切割器安装框架、传动系统、卷轴、输送螺旋桨、收割机底板和气流输送系统组成，如图1所示。其工作原理如下：收割过程中，作物分隔收集器首先分离芝麻茎秆，将它们集中在收集器的间隙中。由于摩擦作用，一些荚果和种子会掉落

收割头内部气流场分布特性的单因素实验和分析

为了研究各种因素对芝麻收割过程中地面损失率和头部残余率的影响模式，基于先前的理论分析设计了单因素试验，因素水平如下：前进速度分别为0.6 m/s、0.75 m/s、0.9 m/s、1.05 m/s和1.2 m/s；输送螺旋桨转速分别为60 r/min、75 r/min、90 r/min、105 r/min和120 r/min；吹风装置进气口的气流速度分别为30 m/s、35 m/s、40 m/s、45 m/s

结论

本研究旨在降低机械化芝麻收割过程中的损失率和残余率，解决制约芝麻作物高效生产的关键瓶颈。根据芝麻植株的结构特性和农艺要求，我们优化了芝麻收割头的结构和操作参数，并采用台架测试和CFD数值仿真的结合方法研究了气流驱动的物料输送过程。核心发现

作者贡献声明

唐汉：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、验证、方法论、研究、资金获取、正式分析。孙志远：撰写 – 原稿、可视化、软件、正式分析、数据管理。徐福东：撰写 – 审稿与编辑、软件、方法论、研究。张驰：撰写 – 审稿与编辑、方法论、正式分析、数据管理。王琦：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、监督、资源管理

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工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC）（资助编号：[52475247]和黑龙江省重点研发计划（资助编号：[2023ZX05B03]的支持