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为解决免耕播种机在湿粘稻茬田作业时秸秆堵塞、抛撒不均等问题，研究人员基于离散元法（DE）设计对数螺旋曲面壳体与抛物线导料结构，构建湿粘性柔性水稻秸秆轻量化离散元颗粒模型（含 JKR 接触模型参数标定）。结果表明，优化设计使秸秆铺带质量变异系数降低 24.16%，种子带清洁率提升 2.89%，为免耕装备性能提升提供理论支撑。
在农业生产朝着智能化、机械化大步迈进的当下，秸秆资源的高效利用需求日益迫切，免耕播种机作为保护性耕作的典型装备，虽能集秸秆捡拾、粉碎、抛撒等多工序于一体，助力保水、改土和增产，却在长江中下游湿粘稻茬田作业时遭遇棘手难题 —— 秸秆的粘性与柔性特质极易引发堵塞，严重影响抛撒均匀性与碎茬破土效果。传统秸秆模型多采用刚性或简化柔性模型，要么忽略弯曲变形与破碎特性，要么因颗粒数量庞大导致计算负担沉重，且普遍未考虑湿粘性，难以精准模拟实际作业中的秸秆运动，这使得研发更贴合实际的粉碎铺带装置模型与优化其结构成为农业工程领域亟待突破的关键方向。
为攻克上述技术瓶颈，南京相关研究机构的科研团队围绕免耕播种机的粉碎与铺带性能提升展开系统研究。该团队在《Computers and Electronics in Agriculture》发表的研究成果，通过创新模型构建与结构设计，为解决湿粘环境下的秸秆处理难题提供了新路径。
研究中采用的核心技术方法包括：
- 离散元法（DEM）建模：构建秸秆粉碎铺带装置的整体离散元模型，模拟秸秆群体运动。
- 柔性秸秆模型开发：提出湿粘性柔性水稻秸秆的轻量化离散元颗粒模型，结合 Johnson-Kendall-Roberts（JKR）接触模型描述颗粒间粘附作用，并建立接触参数标定方法。
- 响应曲面法（RSM）优化：通过多因素分析确定装置的最优结构与运行参数。
模型设计与验证
研究团队首先设计对数螺旋曲面壳体与抛物线导料结构。对数螺旋曲面通过特定曲率变化优化秸秆流场分布，抛物线导料结构则通过曲面引导减少秸秆堆积。为准确模拟湿粘秸秆特性，开发的轻量化颗粒模型采用多颗粒角度粘结方法，既保留柔性变形特征，又通过减少颗粒数量降低计算量。基于 JKR 接触模型，该模型可有效模拟秸秆间的粘附与断裂过程，经台架试验验证，其预测的铺带质量与实测结果吻合度显著高于传统刚性模型（传统模型出口秸秆分布离散，而新模型呈现更均匀的带状分布）。
结构优化与性能分析
通过离散元仿真对比发现，抛物线导料结构使秸秆铺带质量变异系数降低 24.16%，出口区域秸秆稳态流量达 0.205 kg/s，表明其显著提升了抛撒均匀性。进一步采用响应曲面法对破碎轴转速、进料间隙与离地间隙进行多目标优化，确定最优参数组合为：破碎轴转速 1617 rpm、进料间隙 30 mm、离地间隙 189 mm。台架试验表明，优化后铺带质量变异系数再降 2.34%，种子带清洁率提升 2.89%，验证了结构设计与参数优化的有效性。
结论与意义
该研究突破传统秸秆模型的局限性，建立了适用于湿粘环境的柔性秸秆离散元模型，揭示了导料结构对秸秆流动特性的影响机制。通过结构创新与参数优化，显著提升了免耕播种机在复杂农田条件下的作业性能，为解决南方稻区秸秆还田机械化难题提供了理论依据与技术方案。研究成果不仅完善了农业装备的数字化设计方法，也为离散元法在农业工程中的应用拓展了新场景，对推动保护性耕作技术的智能化升级具有重要意义。
