土壤-白萝卜根-叶柄-夹持装置系统离散元模型接触参数标定与验证研究

《Computers and Electronics in Agriculture》：The calibration and validation of discrete element model contact parameters for the soil-white radish root-petiole- Clamping device system during the harvesting period

本文针对白萝卜机械化收获中土壤-根-叶柄-夹持装置系统的复杂相互作用，首次建立了离散元模型（DEM）并系统标定了关键接触参数。通过Plackett-Burman设计、最速上升法和中心复合设计等实验方法，精确获得了叶柄间静摩擦系数（0.53）、叶柄-橡胶间静摩擦系数（0.52）和滚动摩擦系数（0.3），以及根-土壤间的恢复系数（0.15）、静摩擦系数（0.14）、滚动摩擦系数（0.31）和JKR表面能（4.3 J/m2）。验证实验表明提取率和叶柄破损率的平均相对误差分别为6.93%和5.82%，为高效低损白萝卜收获机设计提供了重要理论依据。

　　

Highlight

收获期白萝卜叶柄特性

本实验材料为来自中国河北省廊坊市的"北极雪"白萝卜品种（东经116°22′–117°11′，北纬39°24′–40°16′）。该品种特点是叶柄高度均匀、叶柄生长密集且抗倒伏性强。样品于2023年6月采集，选择人工收获的成熟白萝卜。选取叶柄发育良好、无可见病虫害的植株作为实验材料。

白萝卜根建模

选择最具代表性的白萝卜，其三轴尺寸为293 mm × 77 mm × 76 mm，如图9a所示。对于该品种，约三分之一的白萝卜根位于地面以上，三分之二埋于土壤中。地面以上部分不影响模拟过程或实际收获，但埋于土壤中的部分与土壤具有较强的粘结力，导致白萝卜拔取成功率低的问题。

白萝卜收获机工作原理

如图S1-a所示，夹持拔取式白萝卜收获机能够一次作业收获双行白萝卜。拔取夹持装置前端装有叶柄收集机构，夹持滑轮和支持滑轮上安装有皮带。夹持力由两条反向旋转皮带与叶柄之间的摩擦力产生。如图S1-c所示，在夹持过程中，夹持拔取装置对叶柄施加作用力。

结论

(1) 使用EDEM软件建立了离散元模型，模拟白萝卜叶柄-橡胶夹持装置与白萝卜根-土壤之间的相互作用。采用赫兹-明德林JKR接触模型标定了根与土壤之间的接触参数及JKR粘附能。确定最佳参数组合为：恢复系数0.15、静摩擦系数0.14、滚动摩擦系数0.31、JKR表面能4.3 J/m²。