基于离散元法与田间试验的缺口式圆盘设计与性能评估：提升高速免耕播种秸秆处理效率

针对高速免耕播种中秸秆残留导致的机器堵塞和播种精度下降问题，研究人员设计了一种基于渐开线刃口的缺口式圆盘（NTD），通过离散元法（DEM）模拟和田间试验验证，发现9齿圆盘（NTD）在10-12 km h?1速度下秸秆切割效率达56%-58%，土壤阻力降低25.52-32.4 N，且土壤扰动最小。该研究为高速播种秸秆处理提供了创新解决方案。

　　

在可持续农业实践中，免耕播种（No-till seeding）因能改善土壤结构和肥力而备受推崇。然而，中国黄淮海地区的高速播种面临严峻挑战：地表残留的秸秆易导致机器堵塞，种子定位不准，且土壤压实和秸秆覆盖会降低播种质量。传统农具在高速度（10-12 km h^?1）下表现不佳，亟需优化土壤接触部件以平衡秸秆处理与土壤扰动。

为此，中国农业科学院的研究团队设计了一种基于渐开线刃口的缺口式圆盘（Notched Type Disc, NTD），通过离散元法（DEM）模拟和田间试验，系统评估了7齿（STD）、8齿（ETD）、9齿（NTD）、10齿（TTD）圆盘及两种传统圆盘（ND、CD）的性能。研究采用DEM模拟工具-土壤-秸秆相互作用，并分析不同转速方向（FR正向、RR反向）下的作业效果。田间试验中，NTD与秸秆清理刀片（SCB）组合使用，测量了播种间距变异系数（ζ_a）和横向偏差（ζ_c）。

关键技术方法
研究结合理论分析、DEM模拟（EDEM软件）和田间试验。DEM模型参数校准基于土壤-秸秆力学特性，模拟速度设定为10和12 km h^?1。田间试验采用高速播种平台，量化秸秆清理效率与播种精度。

研究结果

秸秆切割性能
NTD在10 km h^?1下秸秆切割效率（e_w）较STD提升14%，12 km h^?1时达58%。反向旋转（RR）的秸秆分布更均匀，土壤阻力较正向（FR）降低15%。

土壤扰动与阻力
NTD的土壤阻力最低（10 km h^?1时为25.52 N），且土壤抬升量比传统圆盘减少30%。DEM模拟显示，9齿设计优化了刃口受力分布，减少无效土壤剪切。

田间验证
配备NTD的播种平台使ζ_a和ζ_c分别降低22%和18%，秸秆清理效率提高40%，验证了DEM模拟的可靠性。

结论与意义
该研究证实，基于渐开线设计的NTD在高速作业中实现了秸秆高效切割与低土壤扰动的平衡，为免耕播种机具优化提供了理论依据和实用方案。其创新性在于：

1. 通过DEM精准预测部件性能，缩短研发周期；
2. 反向旋转（RR）策略显著降低能耗；
3. 田间数据支撑了NTD在复杂农艺条件下的适用性。

论文发表于《Biosystems Engineering》，为全球高速免耕播种技术发展提供了中国案例。