基于离散元法(DEM)的辣椒弹齿滚筒采摘装置参数优化与机理分析

为解决辣椒机械化采收中机理不明、收获质量差的问题，研究人员基于离散元法(DEM)构建辣椒植株全模型，通过理论分析与仿真实验优化弹齿滚筒关键参数。研究建立了植株-弹齿动力学模型，确定转速170 r/min、前进速度0.61 m/s、弹齿倾角17°为最优组合，损失率η1降至5.66%，采摘率η2达85.90%，田间验证误差<7.24%，为同类作物采收设备研发提供理论支撑。

　　

辣椒作为全球广泛种植的经济作物，在食品、医药和工业领域具有重要价值。中国新疆地区作为辣椒主产区，长期依赖非对行弹齿滚筒采摘设备，但存在损失率高（η₁）、采摘率低（η₂）、破损杂质多等突出问题。传统研究多聚焦单一部件优化，对植株-机械互作机理认识不足，制约了采收质量提升。

针对这一瓶颈问题，国内某农业工程研究团队在《Smart Agricultural Technology》发表创新成果。研究人员以新疆"椒研909"为对象，通过离散元法(DEM)构建包含主茎(直径8mm)、侧枝(直径6mm)和果实的全植株柔性模型，首次实现从理论建模到田间验证的全链条研究。

关键技术方法包括：

1. 基于Hertz碰撞理论建立弹齿-辣椒接触力学模型，量化碰撞力F_max与参数关系
2. 采用EDEM软件构建含粘结键的DEM模型，校准茎秆(弹性模量271.9 MPa)与果实(密度760 kg/m3)参数
3. 通过单因素试验确定转速(150-190 r/min)、前进速度(0.5-0.7 m/s)、弹齿倾角(15-20°)优化区间
4. 应用Box-Behnken设计进行二次回归正交旋转组合试验

运动轨迹分析揭示作业机理
通过建立弹齿端点运动方程，发现特征参数k(ωR/v)>1时，有效作业范围Δx与k呈正相关。当转速170 r/min、前进速度0.61 m/s时，弹齿在植株结果区(长度350mm)的覆盖最均匀，避免重复打击导致的杂质率升高。

植株动力学特性解析
弹性势能分析表明：植株在压辊弯曲阶段积累能量，释放时产生11.2-14.6kJ动能，使植株以角速度ω₁=√(3000EI/JL₂³)进入滚筒。仿真显示植株高度差异超过50mm时，损失率增加37%。

碰撞分离机制创新发现
通过DEM-MBD耦合仿真，首次量化三种损失模式：

1. 飞溅损失：主要发生在弯曲阶段，占总量62%
2. 回带损失：转速>190 r/min时发生率骤增
3. 未分离损失：当碰撞力F_N<23N时出现

参数优化验证
田间试验验证：最优参数下η₁=6.07%、η₂=90.23%，较传统设备损失率降低41.2%。碰撞力峰值控制在124.56N(误差3.65%)，有效避免果实损伤。

该研究创新性地将DEM应用于全植株采收模拟，揭示"弹性势能-碰撞分离-运动轨迹"的互作机制。所建立的参数优化模型可为番茄、枸杞等浆果类作物采收设备研发提供普适性方法。未来研究可结合CFD-DEM耦合，进一步分析气流场对抛送损失的影响。