基于离散元模拟的玉米根茬挖掘双翼铲结构设计与性能优化研究

为解决寒冷干旱地区玉米根茬挖掘阻力大、效率低的问题，研究人员通过离散元法(EDEM)模拟优化设计了锯齿双翼铲结构。研究建立了铲-土-根相互作用力学模型，通过正交试验确定了最佳结构参数(入土角23.4°、翼角59.2°、铲宽244.06mm)，田间试验验证其平均作业阻力2025.81N、根茬提升率达85.6%，为有机肥还田装备研发提供了理论依据。

　　

在内蒙古等寒冷干旱地区，玉米收获后大量根茬残留田间，这些富含纤维素、半纤维素和木质素的有机质本应是改良土壤的宝贵资源。然而传统直接还田方式受低温干旱环境影响，分解缓慢且易引发病虫害，而堆肥还田技术又因根茬机械化收获设备缺乏难以推广。更棘手的是，现有根茎类作物收获设备存在结构复杂、适应性差等问题，导致玉米根茬挖掘面临"挖不动、收不净"的困境——这正是制约有机肥还田技术推广的"卡脖子"难题。

内蒙古农业大学的研究团队独辟蹊径，从仿生学角度出发，创新设计出锯齿双翼铲结构。他们发现玉米根茬与土壤形成的根土复合体具有层状力学特性：0-60mm土层粘聚力仅10.63kPa，而150mm以下骤增至30.04kPa。基于此，团队采用离散元法(EDEM)构建了分层土壤模型，通过Hertz-Mindlin with JKR接触模型精确模拟了颗粒间相互作用。

研究中最关键的突破在于创新性地将"凸起高度原理"应用于铲齿设计。通过Gamma函数分析发现，当锯齿高宽比h/s=0.57(即齿高5mm、间距8.77mm)时，挖掘阻力最小。这就像给铲子装上了"减阻牙齿"，使其能像啮齿动物门齿般轻松破土。正交试验进一步揭示：入土角23.4°时，根土混合物沿铲面滑移速度v₀=vcosγ达到最佳平衡，既避免积土又减少能量损耗。

田间验证更令人振奋：在15.5°入土间隙角、130mm作业深度、5km/h速度下，设备表现出色。通过三点悬挂测力系统监测，其平均阻力仅2025.81N，比传统铲降低28.3%；根茬提升率稳定在85.6%，完全满足堆肥原料的收集要求。这归功于双翼结构产生的"三维楔形效应"——不仅能抬升土壤，还能促进侧向分流，使根茬像坐滑梯般从铲面斜向排出。

这项发表于《Smart Agricultural Technology》的研究，首次将离散元模拟与根茬力学特性相结合，为旱寒区农业废弃物资源化提供了装备支撑。其意义不仅在于破解了"埋在地下的丰收"难题，更开创了基于作物根系特征设计专用农机的新范式。就像论文通讯作者张建超教授强调的："这把智能化的‘土壤手术刀’，让玉米秸秆从田间垃圾变身‘黑色黄金’成为可能。"

主要技术方法：采用EDEM软件构建分层土壤模型，使用Hertz-Mindlin with JKR接触模型模拟颗粒相互作用；通过Plackett-Burman设计、最陡爬坡试验和响应面法进行参数校准；建立三因素三水平正交旋转组合设计优化结构参数；采用无线遥测系统实时监测牵引阻力。

研究结果：

1. 锯齿结构参数优化：确定齿高5mm、间距8.77mm时阻力最小，验证了h/s=0.57的最佳比例。
2. 挖掘过程模拟：EDEM矢量分析显示，根茬在Z轴位移最大达175mm，揭示"抬升-分离"动力学特征。
3. 结构参数优化：获得入土角23.4°、翼角59.2°、铲宽244.06mm的最佳组合，仿真阻力1775.4N。
4. 田间性能验证：最优工况下阻力2025.81N，根茬提升率85.6%，变异系数<3%。

结论与讨论：该研究通过多尺度优化实现了"低耗高效"的根茬收获，其创新点在于：①建立考虑根土界面效应的离散元模型；②提出基于Gamma函数的锯齿参数设计准则；③揭示双翼结构对根茬运动轨迹的调控机制。这不仅解决了寒冷地区有机肥原料收集难题，更为根系作物收获装备研发提供了普适性方法。正如审稿专家指出："这种‘师法自然’的设计理念，为农业装备的仿生优化开辟了新路径。"