基于EDEM-RecurDyn耦合仿真的生姜根茎分离装置优化设计与试验研究

为解决生姜机械化收获中茎秆易脆断、分离效率低的问题，研究人员基于EDEM-RecurDyn耦合仿真算法开发了双夹持低自由度切割装置，通过力学测试与参数优化获得最佳工作参数（转速190 r/min、切割角8.8°、切割距离9.5 cm），使切割完整率达94.9%、断损率降至4.49%，为生姜收获装备设计提供理论支撑。

　　

生姜作为药食两用的重要经济作物，其收获环节长期依赖人工，尤其在主产区山东，传统采收方式效率低下且易导致根茎脆性断裂。机械化收获面临的核心难题在于：茎秆密度高（15-20株/丛）、韧性强的特性易引发切割堵塞，而根茎体积大（高度250-300 mm，宽度300-350 mm）产生的惯性力会导致刀片偏转延迟切割，相邻根茎间的应力集中更会诱发连锁断裂。现有研究虽对土壤-根茎分离机制有较多探索，但针对根茎-茎秆分离的专用装置研究近乎空白。

为突破这一技术瓶颈，山东农业大学团队创新性地开发了双夹持低自由度精准切茎装置。该装置通过差速双链强制喂入、双圆盘刀片协同作业，结合EDEM-RecurDyn多物理场耦合仿真技术，首次实现了生姜收获过程中应力传播-材料失效机制的动态可视化解析。

研究采用多尺度实验与仿真相结合的技术路线：首先通过电子万能试验机和EZ-TEXT质构仪测定茎秆的蠕变、松弛、穿刺和剪切力学特性（最大剪切载荷55.37 N，波动穿刺力27.78-47.63 N）；继而利用SolidWorks构建三维参数化模型，在EDEM中采用Bonding V2键合粒子（直径0.5 mm，键合半径1 mm）模拟茎秆粘弹性；最后通过RecurDyn配置CMotion(G)多体约束，建立考虑实际运动学特征的离散元接触模型。

关键研究发现包括：

1. 1.

   机械特性测试：应力松弛实验显示茎秆在固定变形下应力持续衰减，证实其显著粘弹性；剪切测试中载荷曲线呈现"上升-平台-骤降"特征，最大剪切力55.37 N为刀片设计提供依据。

2. 2.

   装置创新设计：差速双链机构（下链转速>上链）配合抛秧机构，实现茎秆有序输送与定向抛撒；动力学分析表明当切割角β=8.8°时，系统满足力平衡方程∑F_x=F_csinβ-f₄+f₃+F₁cosβ=0。

3. 3.

   参数优化：响应面分析揭示切割完整率主要受刀速（X₁）和切割角（X₂）交互影响（p<0.0082），回归模型Y₁=96.40+2.38X₁-1.25X₂-7.20X₁²显示参数存在最优区间。

安丘田间试验验证：在土壤含水率14.36%的粘重条件下，装置以0.36 m/s作业速度实现切割完整率94.9%，较优化前降低断损率12个百分点。应力分布仿真表明，双夹持结构能将剪切力集中在中部切割区（峰值应力7×10⁹ Pa），有效隔离根茎端应力传递。

该研究通过多学科交叉方法，首次建立生姜茎秆切割的离散元-多体动力学联合仿真体系，提出的双夹持约束机制为高杆作物收获装备设计提供了新范式。设备优化参数已应用于山东生姜主产区，推动我国特色经济作物收获机械化水平提升。未来研究可进一步探索不同品种茎秆力学特性的基因组学基础，实现装备参数的智能调节。