《Computers and Electronics in Agriculture》：A sorting approach capable of ordering and discretizing stacked stalk-seeds by mechanical energy metering
编辑推荐：
针对连续行播种中自动甘蔗茎苗计量的分选难题，提出基于机械能计量的新型分选方法，通过调节能量释放与约束序列实现茎苗空间有序排列与离散化。结合DEM-MBD多体动力学仿真与台架实验，揭示了能量转换与茎苗接触力学机制，优化分选路径协调能量-流量调控，使排列有序度和离散均匀性分别提升50.3%和86.3%，验证了高质高效分选的实现方法。
Biao Zhang|Qiancheng Liu|Jishan Wen|Guangyi Liu
广西大学机械工程学院，中国南宁530004
摘要
对于连续行播种，自动甘蔗种子计量装置面临的一个挑战是将杂乱堆放的秸秆种子高效地分类成有序的离散排列状态。然而，这些不规则秸秆的几何变异性以及它们与流道的多次相互作用使得种子姿态和流量控制变得复杂。为了解决这个问题，提出了一种基于计量机械能充放电的新型分选方法，以适应性地调节高质能量棒状颗粒流的方向和流量。因此，顺序整合了排序和离散化的分流链。通过结合交互式离散元方法（DEM）-多体动力学（MBD）模拟和台架实验行为，研究了能量驱动-约束序列的动态结构-活性关系，随着颗粒排列逐渐转变为有序的供给和定量排放。这揭示了用于方向对齐和单独分离的标准化接触力学机制。研究表明，分叉滚动、不平衡碰撞和线性加速度的协同利用产生了直线化流动效果，并阐明了V形转向提升流能够实现的冗余消除效果。还开发了物流响应模型，以反映各种分流因素对顺序分选能力的影响。通过协调能量流的最佳调节路径，结果显示排列有序性和离散均匀性分别提高了50.3%和86.3%，这意味着对传输姿态一致性和排放精度的控制更加稳定。这种在保持效率的同时提高分选质量的方法，为不规则秸秆种子排列状态的可控转换提供了直接证据。
引言
作为主要的糖基经济作物，甘蔗通常使用带有双芽的无菌秸秆段进行大规模播种，这些秸秆段具有光滑的切口和完整的芽皮。根据不同的栽培模式要求，使用预先切割的双芽秸秆种子有助于在发芽和分蘖期间提供足够的水分和养分（Patnaik等人，2017年；Yang等人，2022年）。然而，这种种子在几何形状、形态和重量上与其他禾本科作物（如玉米、小麦和棉花）的种子有显著差异（Li等人，2020年；Li等人，2022年）。首先，生物秸秆中节间的不均匀发育导致双芽种子的长度和厚度分别在25～30厘米和2.5～3.5厘米之间变化（Zhong等人，2021年）。据估计，秸秆种子的大小是其他小粒种子的120多倍，这意味着自动播种机的种子储存和播种装置也必须更大，因此需要一个紧凑的集成布局。其次，秸秆种子的纵横比高达7:1或更高，且大多数节间具有一定的相对曲率。因此，与玉米等球形种子稳定的排列不同（Koller等人，2013年；Bai等人，2024年），这些各向异性且不规则的棒状颗粒经常相互干扰，并在传输流中随机偏移。它们倾向于与装置壁形成单点或多点接触，由此产生的碰撞力或不平衡扭矩使得几何形状多变的秸秆种子不稳定，表现为频繁倾斜、跳跃、重叠、堵塞或堆积（Zhang等人，2024年）。这些秸秆颗粒的动态响应差异加剧了它们群体排列的无序性和均匀性（Gbabo等人，2021年；Su等人，2023年）。因此，播种机的流动路径应侧重于柱状颗粒的分选能力，同时考虑种子姿态重组和流量限制的作用。此外，粗纤维种子的单体质量达到200～380克，是小粒种子的500多倍。大质量颗粒的传输需要双向调节驱动和机械能阻抗，以实现显著的位置-姿态和速率调节。总之，播种机的分选功能侧重于适应不规则秸秆颗粒的动态特性，使其空间排列状态可控。
对于甘蔗田间种植，水平播种需要大约30～35厘米的农艺植株间距，这可以显著提高高秆作物的抗倒伏性和产量（Qian等人，2023年；Wu等人，2024年）。然而，与垂直栽培模式相比，水平种子排列对由于漏播或重复播种导致的种子间距不均匀性更为敏感，需要联合播种机具有更高的排放精度（He等人，2020年；Chen等人，2022年）。在机械化操作开始时，数千颗缠绕的秸秆种子被一起装载到播种机的大型种子储存容器中，形成高度分散的堆叠。然后，在地面轮子、液压马达或重力的驱动下，并受到适当壁结构的限制，高度堆积的种子逐渐减小到较小规模，并在下降过程中以单向排列。进一步地，接触的种子彼此分离，成为离散的颗粒以实现连续的单独排放。因此，与小粒种子的整体扩散不同（Li等人，2012年；Ding等人，2021年），对杂乱堆放的秸秆种子进行分选是一个渐进过程，将它们依次转化为有序的供给状态，并在额定排放率下最终实现离散状态。在这方面，同时应用方向分流和流量限制已被证明可以平衡处理效率和播种质量（Zhang等人，2024年）。然而，高动能颗粒流与功能壁之间的接触大多是点接触或短线接触。结合棒状颗粒本身的高自由度，其多轴应力状态会发生剧烈和瞬时的变化，导致显著的随机空间偏移。倾斜秸秆的偏心状态可能导致其后续轨迹偏离预定方向。因此，初始的不一致性和随后颗粒排列和姿态的不规则变化加剧了适应性机器配置和基于监测的机电控制的障碍（Zhou等人，2022年；Zhao等人，2021年）。基于以上情况，对秸秆颗粒群体的动态分选更适合于计量它们的整体机械能变化，这种变化可以独立于大多数运动干扰，从而交互式调节驱动-约束耦合模式。
迄今为止，从事自动播种机研究的学者从多个角度研究了自动种子分选机制，包括颗粒特性、分流驱动、边界约束和基于计量的机电控制。关于异质颗粒形状的动态特性，Hao等人（2021年）、Hossain等人（2021年）和Hafez等人（2021年）研究了圆柱形、椭球形和3D十字形颗粒的剪切流动效应，重点关注颗粒大小、接触界面摩擦、颗粒间桥接模式和旋转惯性对排放堵塞行为的影响。然而，具有大纵横比的不规则棒状颗粒的动态响应特性尚未得到探索。关于驱动源，Du和Liu（2023年）以及Yu等人（2024年）使用了离散元方法-计算流体动力学（DEM-CFD）耦合模拟和台架测试来研究玉米和水稻种子在气流和振动激励下的填充力分配机制。然而，这些形式的动力显然不足以处理像秸秆种子这样的大尺寸重颗粒，更不用说通过能量充放电来调节传输的机制尚未阐明。考虑到边界处的方向分流效应，Zeng等人（2022年）和Ma等人（2023年）基于他们开发的种子输送模型分析了影响颗粒运动方向和腔内流动的结构壁因素。Pol等人（2022年）和Nagy等人（2023年）详细研究了在异质条件下的细长颗粒的剪切诱导排列。虽然这些发现为理解复合约束下的受限流动提供了参考，但促进棒状颗粒从无序堆放转变为有序离散排列的分流阻抗原理仍有待解决。关于种子流的机电调节，Huang等人（2018年）和Wang等人（2022年）配置了带有排放监测和PLC控制策略的甘蔗播种机，以减少漏播和重播率，但由于缺乏对混乱秸秆位置、姿态和流量的计量表征，难以服务于分选过程的动态调节。总体而言，大多数现有报告侧重于小而均匀种子的动态调节，而没有解决有效调节高能量颗粒姿态和流量方法论机制的问题，也没有揭示整合各种驱动和约束以重新组织种子排列序列的计量设计原则。这些因素共同导致了无法对最初杂乱堆放的秸秆种子进行有序定量播种。
鉴于目前缺乏一种适应性方法来有序且离散地分选杂乱堆放的秸秆种子，确保单个种子以均匀的姿态排放是一个挑战。本文提出了一种基于统一机械能计量的新型分选方法，通过调节秸秆方向和流量来排序和离散化棒状颗粒流。为此，整合了各种驱动和约束壁，形成了一个渐进的分流链，并分析了其方向对齐和颗粒间分离的动态原理。此外，建立了一个反映种子生物力学和壁功能特性的交互式DEM-MBD模型。这使得能够跟踪势能释放和动能积累之间的动态转换关系，以及其对秸秆位置和姿态的调节效应。通过带有分选计量的台架实验，建立了影响能量调节因素的分选能力的物流响应模型，以优化种子排列的有序性和离散均匀性。总体而言，通过利用颗粒机械能的演变，揭示了使颗粒群体相互作用趋向稳定的接触力学机制，旨在为不规则棒状颗粒的动态和机械流道的自适应设计方法提供参考。
部分摘录
整体结构和工作原理
图1显示了带有下游种子供给和上游种子排放的秸秆分选播种机的配置，以及逐步分流路径。为了便于将其安装在甘蔗播种机上，各种种子驱动模块和限制边界在高度紧凑的布局中结构集成。装载的种子最初随机堆放在一个容器中，该容器可以在0.08立方米的空间内容纳数百个双芽秸秆段，并且具有扩展能力。
由能量驱动和约束的分流效应
使用从模拟和实验分选中提取的相似的全过程Ek和Ep变化曲线，图7(a)将这两种计量能量波动与其总机械能Etot一起绘制出来。结合图7(b)中相应的颗粒位置-姿态的关键运动状态，通过调节施加的能量值分析了各种驱动模式和流量约束对颗粒流动的动态分流效应。
可以看出，在
结论
本研究专注于一种用于杂乱堆放秸秆种子的自适应分选系统。基于标准化的机械能计量，实现了一个能够顺序排序和离散化的有效分选链，以实现不规则生物秸秆颗粒的可控流动姿态和接触。结合动态分析、交互式DEM-MBD模拟以及带有机电控制和运动传感的台架实验，有效研究了能量转换和
CRediT作者贡献声明
Biao Zhang：撰写——原始草案、方法论、调查、资金获取、概念化。Qiancheng Liu：撰写——审阅与编辑、可视化、软件、资源、调查。Jishan Wen：调查、形式分析。Guangyi Liu：可视化、软件。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了中国博士后科学基金会（授权号：2023MD734147）的支持。我们衷心感谢本手稿的匿名审稿人提出的有益建议。
