基于离散元方法（DEM）对逆向旋转 straw （此处“straw”可根据具体语境理解为“稻草”或其他类似物料）掺入过程中 straw （此处“straw”同样可根据具体语境理解为“稻草”或其他类似物料）缠绕运动规律的研究

《Powder Technology》：Investigation of the kinematic patterns of straw entanglement during counter-rotary straw incorporation based on the DEM

稻秆反旋抛埋过程中，基于离散元法（DEM）模拟揭示了稻秆缠绕机理及影响因素。通过分析扰动、提升、埋藏、回落、定植埋藏等阶段，发现稻秆长度与缠绕率呈显著正相关（17.52%），埋藏率随缠绕加剧从88.5%降至78.2%。主要归因于稻秆结构特性及主轴扰动区压缩力交互作用，最终提出优化机械参数与改进稻秆预处理方案的技术路径。

　　

Jinwu Wang|Qihan Li|Hongxu Chen|Haoqiang Zhang|Zihui Zhang|Qi Wang|Han Tang|Wenqi Zhou|Xiaobo Sun

东北农业大学工程学院，中国哈尔滨150030

摘要

稻草的混入是资源利用的关键技术，有助于实现可持续农业。然而，稻草的反向旋转混入过程及其相关的缠绕现象尚未得到充分理解；明确整体机制并分析缠绕的原因对于确保混入效果至关重要。在本研究中，采用离散元方法（DEM）进行模拟，以研究反向旋转混入过程以及稻草在主轴上的缠绕原因。通过分析不同阶段的运动机制——扰动、提升、埋藏、回落和沉降埋藏——揭示了反向旋转混入过程中整个稻秆的演变特征以及稻草、土壤和机械之间的相互作用模式。基于模拟的验证表明，在2-7秒内，稻草的缠绕率分别为4.83%、6.57%、8.20%、12.10%、17.35%和17.46%，最终稳定在约17.52%。数据分析显示，随着缠绕程度的增加，稻草的埋藏比例从88.5%下降到78.2%。进一步分析表明，缠绕的产生与稻草的结构特性和主轴扰动区域内的压缩力有关。在研究影响缠绕严重程度的因素时，我们发现稻草长度与缠绕程度之间存在显著的正相关关系，这表明稻草长度是影响缠绕严重程度和混入效果的因素之一。利用DEM，本研究阐明了稻草的反向旋转混入过程，并揭示了混入过程中的缠绕进展和原因。这些发现为优化混入机制提供了参考，并有助于控制可持续农业中的缠绕风险。

引言

随着全球人口的持续增长，粮食生产对于确保粮食安全至关重要[1]。在农业生产系统中，作物秸秆作为农作物种植的主要副产品，占用了大量的生物量，其产量逐年增加[2,3]。因此，综合利用作物秸秆是实现可持续农业的重要考虑因素。传统的秸秆管理方法——尤其是露天焚烧和农场堆放——会导致严重的环境污染[4,5]。因此，开发能够保持土壤有机质并提高后续作物产量的有效秸秆管理策略是现代农业面临的主要挑战[6]。

秸秆混入越来越被认为是农业系统中有效的残余物管理方法。秸秆混入不仅减少了露天焚烧带来的环境污染，还增加了土壤有机质，改善了土壤团聚体结构，并促进了作物生长[7],[8],[9]。然而，在实践中，秸秆与混入机械之间的相互作用机制仍不够明确。为了解决这些问题，已经进行了大量研究。Lin等人[10]开发了一个全尺寸的机械-土壤-秸秆相互作用模型，研究了铲型机械在操作过程中与秸秆的相互作用，分析了秸秆在土壤中的三维运动轨迹，并探讨了提高浅层秸秆埋藏均匀性的策略。Xie等人[11]研究了在沙江黑土（一种粘性重粘土）上行走的履带对秸秆的运动影响，揭示了履带履带同时对秸秆和土壤的作用机制。Li等人[12]通过分析内部气流场，阐明了切碎单元内的秸秆输送行为，量化了气流速度梯度对秸秆抛射轨迹的影响，并通过优化单元结构参数提高了切碎的均匀性。Chen等人[13]分析了垂直弹簧齿耙组合装置清除秸秆和破碎土壤的作用机制，系统地描述了机械-秸秆-土壤之间的相互作用，以优化大跨度清除性能。然而，很少有研究关注秸秆混入机械在田间的实际混入过程。由于秸秆在混入过程中表现出复杂的运动学和变形特性，而传统的实验方法效率低下且可靠性有限，因此详细研究秸秆混入过程具有重要意义。计算技术的进步使得离散元方法（DEM）成为分析和优化的强大工具，能够更真实地再现相互作用过程中的复杂现象[14,15]。利用这种方法，可以获得农业机械部件、土壤和秸秆在操作条件下的力和运动情况[16],[17],[18]。与传统实验相比，DEM在准确性、效率、可靠性和便捷性方面具有显著优势；它不仅提供了更直观的模拟结果，还避免了物理测试中可能出现的误差和限制。当使用DEM研究机械-秸秆相互作用模式时，构建准确的秸秆颗粒模型是阐明秸秆运动学和变形特性的前提[19]。早期研究通常使用刚性秸秆模型，这降低了计算成本并加快了模拟速度[20]，但这类模型无法有效捕捉田间操作过程中外部载荷下的弯曲和变形。为了提高模拟的真实性，研究人员逐步开发了柔性秸秆DEM模型。例如，Zhang等人[21]将球形DEM颗粒粘合成圆柱形柔性元素（即粘合颗粒模型），构建了可弯曲的柔性秸秆DEM表示。Liu等人[22]用多个球体填充环形环，形成环形结构元素，然后组装成空心秸秆颗粒模型。这些柔性模型更准确地反映了秸秆在外力作用下的机械行为。此外，离散元方法还可以在微观尺度上研究颗粒系统的力和运动状态。通过模拟机械操作，可以识别特征颗粒运动模式，从而推断操作过程中诸如颗粒破碎等现象的原因。例如，Cheng等人[23]基于离散元方法开发了粘合秸秆颗粒的离散元模型，并模拟了双螺旋粉碎机操作过程中的秸秆颗粒运动。通过分析螺旋输送、压缩和剪切下的特征颗粒运动，研究了操作过程中颗粒破碎的主要原因。Wang等人[24]使用离散元方法研究了秸秆颗粒与挖沟埋藏机械之间的相互作用机制。通过解释操作过程中秸秆颗粒的运动模式并整合相关性能指标的实验验证，分析了影响操作性能的参数，并为优化机械性能提供了依据。Liu等人[25]使用离散元方法模拟了稻粒的脱粒和分离运动，阐明了同心和偏心脱粒间隙对脱粒性能的影响，并表明脱粒间隙是决定脱粒装置性能的重要操作参数。

尽管关于机械-秸秆相互作用模式及其优化的研究很多，但稻草的反向旋转混入过程以及混入过程中复杂的秸秆缠绕现象尚未得到足够的关注。秸秆缠绕不仅会妨碍秸秆均匀分布到田间，还会阻碍土壤通气，从而影响根系生长[26,27]。因此，研究稻草的反向旋转混入过程及其相关的秸秆缠绕现象对于提高秸秆混入技术的效果和改善土壤健康状况具有实际意义。总之，反向旋转混入过程和秸秆缠绕现象仍需进一步探索。因此，在本研究中，我们利用DEM研究了稻草的反向旋转混入过程，阐明了秸秆缠绕的机制，并确定了影响缠绕严重程度的因素。本研究旨在为优化秸秆混入技术提供理论和实践参考。

反向旋转稻草混入机械的模型和工作原理

存在几种常见的秸秆混入方法，包括撒播混入、犁耕混入和旋转耕作混入[28]。在旋转耕作混入中，反向旋转混入因其独特的优势和进一步改进的潜力而受到全球研究人员的持续关注。

对整个稻秆的反向旋转混入过程的分析

为了阐明反向旋转混入过程中整个稻秆的运动机制，明确秸秆、土壤和混入组件之间的相互作用模式，从而找出操作过程中出现的问题，我们对整个稻秆的反向旋转混入过程的几个关键阶段进行了系统描述。图5(a)-(f)显示了不同操作阶段的迁移、翻转和埋藏状态。

结论

本研究利用DEM构建了一个灵活的稻草模型，研究了反向旋转混入过程中的秸秆输送和秸秆缠绕现象，分析了缠绕的主要原因，并阐明了秸秆输送的状态和模式以及缠绕的形成过程和潜在影响。进一步明确了整体缠绕现象的主要影响因素及其相应的优化策略。

作者贡献声明

Jinwu Wang：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，软件开发，概念构思。Qihan Li：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，项目管理，方法论，数据管理，概念构思。Hongxu Chen：撰写——审稿与编辑，调查，数据分析，概念构思。Haoqiang Zhang：软件开发，数据分析，数据管理。Zihui Zhang：验证，监督，软件开发，概念构思。Qi Wang：可视化，验证

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFD2301602-1）、黑龙江省自然科学基金青年科学家项目（QC2025C001）、中国国家重点研发计划（2023YFD1500402-05）、黑龙江省自然科学基金研究团队项目（TD2023E001）、黑龙江省博士后科学基金（LBH-Z22090）和省级重点研发计划（2022ZX05B05）的支持。