基于MBD-DEM耦合方法的窄间距块茎芥菜移栽装置的机理分析与实验验证

《Computers and Electronics in Agriculture》：Mechanism analysis and experiment verification of narrow-spacing tuber mustard transplanting device based on MBD-DEM coupling method

中国芥菜窄行移植设备设计与优化研究通过MBD-DEM耦合仿真和田间试验验证。设备针对12-14cm窄行设计，试验显示移植合格率达90%，苗间距130.6mm变异系数3.4%，移植深度合格率98%，苗 upright率达97.3%。

　　

宣贯涛|邵圆圆|张宏东

山东农业大学机电工程学院，中国泰安271018

摘要

芜菁芥是一种典型的窄行间距作物（12–14厘米），由于缺乏专用机械，长期以来一直依赖人工移栽，这导致了高劳动强度和低生产效率。为了克服这一限制，设计了一种专门的移栽设备以满足窄行间距的农艺要求。使用多体动力学（MBD）和离散元方法（DEM）建立了芜菁芥移栽系统的仿真模型，以研究移栽机、幼苗和土壤之间的相互作用机制。对整个移栽过程进行了数值模拟和运动学分析，结果验证了结构设计和操作参数的合理性。田间试验表明，该设备性能优异：缺苗率和损伤率分别为2.5%和2.6%，播种深度合格率达到98%，幼苗直立率为97.3%，整体合格率为90%。此外，平均株距为130.6毫米（变异系数：3.4%），证明了设备的稳定运行并符合窄行间距的农艺标准。

引言

芜菁芥（Brassica juncea L.）是中国特有的蔬菜，在20多个省份都有种植。其中，重庆和浙江的种植面积合计超过150万英亩，约占全国总种植面积的一半（Cai等人，2023年）。它也被认为是世界上三大腌制蔬菜之一，与法国酸黄瓜和德国甜酸卷心菜齐名（Fu等人，2019年；Liu等人，2022年）。芜菁芥的主要栽培方法是移栽幼苗，相比直接播种具有节省种子、可选择性育苗以及降低发芽阶段自然灾害风险等优点，从而提高了存活率和生长质量（Paradkar等人，2021年；Syed等人，2019年；Zhao等人，2022年）。然而，作为一种典型的窄行间距作物（12–14厘米），它主要依赖人工移栽，导致劳动强度高且生产效率低（Chethan等人，2022年；Sri等人，2022年；Wen等人，2021年）。因此，开发适用于窄行间距芜菁芥的移栽机已成为缓解劳动力紧张和促进产业发展的迫切需求。

传统上，蔬菜移栽机根据实施方法和工作原理分为链夹式、导苗管式、柔性盘式和鸭嘴式（Jin等人，2020年；Wang等人，2018年）。其中，链夹式仅适用于裸根幼苗，效率较低；导苗管式在调整株距和保证幼苗直立性方面存在困难，后者受机器前进速度的影响较大，导致倒伏率较高；柔性盘式虽然易于调整紧密间距，但仅适用于长茎作物，如 Welsh洋葱。相比之下，鸭嘴式移栽机具有更好的适应性、更广泛的应用范围和更大的结构优化潜力，能够有效满足芜菁芥的窄行间距要求（He等人，2023年；Lu和Yang，2012年）。然而，现有的移栽机设计和优化工作主要集中在改进播种轨迹上（Hwang等人，2020年；Reza等人，2021年；Shao等人，2019年），其结果仅反映了设备在理想条件下的运动性能。值得注意的是，关于实际工作环境对移栽效果的影响仍存在研究空白。

为了解决这一空白，研究人员提出了用于机械设备操作效果的微观尺度仿真和分析方法，例如离散元方法（DEM）。作为一种强大的数值计算方法，DEM摒弃了连续介质力学的处理方式。通过将粒子作为研究对象，它可以揭示设备与作物或设备与土壤在微观尺度上的接触模式，从而优化机械结构。Chen等人（2024年）使用DEM建立了秸秆覆盖的土壤-秸秆复合模型，并设计了多种弹簧和耙齿的组合方案。Zhu等人（2023年）通过将有限元方法（FEM）与DEM相结合，开发了水稻旋耕系统的动态模型。该模型揭示了水稻田旋耕过程中物理和机械参数的变化规律及运动机制。Gu等人（2022年）研究了不同操作条件对秸秆抛射装置性能的影响，并获得了最佳操作参数：2300转/分钟（刀片速度）、1.4千克/秒（进料速率）和220毫米（管道直径）。Han等人（2018年）使用DEM-计算流体动力学（CFD）耦合方法对玉米充气精量播种设备中的气固流进行了数值模拟。Zhang等人（2023年）设计了一种非对称切割系统，并通过DEM建立了白菜仿真模型，从微观和宏观角度揭示了切割机制。Wang等人（2023年）研究了一种开沟和回土装置，并利用多体动力学（MBD）-DEM耦合深入分析了其开沟过程。DEM与MBD的结合在农业系统分析中已被证明是有效的，例如在优化移栽参数（Jin等人，2025年）和解释“船底”状幼苗姿态形成（Shao等人，2023年）方面的应用。将这种耦合方法扩展到研究设备、土壤和幼苗之间的基本相互作用机制，可以显著提升移栽设备的设计过程。

本研究的目标是开发一种合理且实用的移栽设备，充分考虑机器-土壤-幼苗之间的相互作用。具体目标包括：（1）设计并优化适用于窄行间距芜菁芥幼苗的移栽设备；（2）通过MBD-DEM耦合仿真研究设备、芜菁芥幼苗和土壤之间的相互作用机制；（3）通过田间试验验证所开发的窄行间距芜菁芥移栽设备的可行性。

设计要求

芜菁芥的农艺种植方式不仅是评估移栽质量的标准，也是设计移栽设备的基本前提。由于芜菁芥膨大阶段降雨过多会导致根部过度膨胀和随后出现空洞，因此其在隆起的垄上种植。垄面呈龟背形状（拱形），以利于排水。如图1所示，

移栽设备参数优化

图6展示了参数优化前后种植点的静态和动态轨迹。如图6(a)所示，尽管优化前的轨迹满足了130毫米的株距要求，但鸭嘴在土壤穿透和撤回过程中形成的过大空腔阻碍了土壤回填，可能导致幼苗倒伏或受损。相比之下，优化后的轨迹不仅满足了

结论

本研究通过系统的结构参数分析和优化，开发了一种适用于窄行间距芜菁芥的移栽设备。应用MBD–DEM耦合仿真揭示了幼苗、移栽设备和土壤之间的相互作用机制。该方法不仅捕捉了芜菁芥幼苗和土壤在移栽过程中的动态响应，还验证了结构设计的合理性。田间试验进一步验证了

作者贡献声明

宣贯涛：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，方法论，调查，数据管理，概念化。邵圆圆：可视化，监督，项目管理，调查，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。张宏东：可视化，软件，资源，方法论，调查，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。