《Biosystems Engineering》：State-of-the-art mechanised sesame harvesting: A multi-physics review of biomechanics, simulation methods, and adaptation to modern combine harvesters
在农业和生物系统工程中，机械化芝麻收获一直是一个持续存在的挑战。这一困难源于作物独特的特性，例如细长的茎秆、脆弱的蒴果以及极小且低密度的种子。传统的谷物联合收割机通常会对芝麻植株施加过度的机械和空气动力应力，导致收获过程中的大量种子损失。本综述从工程角度综合了当前关于芝麻收获的研究，整合了作物生物力学、切割与断裂力学、脱粒与冲击动力学以及种子气流相互作用。研究人员评估了芝麻茎秆、蒴果和种子的形态及水分依赖的力学特性。还评估了离散元素法（DEM）、计算流体动力学（CFD）、有限元分析（FEA）和多体动力学（MBD）在模拟机器-作物相互作用及支持预测性收割机优化方面的潜力。总结了当前的机械化技术和芝麻特有的创新，以及它们在适应现代联合收割机时的局限性。显著的研究空白包括缺乏标准化的生物力学数据集、经过验证的切割和断裂模型有限、DEM和CFD表示过于简化，以及混合多物理场仿真的集成极少。填补这些空白对于开发下一代芝麻收获系统至关重要，以减少种子损失、保持种子质量，并在多样的农业生态条件下实现高效的机械化生产。
论文主体部分总结如下：
**1. 引言**
芝麻（*Sesamum indicum* L.）是一种古老的油料作物，但由于其细长茎秆、脆弱蒴果和微小低密度种子等独特特性，机械化收获面临巨大挑战。传统谷物联合收割机在切割、输送、脱粒和清选过程中施加过度的机械和空气动力应力，导致种子大量损失。现有研究多集中于技术改进，但缺乏对芝麻与机器相互作用工程科学的深入理解。本综述从工程科学角度重新定位芝麻机械化问题，强调作物生物力学、切割与断裂力学、脱粒与冲击动力学、种子气流相互作用以及多物理场仿真的整合。
**1.1. 芝麻收获机械化作为工程科学问题**
芝麻机械化成功需要基于结构力学、断裂行为、颗粒动力学和空气动力分离等第一性原理进行设计，而不仅仅是硬件改造。现有文献在定量建模、材料特性表征和多物理场仿真方面存在重大空白，例如蒴果断裂能、切割力测量数据有限，缺乏经过验证的有限元分析（FEA）模型和离散元素法（DEM）研究。
**1.2. 芝麻植株的结构与力学特性**
芝麻茎秆细长（直径4-10 mm，高1.0-1.8 m），截面呈方形或多边形，中空或半实心，具有各向异性纤维分布，导致弯曲和剪切行为复杂。蒴果沿茎节排列，成熟后极易因振动和冲击破裂。种子极小（约3 mm），质量低（3-5 mg），含油量高，机械抗性低，易在脱粒冲击下开裂，且终端速度低，易在清选系统中被吸走。
**1.3. 切割、脱粒和清选的工程复杂性**
**1.3.1. 切割（割台机构）：** 割台需以最小弯曲引起蒴果破裂的方式切割茎秆，稳定茎秆并输送而不产生横向振动。传统谷物割台常引起过度振荡，导致种子提前释放。减少种子损失需要理解切割力、刀片-茎秆相互作用力学以及振动传递。
**1.3.2. 脱粒动力学：** 脱粒依赖冲击、摩擦和压缩力将种子从蒴果中分离，但芝麻种子断裂阈值极低，需最小化冲击力同时确保蒴果破裂。传统纹杆滚筒产生的力远高于阈值，导致种子损伤。优化脱粒系统需理解蒴果-杆冲击力学、凹板内应力场和蒴果破碎行为。DEM和数值建模方法在其他作物中已成功应用，但用于芝麻的脱粒研究仍极为有限。
**1.3.3. 清选空气动力学：** 清选利用气流将种子与颖壳分离，但芝麻种子低密度和微小尺寸使其极易被吸走。传统清选鞋设计用于较重谷物，产生的气流场会吹走芝麻种子。需要计算流体动力学（CFD）建模来优化气流矢量、湍流模式和颗粒夹带。DEM–CFD耦合在其他作物中已广泛应用，但芝麻清选系统尚无相关研究。
**1.4. 仿真与工程技术的作用**
现代数字工程方法如DEM、CFD和FEA为精确建模机器-作物相互作用提供了机会，包括种子流、蒴果破裂、茎秆断裂预测以及基于响应面法（RSM）和人工智能（AI）的优化。然而，芝麻相关的仿真研究有限，且缺乏校准和物理测量验证。
**1.5. 对机械工程科学综述的需求**
现有综述多总结技术历史或原型，缺乏对工程原理的深入分析。本综述旨在填补空白，涵盖植物生物力学、切割力学、脱粒动力学、清选空气动力学和多物理场仿真，并识别限制全面机械化的核心科学障碍。
**1.6. 本综述的结构**
后续部分将依次总结与机器设计相关的植物形态、力学和空气动力学特性；切割、脱粒和清选的工程力学；DEM、CFD、多体动力学（MBD）和FEA在芝麻收获建模中的作用；最先进设备与仿真驱动优化；现代联合收割机的适应性；工程科学空白与未来方向；以及结论。
**2. 芝麻的植物形态、力学特性与空气动力学行为**
**2.1. 与机械化收获相关的形态特征**
芝麻茎秆细长，直径4-10 mm，株高0.56-3.11 m，截面呈方形或多边形，具有各向异性刚度。茎秆由表皮、皮层、外围维管束和中髓组成，部分品种中髓中空。方形茎秆在剪切前易弯曲，增加蒴果破裂损失；低弯曲刚度需割台稳定茎秆；外围维管束需要锋利刀片和适当切割角度。
**2.2. 茎秆的力学特性**
机械特性取决于基因型、水分含量、成熟度和截面几何形状。
**2.2.1. 拉伸与剪切特性：** 剪切强度与茎秆直径线性相关，水分含量降低剪切强度。拉伸加载显示脆性断裂，塑性变形有限。剪切力公式为 F
s=τ
s·(πd
2/4)，有效剪切应力低于谷物，但弯曲先于剪切增加了损失。
**2.2.2. 弯曲行为与动态加载：** 茎秆弯曲刚度低，易受拨禾轮、切割器振动或风引起的动态弯曲影响。弯曲力可低至2-5 N，共振频率8-14 Hz，接近典型割台振动频率，从而放大蒴果振动和损失。
**2.2.3. 水分含量的影响：** 高水分使切割更容易但蒴果更具弹性；低水分增加脆性，加剧炸蒴损失。水分低于6-8%时蒴果对振动极为敏感，因此收获时机需平衡切割容易度与最小化炸蒴。
**3. 切割、脱粒和清选的工程力学**
**3.1. 切割力学**
**3.1.1. 芝麻茎秆的剪切-弯曲相互作用：** 茎秆细长、各向异性且多边形截面导致剪切失效前发生显著弯曲，弯曲放大茎秆上部振动，增加蒴果过早破裂。高刀片振动频率下，弯曲改变刀片-茎秆相互作用，导致撕裂而非干净切割。
**3.1.2. 刀片-茎秆相互作用与切割能量：** 刀片角度、表面光滑度和往复速度决定力传递。锐角刀片减少所需力，钝刀片增加摩擦导致振动。共振频率放大茎秆振荡。因此，谷物切割器需经适应性改造以降低振动传递避免共振。
**3.1.3. 拨禾轮-作物相互作用与动态加载：** 拨禾轮需精确速度和位置。过高的拨禾轮指数（拨禾轮尖端速度与前进速度之比）对茎秆和蒴果施加高加速度，引发早期破裂。拨禾轮指数应略高于1以避免不必要的冲击载荷。优化需整合动态力建模和实时运动学同步。
**3.2. 脱粒力学**
**3.2.1. 蒴果破裂动力学与应力传播：** 蒴果在低机械激励下破裂，种子在相对温和冲击下开裂。脱粒时需精确控制能量大小和速率，以在破裂蒴果的同时保持种子完整性。大多数谷物脱粒滚筒施加的力远高于所需，导致高种子损伤率。
**3.2.2. 滚筒-凹板相互作用与冲击能量传递：** 滚筒切向速度强烈影响冲击力大小，速度增加减少接触时间，峰值力超过种子损伤阈值；速度过低则蒴果未破裂。凹板间隙需平衡蒴果破裂与种子保护。水分含量也影响该动态过程。
**3.2.3. 种子损伤与效率的权衡：** 核心挑战是在脱粒效率与最小化种子损伤之间取得平衡。一旦滚筒速度超过最佳范围，种子损伤呈指数增加。需要具有受控力分布、低冲击杆、橡胶化表面或多级脱粒系统的设计。
**3.3. 清选力学**
**3.3.1. 气流系统中的流体-颗粒相互作用：** 芝麻种子终端速度接近颖壳颗粒，使分离对气流波动高度敏感。阻力随气流速度二次方增加，微小变化即可显著影响种子夹带。有效清选需要气流足够强以吹走颖壳，但低于种子终端速度下限。
**3.3.2. 清选鞋动力学与种子分层：** 清选鞋结合机械振动和气流。筛孔需小以防止种子损失，但增加堵塞风险。振动幅度和频率需促进分层而不引起种子弹跳或侧移。芝麻种子惯性小，易被气流或振动位移，导致损失。
**3.3.3. 清选系统设计的空气动力约束：** 清选过程需在狭窄气流容差内操作，避免吸走损失。气流均匀性至关重要，湍流会意外提升种子。需优化风机几何形状、流道和CFD验证。
**4. 芝麻收获的仿真方法**
**4.1. 离散元素法（DEM）**
**4.1.1. DEM校准与颗粒建模：** DEM需校准颗粒刚度、阻尼、恢复系数、粘附和摩擦参数。芝麻种子小、含油量高，校准困难。Sharaby等人开发了多球体DEM模型，通过休止角、剪切和落锤试验估算参数。未来需纳入椭圆几何和表面粗糙度。
**4.1.2. DEM用于脱粒系统分析：** DEM可追踪脱粒单元内蒴果破碎、种子脱离和种子-金属碰撞，量化冲击力空间分布，预测种子损伤。蒴果破裂建模需要粘合键或粘结颗粒模型。目前芝麻的详细DEM模拟少见。
**4.1.3. DEM用于清选和输送系统：** DEM可预测种子在振动筛和输送机上的运动，结合气流模型识别吸走损失或筛网堵塞条件。DEM-CFD耦合已用于其他作物，但芝麻清选系统尚无类似研究。
**4.2. 计算流体动力学（CFD）**
**4.2.1. 风机与气流分布建模：** CFD可可视化风机、管道和清选单元内部气流场，识别死区、回流和高速度区。湍流模型（如k-ε或k-ω）用于模拟真实气流行为。
**4.2.2. CFD用于清选鞋优化：** CFD模拟气流与筛面材料层相互作用，预测种子起升，优化风机速度和管道几何。DEM-CFD耦合可预测吸走损失、种子分层和分离效率。
**4.3. 有限元分析（FEA）**
FEA可模拟茎秆和蒴果的结构与断裂行为。在切割仿真中，分析刀片穿透和应力分布，优化刀片角度和往复模式。对于蒴果破裂，利用内聚区模型模拟裂纹萌生和扩展。目前芝麻FEA模型受限于生物力学数据稀缺。
**4.4. 仿真方法案例研究**
Ding等人利用DEM-CFD耦合优化水稻清选性能，通过测量终端速度并仿真，将单风道设计改为多风道，显著降低损失。Sun等人耦合DEM-MBD模拟油菜收获，优化前进速度和拨禾轮速度，损失减少44.84%。Fang等人结合DEM与可解释机器学习预测玉米脱粒，误差小。Dai等人利用CFD-DEM耦合优化亚麻清选参数，实现低损失率。这些案例展示了仿真方法在作物收获中的潜力，但均未直接应用于芝麻。
**4.5. 仿真范围与作物特定限制**
本综述引用的详细仿真工作多来自水稻、小麦、玉米和亚麻等作物，仅作为方法论示例。芝麻特定仿真研究有限，仅有少数报告了校准的DEM种子模型或初步气流分析。完整的茎秆切割、蒴果破裂力学、脱粒冲击和种子-气流相互作用仿真仍缺失。需要建立包含准确生物力学参数、真实边界条件和耦合多物理场相互作用的专用建模框架。
**4.6. 集成的实验与仿真框架用于收割机优化**
该工作流程从植物材料力学和空气动力学测试开始，构建并校准DEM、FEA和CFD模型，模拟切割、脱粒和清选系统，优化关键操作参数，进行田间验证并迭代改进。
**5. 最先进的机械化技术与工程创新**
**5.1. 芝麻收割机的演变及其局限性**
早期机械化尝试改编谷物收割技术，但存在根本性不匹配：切割器传递过多振动，脱粒滚筒造成种子损伤。演变分为三个阶段：改编现有机械、改进部件、探索作物特定工程方法。但进展有限，尚未开发出完全集成的芝麻专用收割系统。当前大多数收割仍依赖改装联合收割机，导致损失。
**5.2. 切割与割台系统的进展**
创新包括改进切割器（阻尼元件、变行程机构）、优化刀片几何、集成柔性支撑元件稳定茎秆，以及拨禾轮设计（柔性齿、可调指状突出、同步速度控制）。这些改进减少了割台损失，但缺乏预测性工程模型。
**5.3. 脱粒系统的创新**
低冲击脱粒单元（螺旋转子、柔性拍打、橡胶化纹杆、扩大凹板间隙）和多级脱粒系统被测试，以减少峰值冲击力。但需要精确校准和一致水分条件，且缺乏鲁棒建模框架来预测现场变异性。
**5.4. 清选系统与气流控制的创新**
清选鞋创新包括可变空气分配系统、多区气流控制和改进筛网几何。一些系统采用更小筛孔、变振幅振动和精细风机速度控制。但未充分基于CFD验证或预测性建模。
**5.5. 传感器与自动化技术的集成**
芝麻收获中传感器自动化基本未开发。其他作物已验证的传感技术（振动阻尼、光学图像处理、压电传感器、湿度传感、自适应控制等）可潜在适应芝麻，但需重新校准和验证，因为芝麻种子小、炸蒴敏感。
**5.6. 芝麻及其他小种子作物机械化收获的最新技术**
研究总结表明，种子损失主要受割台配置、切割和喂入力学、脱粒运动学和清选系统设置影响。优化方法（如RSM）可显著降低损失，但研究多限于特定品种和条件，需要更通用的模型驱动和田间验证框架。
**5.7. 现代联合收割机在芝麻收获中的适应与优化**
不同联合收割机设计（如轴向流、混合系统、传统滚筒-逐稿器系统）对芝麻收获影响显著。高端轴向和混合系统可通过降低滚筒转速减少种子损伤，但清选风机需谨慎控制以避免种子吸走。喂入和割台机构也影响损失。成功依赖于机器灵活性和操作调整，而非额定容量。
**6. 工程科学研究空白与未来方向**
**6.1. 缺乏基础生物力学数据**
生物力学数据（拉伸强度、剪切强度、刚度、断裂韧性、空气动力学特性）测量多变，缺乏标准化测试协议和水分校准。需要系统表征不同水分、成熟度、基因型和加载条件下的芝麻组织，建立统一材料库。
**6.2. 缺乏预测性切割模型**
没有经过验证的FEA-DEM混合模型来模拟芝麻茎秆在往复刀片加载下的实时变形、剪切失效和振动传递。需要高分辨率材料表征、改进接触模型和实验验证边界条件。
**6.3. 脱粒物理仿真有限**
现有DEM研究很少考虑蒴果各向异性、水分依赖破裂能或多种子内应力分布。急需结合粘结颗粒模型，校准至芝麻蒴果断裂力学，以及DEM-CFD模型模拟滚筒、蒴果和种子动态相互作用。
**6.4. 清选系统空气动力学建模不足**
缺乏全面的CFD研究。未来清选鞋开发需依赖包含湍流建模、颗粒夹带预测和气流均匀性分析的CFD仿真，并与DEM耦合预测种子起升阈值。
**6.5. 混合多物理场模型集成极少**
芝麻机械化需要整合FEA（茎秆）、DEM（种子）、CFD（气流）和MBD（收割机运动学）的混合建模，但尚未有研究尝试。模块化仿真架构是未来方向。
**6.6. 缺乏标准化田间测试与应用研究**
现有研究多集中于实验室或小规模田间测量，缺乏基于仿真设计的完整芝麻收获系统在标准田间条件下的系统评估。需要建立统一评估程序，涵盖不同品种、环境和系统。
**6.7. 智能自适应控制系统应用不足**
基于规则或学习的智能控制（如模糊逻辑、支持向量机）在其他作物中已实现，但芝麻尚无。需要首先进行传感器集成校准，然后开发闭环控制系统来调节芝麻的脱粒和清选操作。
**7. 结论**
机械化芝麻收获仍具挑战性，因为作物特性与常规联合收割机不匹配。需要整合生物力学与多物理场仿真的工程科学方法：优化切割、脱粒和清选。DEM、CFD、FEA和MBD是建模工具，但受限于材料数据缺失和智能反馈系统早期阶段。当前解决方案多为经验性、部件级。填补数据与仿真空白是开发芝麻专用收割机、减少损失、保持质量的关键。
