基于离散元法的大豆脱粒作用机理与作业参数优化研究

《Computers and Electronics in Agriculture》：Research on interaction mechanisms and operating parameter optimization of soybean threshing based on the discrete element method

　　

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  建立了大豆脱粒作业质量的机理模型。
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  建立了收获期大豆植株的离散单元交互模型。
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  揭示了籽粒破碎率和夹带损失率的形成机理。
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  建立的克里金 - 多目标鲸鱼优化算法模型可实现参数优化。

引言

大豆是一种重要的粮食和经济作物，机械化收获对于确保高效的大豆生产至关重要。作为联合收割机的核心工作部件，脱粒系统直接决定了收获过程中的籽粒破碎率和夹带损失率 (Jin 等，2026)。在实际收获作业中，通常通过调整滚筒转速、脱粒间隙和喂入量等作业参数来改善脱粒性能 (Zhu 等，2025)。然而，作业参数与脱粒性能之间的关系高度非线性，受大豆植株、籽粒和脱粒元件之间复杂的碰撞、接触、压缩和分离行为共同支配。因此，揭示大豆植株与脱粒元件之间的交互机理并阐明作业参数如何影响籽粒破碎和夹带损失，是实现大豆高效低损收获的关键科学问题 (Fan 等，2023，Yang 等，2024)。

全球范围内已开展了大量关于脱粒交互机理和作业参数优化的研究，大致可分为三类。(1) 脱粒动力学建模。开发了接触 - 碰撞模型、冲击动力学模型 (Qian 等，2017，Qian 等，2023) 以及描述籽粒运动的微分方程，以研究脱粒过程中籽粒的机械特性和运动行为 (Miu and Kutzbach, 2008a, Miu and Kutzbach, 2008b)。(2) 脱粒过程的数值模拟。离散单元法 (DEM) 已被广泛用于建立脱粒仿真模型，以分析籽粒的碰撞、运动、分离和损伤行为，从而揭示脱粒过程中控制籽粒损伤和分离的机理 (Fang 等，2024，Zheng 等，2025)。(3) 作业参数优化。基于籽粒破碎率 (Wang 等，2025，Zhang 等，2025b) 和夹带损失率 (Zhou 等，2026) 的田间试验或在线监测技术，建立了经验预测模型，以描述包括滚筒转速、脱粒间隙和喂入量在内的作业参数与籽粒破碎率和夹带损失率等脱粒性能指标之间的关系 (Wu 等，2026，Zhou 等，2026b)。这些模型已进一步应用于优化脱粒作业参数。

虽然这些研究为脱粒系统的设计和改进提供了有价值的参考，但大多数现有研究专注于脱粒过程中的单个过程或局部行为。动力学模型通常仅描述单个籽粒与脱粒元件之间的接触和碰撞行为，而离散单元模型主要考虑单个籽粒，很少考虑完整大豆植株的连续喂入。此外，脱粒性能模型主要基于实验数据使用经验模型或多元线性回归模型建立。因此，仍然缺乏能够描述作业参数与脱粒性能之间关系的统一机理模型以及相应的脱粒交互仿真模型。近年来，离散单元法 (DEM) (Ligier 等，2024) 已被广泛应用于模拟玉米、水稻和小麦的脱粒过程 (Liu 等，2022，Sun 等，2023，Xu 等，2025)。通过开发柔性植株模型，以前的研究成功地表征了作物植株与脱粒元件之间的碰撞和分离行为，为作物 - 脱粒元件交互机理和作业参数优化提供了重要见解 (Zhao 等，2026)。然而，关于大豆脱粒的研究主要关注脱粒滚筒的结构设计 (Kang 等，2023，Kang 等，2025)、脱粒部件配置 (Jin 等，2021) 以及作业参数对籽粒破碎和夹带损失的影响 (Jin 等，2019)，主要目的是减少收获损失 (Liu 等，2021；Liu 等，2025，Zhang 等，2022b)。相比之下，较少关注大豆植株与脱粒元件之间的交互机理，特别是脱粒过程中籽粒破碎和夹带损失的形成机理。

基于上述考虑，本研究专注于大豆脱粒过程。首先，建立了考虑滚筒转速、脱粒间隙和喂入量等关键作业参数影响的脱粒性能机理模型。随后，开发了大豆植株离散单元模型和脱粒交互仿真模型，以研究不同工况下籽粒破碎和夹带损失的机理。最后，构建了脱粒性能代理模型和多目标优化框架，以优化作业参数，从而减少籽粒破碎和夹带损失。所提出的方法为作业参数优化、智能控制以及大豆联合脱粒系统的低损高效收获提供了理论基础和技术支持。

章节片段

轴流式脱粒装置

轴流式脱粒系统广泛应用于大豆联合收割机，以实现籽粒脱粒和分离。图 1 展示了整体脱粒过程，由四个阶段组成：喂入段、脱粒段、分离段和秸秆排出段 (Xing 等，2024)。脱粒装置主要由脱粒元件和凹板筛组成。轴流式脱粒装置的设计喂入量为 6 kg/s，滚筒直径为 580 mm

大豆脱粒物料速度分析

图 12 展示了不同模拟时间下的大豆脱粒交互过程。根据脱粒装置内大豆植株的运动状态，脱粒过程可分为四个阶段：初始化阶段 (0～2 秒)、初始脱粒阶段 (2～3 秒)、稳态脱粒阶段 (3～4 秒) 和脱粒完成阶段 (5～6 秒)。在初始化阶段，大豆植株被连续喂入脱粒装置以

结论

本研究通过开发脱粒性能机理模型和植株 - 脱粒元件交互模型，专注于联合收割机中的大豆脱粒过程。阐明了作业参数影响籽粒破碎率和夹带损失率的机理，并优化了脱粒系统的作业参数。主要结论如下：

(1) 开发了籽粒破碎率和夹带损失率的机理模型

生成式人工智能和人工智能辅助技术在写作过程中的声明

“本工作准备过程中未使用生成式人工智能或人工智能辅助技术。”

CRediT 作者贡献声明

Fuqiang Gou：写作 - 原稿，概念化。Zhenjie Qian：经费获取，正式分析。Youliang Ni：监督，数据整理。Chengqian Jin：写作 - 审阅与编辑，方法论。Tengxiang Yang：可视化，软件。Guangyue Zhang：方法论，正式分析。Zheng Liu：项目管理，调查。Man Chen：资源，数据整理。Zeyu Cai：调查，正式分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本论文所报告的工作。

致谢

本研究工作得到了中国农业科学院创新工程 (编号：CAAS-SAE-202301)、国家重点研发计划项目 (2023YFD2000500)、国家重点研发计划项目 (2021YFD2000500)、江苏省基础研究计划 (BK20250277)、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项 (CARS-04-PS31)、国家自然科学基金 (编号：32171911)、中央级公益性科研院所基本科研业务费

Fuqiang Gou|Zhenjie Qian|Youliang Ni|Chengqian Jin|Tengxiang Yang|Guangyue Zhang|Zheng Liu|Man Chen|Zeyu Cai