《AgriEngineering》：Flexible DEM-Based Analysis of Rice Straw Shear Fracture Mechanisms and Comminution Parameter Optimization for Whole-Feed Combine Harvesters
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高含水率水稻秸秆在全喂入联合收割机处理时常表现出高切割阻力和粉碎后粒径分布不均。为解决上述问题，研究人员研制了与脱粒清选系统秸秆出口集成的秸秆粉碎装置，并研究其剪切断裂机理与运行参数。研究人员测定了永优7301和科内梗1号两个水稻品种秸秆的几何特征、密度、接触
高含水率水稻秸秆在全喂入联合收割机处理时常表现出高切割阻力和粉碎后粒径分布不均。为解决上述问题，研究人员研制了与脱粒清选系统秸秆出口集成的秸秆粉碎装置，并研究其剪切断裂机理与运行参数。研究人员测定了永优7301和科内梗1号两个水稻品种秸秆的几何特征、密度、接触特性和弯曲特性；采用赫兹-明德林结合键接触模型(Hertz–Mindlin with Bonding)建立空心柔性秸秆离散元模型，并通过准静态剪切切割试验对参数进行标定与验证。研究人员在30°、45°和60°剪切角下分析了剪切角对最大切割力、结合键失效演化和载荷传递行为的影响；进一步通过装置尺度DEM仿真与田间试验优化导板角和转子转速。结果表明：准静态单秆切割条件下，最大切割力随剪切角增大呈先降后升趋势；45°时最大切割力为78 N，较30°降低44.8%，断裂区沿刀刃滑动方向扩展，应力集中缓解；DEM模型可有效表征水稻秸秆断裂行为，仿真与试验切割力平均相对误差为11.07%。在所试条件下优化参数为剪切角45°、导板角55°、转子转速2500 r/min，仿真平均切碎长度17.3 mm，田间试验20.5 mm，粉碎合格率95.26%。上述发现为改善秸秆粉碎系统断裂特性与切碎性能提供理论支撑。
论文解读：全喂入联合收割机水稻秸秆柔性离散元剪切断裂与粉碎参数优化研究
研究背景方面，水稻联合收获时，脱粒分离后排出的秸秆通常具有高含水率、纤维韧性强、形态变异大和瞬时喂入量波动明显等特征，这要求秸秆粉碎装置在联合收割机有限空间内实现连续切割与均匀破碎。现有秸秆切割研究多基于简化边界条件下的单秆试验，难以揭示动定刀耦合连续喂入下的渐进断裂行为；装置性能评价也多停留在碎片长度、合格率和功耗等宏观指标，滑动参数、微观断裂演化、切割载荷与粉碎性能间关系尚不清楚；同时转子转速对有效切割频率、秸秆约束状态和碎片形成过程的耦合影响未系统研究。因此，研究人员以全喂入水稻联合收割机脱粒清选系统秸秆排出口处动定刀秸秆粉碎装置为对象，开展结构、机理与参数协同研究。
研究人员设计了与脱粒滚筒秸秆入口和清选余渣入口集成的粉碎装置，采用20片双螺旋排列旋转刀片、固定刀片和导板结构；通过测定水稻秸秆几何、密度、摩擦、恢复系数和三点弯曲力学参数，建立基于赫兹-明德林结合键接触模型(Hertz–Mindlin with Bonding，DEM中用于描述颗粒间可承受拉压弯扭并在达到临界应力后断裂的结合键模型)的空心柔性秸秆模型，并利用准静态斜切试验标定结合键参数；随后分析剪切角对载荷与断裂的影响，再开展装置尺度DEM仿真与田间验证，得出优化剪切角、导板角和转子转速，从而实现降低切割载荷、缩短切碎长度和提高合格率的目标。该研究为全喂入联合收割机秸秆粉碎系统的结构优化与运行调控提供了理论依据，相关论文发表在《AgriEngineering》。
主要关键技术方法方面，研究人员以安徽明光和庐江田间获取的永优7301与科内梗1号水稻秸秆为样本，测定外直径、含水率、密度、秸秆-钢与秸秆-秸秆静摩擦系数、滚动摩擦系数、恢复系数及三点弯曲弹性模量与剪切模量；采用EDEM软件建立外径3 mm、长80 mm、壁厚1 mm、粒径0.3 mm的空心圆柱秸秆颗粒模型，使用Hertz–Mindlin with Bonding描述颗粒接触与结合键断裂；以准静态斜切试验标定结合键法向刚度、切向刚度、临界法向应力和临界切向应力；在此基础上进行30°、45°、60°斜切仿真，并开展装置尺度连续喂入仿真及湖北蕲春田间试验，以平均切碎长度和粉碎合格率评价性能。
研究结果如下。
整体结构与工作原理：研究人员将粉碎装置布置于脱粒清选系统后部，转子轴垂直于机器前进方向，旋转平面竖直，左视逆时针旋转；长秸秆与清选短残渣分别入腔，在高速旋转刀片与固定刀片共同作用下经剪切、冲击和弯曲变形连续断裂，再由导板导向排出，实现切割、减长和定向输送一体化。
关键结构参数与能力验证：研究人员按联合收割机总喂入量3.5 kg/s、谷草比1.2和秸秆含水率约60%折算湿秸秆流量约3.98 kg/s，取保守设计喂入率3.18 kg/s；旋转刀片为65Mn钢直刃，20片双螺旋排列，相邻周向相位差18°，转子半径205 mm，旋转刀与固定刀边缘间隙20 mm；由理论切碎长度公式得转子转速范围1500–3000 r/min。
动定刀相互作用运动学与断裂机理：研究人员建立秸秆段质心受力模型，考虑旋转刀法向力、固定刀支反力、摩擦力、重力与离心惯性力，指出秸秆断裂发生于截面最大应力达到材料断裂强度时；并说明转子转速提高可增加刀尖速度和有效切割频率，但粉碎质量还受秸秆约束、剪切角、接触位置和腔内停留时间影响。
物理力学特性测定：研究人员测得永优7301与科内梗1号收获含水率分别为66.86%和60.64%，平均密度239.05 kg/m3，剪切模量9.1 MPa，秸秆-钢静摩擦系数0.32、滚动摩擦系数0.01，秸秆-秸秆静摩擦系数0.31、滚动摩擦系数0.01，秸秆-钢恢复系数0.31、秸秆-秸秆恢复系数0.33，三点弯曲得到弹性模量并换算剪切模量，为DEM模型提供输入。
准静态剪切切割表征：研究人员在万能试验机上以300 mm/min、有效切割长度20 mm、秸秆直径3.00±0.05 mm、含水率38.14%开展30°、45°、60°斜切，记录位移-载荷曲线并提取最大切割力用于模型标定验证。
柔性水稻秸秆离散元模型：研究人员在EDEM中用Hertz–Mindlin with Bonding建立颗粒间法向、切向刚度和力矩关系，以45°、300 mm/min作为标定数据集，确定结合键参数；几何模型为外径3 mm、长度80 mm、壁厚1 mm的空心圆柱，填充粒径0.3 mm球体，时间步为瑞利临界时间步15%。
仿真与试验方案及评价指标：研究人员在斜切仿真外，以2.5 kg/s连续喂入开展装置尺度仿真，转子转速取1500、2000、2500、3000 r/min，导板角取45°、50°、55°、60°、65°；以排出质量流率、平均切碎长度和合格率评价，田间按NY/T 500—2015采集不少于500 g样品逐段测量。
物理力学特性结果：研究人员确认高湿秸秆韧性增强，所测几何、密度、模量和接触参数构成柔性DEM基础输入，保证物理试验与数值模型一致。
剪切角对最大切割力的影响：研究人员通过仿真与试验发现，30°、45°、60°最大切割力分别为136 N、78 N、94 N；45°较30°降低44.8%；30°为局部压溃和集中剪切，45°使刀刃方向速度分量增加、纤维顺序断裂、峰值降低，60°法向分量减小但推压弯曲和摩擦耗能增加使切割力回升。
不同剪切角下秸秆断裂过程分析：研究人员根据结合键载荷云图指出，30°高载结合键集中于刀刃正下方、断裂区窄；45°断裂自刀刃前缘沿倾斜方向扩展为带状，载荷传递区域扩大、应力集中缓解；60°主断裂区前方存在高载未断结合键，表明弯曲和轴向拉伸变形增强、摩擦耗能上升。
柔性离散元模型验证：研究人员在45°下比较100、200、300 mm/min结果，仿真值略低于试验值，相对误差9.61%–12.19%，平均11.07%；偏差来自均质结合颗粒简化、未纳入表皮维管束髓腔差异、夹具局部变形、天然缺陷及湿度依赖未完全表征。
导板安装角对排出质量流率影响：研究人员发现45°到55°排出质量流率渐增，65°显著下降；55°导向与排出最优，故后续仿真采用55°导板角，同时指出该流率为导板下游局部收集流率而非总喂入能力。
粉碎转子转速对切碎质量影响：研究人员显示1500到2500 r/min时刀尖速度和有效切割频率增加，长片段比例下降；3000 r/min时部分秸秆未充分被固定刀约束即离场，平均长度不再下降；田间1500 r/min为32.7 mm不达标，2500 r/min为20.5 mm最优，3000 r/min回升至22.4 mm。
田间验证与粉碎性能：研究人员在45°剪切角、55°导板角、2500 r/min下田间平均切碎长度20.5 mm，仿真17.3 mm，合格率95.26%，腔内无长秆堆积、排出连续。
讨论部分总结：研究人员强调剪切角影响刀刃贯入阻力，导板角影响碎秆运动方向与腔内停留，转子转速影响单位时间有效切割频率；三者匹配使装置在低载、短长和高质量间平衡。研究也存在边界：参数为单因素顺序评价所得推荐工况，并非统计全局最优，后续需因子试验量化交互效应；模型校准基于38.14%含水率，更广含水率范围需再标定。
结论部分翻译：一、研究人员设计了与全喂入水稻联合收割机脱粒清选系统秸秆排出口集成的秸秆粉碎装置，采用20片双螺旋旋转刀片、单列固定刀和导板组合结构，设计秸秆喂入率3.18 kg/s。二、准静态单秆条件下剪切角对最大切割力影响显著，30°、45°、60°分别为136 N、78 N、94 N，45°较30°降低44.8%；45°下结合键沿刀刃滑动方向渐进断裂，形成倾斜带状断裂区，载荷传递范围扩大、局部应力集中降低。三、基于Hertz–Mindlin with Bonding的柔性秸秆DEM模型可有效表征准静态斜切载荷与断裂行为，100–300 mm/min下仿真与试验最大切割力相对误差9.61%–12.19%，平均11.07%。四、导板角55°时排出碎秆质量流率最大；优化后剪切角45°、导板角55°、转子转速2500 r/min时仿真平均切碎长度17.3 mm、田间20.5 mm，合格率95.26%。研究人员指出该参数为所考察范围内的推荐工况而非统计全局最优，仍需因子试验量化参数交互作用。
