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青岛农业大学团队基于EDEM的驱动耙旋耕装置优化研究
作者：董成、李想、尚书旗（通讯作者）、王东伟等（青岛农业大学机电工程学院）
发表信息：发表于《农机化研究》（Journal of Agricultural Mechanization Research）2025年第3期（Vol. 47, No. 3），DOI: 10.13427/j.issn.1003-188x.2025.03.003

一、学术背景

研究领域：农业机械设计与土壤耕作动力学。
研究动机：传统旋耕机在碎土效率和深度上存在局限性，而动力驱动耙（power-driven rake）作为新型整地机具，虽能一次性完成碎土、整平与镇压，但其刀具参数（如倾角、转速、长度）对碎土率的影响缺乏系统性研究。
科学问题：如何通过优化刀具参数提升碎土率？
技术背景：离散元法（Discrete Element Method, DEM）被广泛应用于农业机械-土壤相互作用模拟，但现有研究多聚焦耕作模式评价，对刀具工作参数的动态分析不足。

二、研究流程与方法

1. 动力学模型构建与刀具设计
- 研究对象：动力驱动耙的碎土耙刀组（10组刀片，旋转直径260 mm，间距250 mm）。
- 方法：
- 建立耙刀-土壤动力学模型，推导土壤颗粒受力微分方程（式2），分析刀具倾角（β0）、转速（ω）、长度对土壤切割阻力的影响。
- 为避免“抗土”效应（二次切割土壤导致阻力激增），理论计算确定刀刃折弯角β0=30°，滑切角范围22°~55°以降低功耗。
- 创新设计：采用单排直齿齿轮传动，相邻刀片反向旋转，安装角度18°以平衡振动与传动效率。

2. EDEM离散元仿真
- 模型构建：
- 土壤模型：5 mm球形颗粒，泊松比0.3，密度2500 kg/m³，剪切模量1 MPa。
- 耙刀参数：以倾角（25°、35°、45°）、转速（230、300、370 r/min）、长度（25、30、35 cm）为变量，碎土率为响应指标。
- 仿真过程：模拟耙刀入土前后土壤破碎动态（图6-7），记录颗粒运动轨迹与破碎状态。

3. 田间试验与响应面优化
- 试验设计：
- 地点：山东省胶州市砂质黄土试验田（60 m×20 m），拖拉机速度2 m/s。
- 方法：基于GB/T 25420-2010和NY/T 499-2013标准，采用3因素3水平响应面法（Design-Expert软件），测定碎土率（式4：s=ma/mb×100%）。
- 数据分析：通过二次多元回归拟合（式5），方差分析（表3）确定各因素显著性（p值）。

三、主要结果

1. 动力学分析：

   • 耙刀转速（ω）对土壤颗粒加速度（ae、ar）和切割阻力影响最大，其次是刀具前角（δ）和长度。
     
   • 理论验证：β0=30°时，滑切角可有效减少功率消耗。
     

2. 仿真与试验结果：

   • 因素影响排序：耙刀转速（p<0.0001）> 长度（p=0.0008）> 倾角（p=0.004）。
     
   • 最优参数组合：倾角34.7°、转速320 r/min、长度28 cm，碎土率达96.58%（表2试验组12）。
     
   • 交互作用：转速与倾角（图8）、转速与长度（图9）的协同效应显著，高转速下长刀具碎土效果更优。
     

3. 模型验证：回归模型R²=0.9692，失拟项p=0.0614，表明模型可靠性高。

四、结论与价值

科学价值：
- 首次将离散元法与动力学模型结合，量化了刀具参数对碎土率的动态影响。
- 提出“无抗土”设计理论，为刀具结构优化提供数学依据。

应用价值：
- 最优参数组合可直接应用于动力驱动耙生产，提升作业效率（碎土率>96%）并降低能耗。
- 研究方法（EDEM仿真+响应面法）可推广至其他耕作机械设计。

五、研究亮点

1. 方法创新：融合动力学建模、离散元仿真与田间试验，形成多尺度分析框架。
   
2. 工程优化：通过参数交互作用分析，突破传统单因素试验局限。
   
3. 理论贡献：明确滑切角与“抗土”效应的临界关系，填补刀具设计理论空白。
   

六、其他价值

• 研究获得山东省重点研发计划（2021CXGC010813）支持，具有明确的产业化导向。
  
• 团队前期成果（如立式旋耕机设计）为本研究奠定技术基础，体现连续性创新。
  

（全文约2000字）