类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究由昆明理工大学现代农业工程学院王法安、倪畅、张兆国、徐红伟、解开婷、王博洋团队完成，发表于《农业机械学报》2024年7月第55卷第7期（DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2024.07.017）。研究依托云南省高校中药材机械化工程研究中心，得到国家重点研发计划（2022YFD2002004）、云南省科技厅青年基金（202401AU070196）等资助。

学术背景
研究聚焦丘陵山区三七（Panax notoginseng）机械化收获的瓶颈问题：传统人工采挖效率低、劳动强度大，而现有挖掘铲存在阻力大、根茎损伤率高的问题。三七作为浅根茎中药材，其根须繁多且种植土壤黏重，导致现有装备难以兼顾低阻与低损伤。研究目标是通过仿生设计与参数优化，开发一种减阻性能优异的挖掘铲，为三七收获机械化提供理论和技术支撑。

研究流程与方法
1. 理论分析与结构设计
- 力学模型构建：基于三面楔原理建立挖掘阻力模型，推导入土角（β）、铲面倾角（α）与阻力角（δ）的数学关系，确定阻力最小化条件（β≈45°）。
- 铲型设计：对比四种铲型：平面式、二阶式、组合式及仿生式（基于野猪头部曲线拟合的素线方程：(y_s = -0.0212x^2 + 7.68)，脊线方程：(y_j = 0.0937x^2 - 0.0152x + 0.638)）。通过SolidWorks建模，关键参数包括铲长（354 mm）、铲宽（40 mm）、铲刃倾角（70°）。

1. 离散元仿真（DEM）

   • 模型构建：采用Hertz-Mindlin（no slip）接触模型，土壤颗粒参数（泊松比0.4、密度1350 kg/m³）与三七根茎扫描模型耦合。
     
   • 运动轨迹分析：追踪颗粒三轴位移，发现仿生铲面通过改变土壤流向（x向位移增加15%）显著降低阻力。最优参数组合下仿真阻力为435.01 N，验证试验均值439.75 N（误差<1.1%）。
     

2. 土槽台架试验

   • 正交试验设计：以入土角（15°–35°）、铲片间距（40–80 mm）、速度（0.4–1.2 m/s）为变量，使用轮辐式传感器采集阻力数据。
     
   • 高速摄影验证：500 fps拍摄根土运动轨迹，证实仿生铲减少壅土（土壤颗粒承载量降低23%），与仿真结果一致性达92%。
     

主要结果
1. 减阻性能：仿生铲阻力较传统铲降低34.7%（平面式989.88 N vs. 仿生式549.72 N），主因为其曲率变化优化了土壤流动。
2. 参数敏感性：入土角对阻力影响最大（贡献率61.2%），最优组合为β=15°、间距=80 mm、v=0.4 m/s。
3. 根土分离效果：仿生铲的根茎损伤率降至5.3%（传统铲≥12%），得益于其“拱形曲面”减少根茎缠绕。

结论与价值
1. 科学价值：首次将野猪头部仿生曲线应用于挖掘铲设计，揭示了曲率变化与减阻的量化关系（R²=0.9975）。
2. 应用价值：为黏重土壤条件下的根茎类作物收获装备研发提供新范式，已申请发明专利2项。

研究亮点
1. 方法创新：结合DEM仿真与高速摄影验证，建立“力学模型-仿真-试验”全链条优化流程。
2. 技术突破：仿生铲设计突破传统几何限制，其减阻率优于国内外同类研究（如马铃薯减阻铲22%）。
3. 跨学科融合：融合农业工程、仿生学与离散元方法，为中药材机械化收获提供跨学科解决方案。

其他发现
研究还发现铲宽对阻力的非线性影响（>70 mm时阻力骤增），为后续宽幅设计提供阈值参考。