基于离散元方法（DEM-MBD）和NSGA-II优化算法，设计并测试了一种用于亚麻作物的抗振动精密种子计量装置

《Biosystems Engineering》：Design and test of an anti-vibration seed-guarding precision seed metering device for flax based on DEM-MBD and NSGA-II optimisation

　　

李慧|赵五云|史林荣|戴飞|孙步功|李双成

甘肃农业大学电气机械工程学院，兰州，730070，中国

摘要

针对中国西北干旱地区亚麻播种设备因石块振动导致的播种精度问题，本研究开发了一种具有逐渐扩展的流线型种子输送槽的精密播种装置，并通过理论分析阐明了其抗振动和保护种子的机制。建立了一个耦合的离散元方法（DEM）- 多体动力学（MBD）模型来模拟种子-土壤-设备之间的相互作用及播种行为。采用NSGA-II算法进行多目标参数优化，确定了最佳的工作和结构参数：行进速度为0.90 m·s?1，种子入口长度为5.90 mm，腔体深度为7.50 mm。基于优化参数，在不同的行进速度和石块振动条件下，对所提出的装置与传统结构进行了仿真对比测试。优化后的装置使播种合格率（SQR）提高了16.07%，缺播率（MSR）降低了最多49.98%，显示出显著的性能优势。通过田间试验验证了模型的准确性和优化装置的性能。结果显示仿真值与测量值之间具有高度一致性（RMSE ≤5.00%，R2 ≥ 0.90）。田间测试确认播种合格率为89.33%，缺播率为5.33%，超量播种率为5.34%，完全满足了精密亚麻播种的农艺要求。本研究为复杂干旱条件下小种子作物的高精度播种设备开发提供了理论和技术支持。

引言

亚麻（Linum usitatissimum L.）是中国西北干旱地区的特色油料作物，在保障国家食用油安全方面发挥着战略作用。作为中国最大的亚麻生产省份，甘肃75%的耕地位于丘陵和山区（Shi等人，2025年），田块分布分散，地表条件复杂。在田间作业中，由于石块碰撞引起的种子计量装置异常振动会导致种子填充不均匀，传统播种装置的缺播率（MSR）较高，阻碍了亚麻生产的规模化机械化。

种子计量装置是播种设备的核心部件（Xu等人，2022年）。主流的种子计量装置分为两类：气动种子计量装置和机械种子计量装置（Du等人，2023年；Jia等人，2018年；Xu等人，2023年）。由于成本低且维护方便，机械种子计量装置在该地区是主流选择，而气动装置需要较高的密封性和电源供应（Dong等人，2024年）。

离散元方法（DEM）和多体动力学（MBD）的耦合仿真是设计及优化机械种子计量装置的主流方法（Wang等人，2024年）。许多研究采用这种方法优化了玉米、小麦和棉花等大型近球形作物的种子计量机制（Li等人，2025年；Ma等人，2025年；Wang等人，2026年）。然而，椭圆形、质量较低的亚麻种子流动性差，对振动敏感度较高，使得现有设计不适用于亚麻。

目前，关于亚麻精密播种装置的相关研究仍不足。尽管Li等人（2024年）开发了一种适用于亚麻的直流水流精密播种装置，并在稳定实验室条件下取得了可接受的性能，但他们的设计忽略了中国西北干旱地区典型的田间振动特性。此外，该装置的三角形截面种子输送槽对椭圆形亚麻种子的适应性较差，匹配的种子收集组件制造成本较高，限制了其大规模应用。这一限制不仅存在于亚麻播种中，也存在于其他小种子作物的播种系统中；大多数关于小种子作物播种装置的研究也很少考虑田间振动的影响（Dun等人，2024年；St Jack等人，2013年；Van Loon等人，2020年；Wang等人，2024年）。

此外，大多数现有的参数优化研究依赖于响应面方法，如Box–Behnken设计，这些方法在全局优化多个性能指标时存在固有局限性。尽管非支配排序遗传算法II（NSGA-II）已成功应用于其他农业机械部件（Chang等人，2025年；Xu等人，2025年），但它尚未用于亚麻种子计量装置的全局优化。

为了解决上述研究空白，本研究旨在开发一种适用于中国西北干旱地区振动条件的抗振动、保护种子的精密亚麻播种装置。其核心目标是阐明在石块振动作用下的种子运动和抗振动机制，优化装置的结构和操作参数，并验证其在多石田间条件下的性能。本研究旨在为小种子作物的播种装置设计和优化提供理论支持。

章节片段

亚麻种子的物理特性

种子的物理参数是设计种子计量装置核心部件的基础。本研究选择了在甘肃省广泛种植的主要亚麻品种“陇雅10号”作为测试材料。这些种子通常呈椭圆形，顶端钝圆，其三轴尺寸分布如图1所示。

随机选取了100颗饱满且无损伤的“陇雅10号”亚麻种子，测量了每颗种子的长度、宽度和厚度。

种子输送槽倾斜角的初步测试结果

图12显示了不同倾斜角度下种子输送槽的种子输送性能仿真结果。仿真结果表明：当倾斜角度过小时（γ < 25°），种子沿倾斜表面的重力分量不足，种子容易在输送槽中积聚；当倾斜角度过大（γ > 35°）时，种子下落速度过快，容易相互碰撞。

讨论

本研究通过开发一种抗振动、保护种子的精密亚麻播种装置，解决了中国西北干旱地区亚麻精密播种的问题。建立了DEM-MBD耦合模型，通过多目标优化确定了最佳装置参数，并通过田间验证试验确认了该模型在预测田间操作性能方面的高准确性。

本研究阐明了行进速度对计量性能的影响机制。

结论

本研究通过开发一种抗振动、保护种子的精密亚麻播种装置，解决了传统亚麻播种装置在田间条件下受石块冲击振动影响而导致的不稳定计量问题。建立了DEM-MBD耦合仿真模型，并通过多目标优化确定了最佳的操作和结构参数，最终配置通过田间试验得到了验证。优化后的装置表现出

CRediT作者贡献声明

李慧：撰写——初稿，软件编写。赵五云：资金筹集。史林荣：撰写——审稿与编辑，监督，资金筹集。戴飞：监督。孙步功：监督。李双成：验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢以下机构的财政支持：财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系项目（CARS-14-1-28）；甘肃农业大学福西青年人才项目（Gaufx-05Y02）；甘肃农业大学科技创新基金-青年导师支持基金（GAU-QDFC-2024-06）；国家自然科学基金（项目编号52365030）；甘肃省重大科学