Diante do problema setorial de cerca de 934,9 mil toneladas de batatas danificadas anualmente pela colheita mecânica, com perdas econômicas de até 300 bilhões de yuans, a Universidade de Hainan, em conjunto com o Laboratório-Chave de Equipamentos Agrícolas Inteligentes Tropicais do Ministério da Agricultura e Assuntos Rurais, forneceu uma resposta precisa: através de simulação de acoplamento bidirecional DEM-MBD e otimização multiobjetivo, a taxa de danos na colheita de batata foi controlada em 1,62%, com uma eficiência de remoção de solo de 97,8%.

I. Problema Setorial: Taxa de Danos de 8% e Perdas Anuais de 300 Bilhões

A batata é uma cultura importante globalmente para alimentação, economia e forragem. Em 2023, a área plantada de batata na China atingiu 7,185 milhões de hectares, com uma produção de cerca de 93,49 milhões de toneladas. No entanto, a taxa de danos das batatas durante o processo de colheita mecânica chega a 8%. Calculando a 5 yuans por quilo, as perdas econômicas anuais são de aproximadamente 300 bilhões de yuans.

As grandes colheitadeiras combinadas de batata enfrentam universalmente um "dilema": para melhorar a eficiência de separação batata-solo, geralmente são necessárias maior velocidade de transporte e vibração mais forte; mas vibração excessiva leva ao aumento dos danos mecânicos às batatas. Encontrar um ponto de equilíbrio entre separação eficiente e colheita de baixo dano sempre foi o principal desafio no desenvolvimento de equipamentos para colheita de culturas de raízes e tubérculos.

II. Destaques da Inovação Científica: Ciclo Técnico Completo de Medição–Modelagem–Otimização–Validação

Em 19 de fevereiro de 2026, a Faculdade de Informação e Engenharia de Comunicações e a Faculdade de Engenharia Mecânica e Elétrica da Universidade de Hainan, em conjunto com o Laboratório-Chave de Equipamentos Agrícolas Inteligentes Tropicais do Ministério da Agricultura e Assuntos Rurais, publicaram uma pesquisa na revista Agriculture, propondo pela primeira vez um caminho técnico completo de "Medição–Modelagem–Otimização–Validação".

Destaque 1: Porosidade do Solo Medida por TC – Tornando o Modelo de Simulação "Baseado em Evidências"

A equipe de pesquisa primeiro realizou medições sistemáticas dos parâmetros agronômicos e características físicas do solo em campos de batata na época da colheita:

Padrão de plantio: Linha dupla em canteiro único, altura do canteiro (212±13) mm, largura do topo do canteiro (544±38,5) mm, espaçamento entre plantas (284±27) mm

Textura do solo: Solo franco-arenoso, teor de areia 62,57%, silte 32,6%, argila 4,83%, teor de umidade 25,22%

Ponto de ruptura crucial: Pela primeira vez, a porosidade do solo medida por TC (13,66%) foi usada como condição de restrição quantitativa para a modelagem por Elementos Discretos (DEM), melhorando significativamente a representatividade do modelo de solo em relação à estrutura real do solo.

Esta etapa é crucial – as simulações tradicionais frequentemente usam parâmetros empíricos definidos arbitrariamente, enquanto este estudo faz com que a microestrutura do solo virtual seja altamente consistente com o solo real do campo, estabelecendo uma base científica para simulações subsequentes.

Destaque 2: Acoplamento Bidirecional DEM-MBD – Capturando Simultaneamente a Escala de Partículas e o Movimento da Máquina

A equipe de pesquisa estabeleceu um framework de simulação de acoplamento bidirecional RecurDyn-EDEM, alcançando duas grandes inovações:

Dinâmica de Múltiplos Corpos (MBD): Simula a trajetória de movimento em tempo real e as cargas de impacto da corrente vibratória.

Elementos Discretos (DEM): Rastreia o comportamento de fratura dos agregados do solo e a dinâmica de colisão e salto das batatas.

A vantagem deste método de acoplamento é que os dois softwares trocam dados em tempo real, podendo refletir tanto a condução macroscópica da separação do solo pelo mecanismo vibratório quanto analisar os mecanismos microscópicos de separação em escala de partículas, algo que simulações únicas tradicionais não conseguem realizar.

Destaque 3: Otimização Multiobjetivo – Eficiência de Remoção de Solo 98,43%, Taxa de Danos 1,60%

Através de simulação de fator único e experimentos de superfície de resposta com Projeto Composto Central (CCD), a equipe de pesquisa identificou três fatores principais que afetam o desempenho da separação: ângulo de inclinação da correia transportadora α, velocidade linear de transporte Vf, frequência de vibração f.

Tomando a taxa de danos da batata e a eficiência de remoção de solo como objetivos duplos, a combinação de parâmetros ótima foi determinada através de otimização multiobjetivo:

Sob estas condições, os resultados da simulação mostraram:

Eficiência de remoção de solo: 98,43%

Taxa de danos da batata: 1,60% (valor mínimo)

Destaque 4: Validação em Campo – Taxa de Danos de 1,62% Confiabilidade do Modelo

A equipe de pesquisa realizou uma validação prática em uma colheitadeira combinada de batata modelo 4U-1000. Os resultados mostraram:

Este resultado de validação prova a precisão do modelo de acoplamento DEM-MBD e também fornece um modelo de parâmetros diretamente engenheirado para a otimização de grandes equipamentos de colheita de batata.

III. Valor Econômico: "Subtração Técnica" das Perdas de 300 Bilhões

Estimando com base na produção anual nacional de batata de 93,49 milhões de toneladas e uma taxa de danos tradicional de 8%, as perdas econômicas diretas anuais causadas por danos mecânicos são de cerca de 300 bilhões de yuans. Reduzir a taxa de danos para 1,62% significa:

Redução de perda de 63,8 kg por tonelada

Recuperação de aproximadamente 238 bilhões de yuans em perdas econômicas anuais em todo o país

Mais importante, este caminho técnico é replicável – o método de pesquisa pode ser diretamente estendido para a otimização de equipamentos de colheita de outras culturas de raízes e tubérculos, como batata-doce, cenoura, alho e amendoim.

IV. Perspectivas de Aplicação: De "Ajuste por Experiência" para "Design Impulsionado por Simulação"

O valor profundo deste estudo está em mudar o paradigma de desenvolvimento de equipamentos agrícolas. A otimização tradicional de equipamentos de colheita depende fortemente de testes de campo e da experiência dos engenheiros, com ciclos longos, custos altos e baixa generalização. Já o framework de simulação de acoplamento DEM-MBD permite:

Substituir muitos testes de campo por testes virtuais, reduzindo drasticamente o ciclo de desenvolvimento

Visualizar mecanismos microscópicos, revelando a natureza física da ocorrência de danos

Equilíbrio preciso multiobjetivo, encontrando a solução ótima entre eficiência de separação e baixo dano

A equipe de pesquisa aponta que este framework pode ainda integrar algoritmos de aprendizado de máquina, realizando ajustes adaptativos em tempo real dos parâmetros operacionais, estabelecendo uma base teórica para o desenvolvimento de equipamentos de colheita inteligentes.

Fonte: Faculdade de Informação e Engenharia de Comunicações da Universidade de Hainan, Faculdade de Engenharia Mecânica e Elétrica da Universidade de Hainan, Laboratório-Chave de Equipamentos Agrícolas Inteligentes Tropicais do Ministério da Agricultura e Assuntos Rurais; Autores: Yongfei Pan, Jian Zhang, Ang Zhao, Shiting Lv, Wanru Liu, Ranbing Yang; Título: Dynamic Response Analysis and Multi-Objective Optimization of a Potato–Soil Separation Conveyor Based on DEM–MBD Coupling and Field Validation (Análise de Resposta Dinâmica e Otimização Multiobjetivo de um Transportador de Separação Batata-Solo Baseado em Acoplamento DEM-MBD e Validação em Campo); Publicado em: Agriculture (MDPI) (19 de fevereiro de 2026).