保护性耕作是现代农业装备研发的背景也将成为现代农业发展的必然趋势,深松又是保护性耕作中至关重要的一环,而深松机具的作业效率低、功耗大以及智能化程度低等问题普遍存在。如何对旱地耕作保墒中的能耗大户——深松机实施节能减排和智能控制,已经成为农业机械工程研究的重点之一。为了减少深松机耕作阻力,降低能源消耗,本文以国家自然科学基金“(51175354)项目”为依托,将振动理论应用于深松机具土壤切削过程中,采用理论分析与试验研究相结合,挖掘振动深松减阻机理,构建优化模型。课题研究借助运动仿真和有限元分析方法研究分析深松铲运动特性和切削土壤的过程,面向特定的山东粘性颗粒土壤,运用有限元仿真技术开展数值模拟,构建了深松机作业参数监控系统并借助土壤切削试验对仿真结果进行对比分析研究。本文的主要工作及所涉及的新的解决方法主要有：(1)深松减阻及测试技术的研究在对国内外深松减阻及测试技术研究现状及发展趋势调研的基础上,研究了振动式深松减阻技术的应用、有限元方法模拟土壤切削问题的分析和农业机具作业状态在线监测装置存在的问题。研究表明,振动式深松减阻相比其他减阻方式,除激振装置外,无需增设其他辅助装置,操作方便,减阻效果的提升有很大的前景和空间；在线监测装备研制在我国刚刚起步,但需求极大,此外配备CAN总线通讯技术在农业机械装备中有着更广阔的发展前景；有限元方法模拟土壤切削问题已经成功的应用于许多工程领域,在农业机械研究中也常用来做部件的静态应力分析,应用于振动深松过程模拟不多见,但却是发展趋势。(2)振动深松碎土机理及减阻试验研究分析了振动深松减阻机理,研究了振动式深松机的结构和工作原理,并使用五杆测力装置在试验土槽中进行了深松机土壤切削试验研究。通过振动频率、振动幅值和机具前进速度三个因素的单因素试验研究,分析各自的相关性。试验研究结果表明：振动式深松过程的切削阻力总体小于非振动式深松过程,但振动式深松过程的总功率消耗大于非振动式深松过程的总功率消耗。(3)振动深松机运动特性分析与仿真研究从振动式深松机的运动轨迹和运动特性入手,通过定性研究和定量研究确定振动式深松机的振动减阻机理,并对振动机构进行了UG建模和运动仿真分析。试验研究结果表明：振动式深松机结构参数——振动角对深松减阻影响较大,当振动角为负值时,深松铲的运动轨迹更利于减阻；此时,深松过程的单位振动周期可以切分为切削、后退和追赶三个阶段,不同的铲速比配置将很大程度上影响运动轨迹,当铲速比小于1时,深松铲是持续的切削作业,减阻效果最佳。UG运动仿真分析验证了上述分析,并为有限元模拟土壤切削过程提供了载荷数据。(4)深松机土壤切削过程的有限元仿真研究在UG运动仿真和ANSYS/LS-DYNA有限元技术基础上,分析了影响土壤耕作阻力和质量的相关土壤力学参数,进行了土壤参数测定,研究了深松机土壤切削过程的有限元仿真过程。试验研究结果表明：所建立仿真模型有效、可行；深松铲在非振动深松过程中所受应力较大,并主要集中于铲柄与铲尖连接处,在振动式深松过程中所受应力有明显减小,并呈现波动形态,与之相对应的土壤应力也成波动向机具前进方向放射,这一现象有利于土壤松散和破碎,降低机具功耗。(5)振动式深松机在线监测系统设计与试验根据设计需求,基于五杆测力原理,逐级设计了振动式深松机在线监测系统硬件部分和软件部分,并进行了相应的测试试验。试验结果表明：11路模拟量测试电路中,最大测量绝对误差为5%,测量精度为0.1%,能够很好的完成传感器信号检测、信息传送、作业参数的GPRS远程传输和GPS深松作业地块定位等功能,可以应用于田间或室内试验研究和机具的长期作业参数检测。(6)振动式深松机田间试验研究通过方差分析、正交设计与田间试验相结合的方法,研究了振动深松过程中机具的前进速度V0、振幅a=Rsinε和振动角对耕作阻力的影响,试验结果表明机具前进速度0.75m/s,振动幅值为7.5mm,振动角度为-15°时,试验指标机具工作阻力达到最小值3.975kN。根据优化结果对振动式深松机结构进行了改造,利用改进后的机具和研制的在线监测装备进行了田间试验研究。试验结果表明,参数优化后的振动式深松机深松后的土壤密度下降了3.11%,土壤坚实度下降了0.67kPa,土壤耕作阻力下降了9.45%。