我国是荒漠化较为严重的国家，荒漠化面积占国土总面积27.32％，深栽造林是荒漠化地区植被恢复最有效手段之一。因此，研究深植挖坑机主要工作部件钻头动态性能、建立和完善钻头与土壤作用系统动力学理论、明确钻头工作过程动态特性具有重要意义，将为深植挖坑机动态参数设计、整机性能改善、植树造林效率提高提供理论支撑。本文将钻头几何学、运动学、动力学、土壤力学、弹性力学、振动理论、微分方程、数值计算方法、泛函分析、仿真理论及计算机应用技术等科学融合为一体，通过理论分析并结合实验测试，对深植挖坑机钻头与土壤作用系统动力学响应特性进行了系统的研究。主要研究工作有：本研究首次将钻头与土壤纵向钻削、横向刮削和扭转切削、升土阻力矩、外驱动力以及钻头动态工作参数、钻尖及切削刀片类型、土壤性质等因素综合考虑成动态边界，从系统动力学角度出发依据波动理论，结合有限元法建立了深植挖坑机钻头与土壤作用系统的动力学模型。以泛函分析中Sobolev空间理论为工具，利用Galerkin法和局部延拓法对所建动力学模型解的存在性及其解相关优化问题进行了研究；运用数值计算方法对所建动力学模型进行求解，得到便于计算机编程的数值计算模型。采用计算机高级语言首次研发了深植挖坑机钻头与土壤作用系统的动力学特性仿真软件，此软件通过对边界条件子程序和基本参数的不断调试，可适用于对不同结构类型、不同工况条件的深植挖坑机钻头动力学特性进行仿真分析。本研究以立式深植挖坑机为实验研究对象，采用目前国内较先进数据测试分析系统，首次对深植挖坑机钻头动力学响应特性进行实验研究，现场实验结果对所建动力学模型及仿真软件进行了充分验证，并利用单因素试验方法得到了钻头主要工作参数对钻头振动响应特性的影响规律。根据切削理论对深植挖坑机钻头切削刀片受力建立数学模型，并运用MATLAB对切削刀片的安装角进行仿真分析，得到最佳安装角范围；通过应用有限元分析软件ANSYS对挖坑机钻头主轴进行结构应力分析，依据最优化原理得到钻头主轴几何优化尺寸。在理论分析和现场实验基础上，将深植挖坑机钻头的横向振动、纵向振动以及扭转波动扭矩的现场实测数据与仿真实验数据的综合分析结论作为依据，得到了深植挖坑机最佳工作状态：被测试螺旋型钻头(钻头直径D=90mm，钻头主轴直径d=32mm，升土螺旋翼片导程为H=70mm，钻头长L=1.5m，配备平面三角型钻尖、45°刀刃角)的最佳工作转速在360rpm左右，进给速度在0.045m／s左右。以大量仿真实验和现场实验为依据，综合分析钻头在不同工况参数下的振动响应规律，首次得到深植挖坑机钻头正常工作最大振动范围为：振动位移值在+4mm之间，波动扭矩值在±2.5N·m之间，即如果所选工作参数水平超过产生最大振动量的工作参数水平时，振动量有急剧扩大的趋势，此时模拟工作机器将出现事故。本文深入开展了深植挖坑机钻头与土壤作用系统动力学特性理论及实验研究，并运用自主研发的深植挖坑机钻头与土壤作用系统动力学特性仿真软件进行了大量仿真实验。实践证明所研发的软件具有较好的适应性，尤其对现场实验中开展不了或不容易开展的情况进行仿真分析效果比较理想。本研究工作对加快我国防治荒漠化进程具有重要理论意义和较大经济价值。