目前,关于三七收获机的设计理论及方法研究国内还处于起步阶段,虽然已经有各种短、长根茎类作物的收获机已经在国内、外问世,但适合粘性红壤和我国云南三七生长状况的研究报道较少。由于三七的手工收获过程复杂,作业质量影响因素多,因此寻求一种合理的三七收获机设计原理以及田间试验及其参数优化等研究方法,从而确定三七收获机的设计理念,是当前非常具有挑战性的重要前沿课题。在此以具有代表性的云南萝卜七(三七品种),黏度及硬度受土壤含水率影响极大的红粘土作为主要研究对象,采用先进的研究方法和技术,建立三七块根挖掘模型、三七块根与土壤混合物的分离过程模型,研究了块根挖掘机理、块根与土壤分离机理以及块根的损失规律和机理。本文在对三七植株进行力学性能测试的基础上,对三七采挖过程中的块根挖掘以及根土分离机理进行系统的分析,并对实际采挖过程进行有限元模拟,为三七收获样机的设计提供了理论依据。同时在对三七的生长环境和人工采挖过程进行充分调研和广泛论证的基础上,研发了三七收获机并进行了田间试验。本文主要的研究内容、方法、结论如下:(1)参考GB/T1040《塑料和复合材料拉伸强度、拉伸模量和拉伸应力——应变关系的测定方法》规定的方法,结合物理力学试验,可得:三七块根轴向、径向弹性模量分别为27.80、21.07Mpa;三七块根泊松比为0.3,外层皮部轴向和周向的泊松比分别为0.12和化0.04;三七块根、中心木质部、外层皮部均具有各向异性材料的基本属性。(2)采用SPH耦合ABAQUS/EXPLICIT的算法,建立三七块根采挖过程的三维耦合计算模型。解决了三七块根挖掘过程中产生的土壤大变形、土壤破裂以及根土分离等难于模拟计算的问题。仿真结果表明:在三七与土壤的混合物的挖掘过程中,混合物随着机具的行进方向,贴着挖掘铲上断面逐渐被抬起,包裹三七的土壤块体在挖掘铲的二阶铲面处发生弯折,土壤与三七块根表皮的紧密接合面被破坏的主要原因是:挖掘铲对混合物的剪切、传送、二阶铲面挤压、最后导致混合物的变形破裂。(3)建立三七与土壤混合物所组成的单胞体模型,通过简化三七块根挖掘、根土分离的可视化仿真模拟,有效的减少了数据处理及计算时间,且在微观层次上探究了三七块根不同生长方位对挖掘过程的影响规律,以及传送杆振动频率、振幅、间距和传送速度对传送效率、根土的分离效果的影响规律。结果表明三七由于土体的保护保存完整,且未出现与土体分离;土体破碎主要发生在挖掘面附近,上侧土体在拉伸和剪切作用下发生开裂,但未出现整体性破碎;从峰值来看,竖直挖掘力最大,水平挖掘力稍小。在传送过程中:选用较低频率和较大振幅组合时,土体的传送效率较好;选用较高频率和较大振幅组合时,土体的分离效率较好;选用较小的传送速度能提高传送效率,同时也能达到较高的分离效率;选用较大的杆间距有利于提高三七和土体的分离效率。(4)在基础物理力学实验和有限元仿真基础上,完成样机的制备并进行样机田间物理试验性能验证,采用正交试验方法,建立多因素耦合条件下的三七块根最大采挖阻力数学模型,得出三七最大采挖阻力影响规律。选出较优的参数模型,对三七收获机械采挖工艺参数的优化具有一定的指导意义。