开沟机对于国家基建工程、农田水利工程和农林业生产具有重要意义,随着农业产业结构调整,果业生产蓬勃发展,果园有机肥深施开沟机械化已经成为迫切的要求。立式螺旋开沟机因结构紧凑、机动性灵活、适合开短沟槽等特点被广泛应用于果园开沟作业。螺旋刀具是立式螺旋开沟机的主要工作部件,其运动参数和结构参数的选择直接影响开沟机的功耗大小、作业质量和效率。本文根据果园有机肥深施作业要求,对螺旋刀具进行了设计,并以降低开沟机切削功率为目的,开展了螺旋刀具运动参数和结构参数的优化设计。1.结合变螺距螺旋线的形成原理和Pro/E建模特点,推导了Pro/E笛卡尔坐标系内绘制变螺距螺旋线所需的螺旋线方程。2.根据果园有机肥深施开沟作业要求设计了一种柱式双螺旋变螺距螺旋刀具,并对其运动参数进行了选定。3.分析了螺旋刀具铣削土壤时土粒的运动和受力状态,得到了刀具升运土壤的临界转速与刀具结构参数的关系,经验证选定的刀具转速符合土壤升运要求。确定了抛土距离与刀具角速度和外螺旋线螺旋角的关系,为开展螺旋刀具功率的优化设计确定了转速约束条件。4.对螺旋刀具铣削土壤的过程进行了数值模拟分析。利用ANSYS前处理器,构建了螺旋刀具切削土壤的有限元模型,为刀具和土壤施加载荷和边界条件,导出了土壤切削的关键字文件。利用非线性显式动力分析程序LS-DYNA对关键字文件求解,得到了土壤的应力分布、变形情况和土壤切削功率。数值模拟表明设计的螺旋刀具土壤铣削和升运性能良好。利用土壤切削功率理论公式对数值模拟得到的功率进行验证,表明数值模拟结果与理论值相近,贴近实际工况。5.以前进速度、角速度和螺旋结构参数作为试验因素,开展了土壤切削虚拟正交试验。利用Excel对结果进行处理,得到了土壤切削功率与三者之间的回归方程,为开展螺旋开沟机土壤切削功率的优化设计提供了目标函数。6.结合目标函数和约束条件构建了螺旋刀具优化设计的数学模型,利用MATLAB优化工具箱中的fmincon函数对数学模型计算出了最优解,优化效果显著。7.对螺旋叶片边缘焊接的切土刀片进行了切土过程数值模拟,深入揭示了其切土机理,得到了其应力分布和变形情况。对优化后的螺旋刀具进行了模态分析,得到了工作状态下前八阶模态振型,为进一步改善刀具作业质量、提升作业效率奠定了基础。