对于烟草、玉米和甘蔗等高秆作物,通过培土作业能增强作物根茎的抗倒伏能力,提高产量。目前的机械中耕培土技术培土效率低,低培土,能耗大,培土机利用刀具旋松土壤,抛到垄顶,完成培土,从而导致沟底坚硬,无松土,易造成土壤里面原有水分的流失。且遇到降雨时,坚硬的土壤不能有效实现蓄水功能,从而产生降水径流,造成水土流失。本文在查阅大量国内外有关中耕培土机械文献的基础上,结合机械培土作业的相关农艺要求,设计研制了一种烟草中耕培土机,并提出复合切削土壤方法,同时对复合切削部件进行了分析与试验。本文具体研究的内容主要包括以下4个方面:(1)本课题基于金属材料的切削理论及特点,设计了一种新的机构实现对土壤的复合切削,采用送分土犁刀与螺旋培土刀复合作业方式进行土壤切削。送分土犁刀随着机器运动沿垄沟方向移动,犁刀底部切削刃与切削运动方向斜交不垂直,形成斜向切削:螺旋培土刀沿垄侧方向斜置,螺旋培土刀快速转动实现对垄沟和垄侧土壤的铣削及碎土;斜向切削和螺旋铣削组成复合切削。(2)对送分土犁刀斜向切削和螺旋培土刀螺旋铣削两种切削方式相互作用行为进行研究与优化。设计送分土犁刀的起土角δ为30°,利于切削土壤:设计螺旋培土刀螺旋角β为73.4°,达到减小功耗要求;设计导向罩装置中导向筋与水平面的夹角α为30°,利于土壤导向。对两种刀具的布置位置与组合形式进行优化分析得出,送分土犁刀前置疏松土壤,螺旋培土刀后置输送破碎土壤,且螺旋培土刀采用“V”字型布置,建立了复合切削模型,形成一种新的复合切削方法,提高了垄体土壤碎土率,降低了作业能耗。(3)依据离散元法建立机具工作部件-土壤间作用模型,运用EDEM软件对烟草中耕培土机复合切削部件构成的土壤流向控制部分进行仿真分析,三种结构模型离散元仿真结果表明,添加导向罩装置时,培土效果较好。采用双因素全面试验设计法研究螺旋培土刀外沿线速度v0和机具前进速度pm对培土效果的影响,方差分析结果表明:螺旋培土刀外沿线速度和机具前进速度对输送至垄顶颗粒和培土厚度影响均极显著;对平均培土厚度进行多重比较得出,在螺旋培土刀外沿线速度v0为3.01m/s,机具前进速度vm为0.7m/s时,极显著于同组螺旋培土刀外沿线速度和机具前进速度时,此时机具能耗较小,机具作业性能较理想,同时符合工作效率要求。此时输送至垄顶的全部土壤颗粒数为157个,输送至垄顶的底层颗粒数为75个,培土厚度为40 mm,送分土犁刀所受压力为55.81 N,螺旋培土刀所受扭矩为2.77 Nm,综合作业效果较好。(4)建立整机三维实体模型,完成了样机试制,并通过多次田间性能试验,对螺旋培土刀转向进行理论分析与试验验证得出,螺旋培土刀采用逆铣时,效果优于顺铣;对烟草中耕培土机复合切削部件进行了试验,分析了三层流向控制系统,试验验证了导向罩装置对土壤流向的作用效果。同时进行了田间试验,对烟草中耕培土机复合切削部件作业后的培土厚度、培土倾角和培土高度等进行测量,试验结果表明,田间作业性能试验结果与仿真试验结果基本一致,符合培土作业农艺要求。