秸秆机械化还田是实现农业可持续发展的一项重要措施。将农作物秸秆在田间就地粉碎后翻耕入土,使其腐烂分解,达到大面积培肥地力的效果。对秸秆还田后的土壤而言,由于尚缺乏对这种土壤-秸秆混合物的力学性质及其与机械相互作用规律的深刻认识,耕作部件的设计很少有理论上的依据,使得机具设计比较盲目。因此,研究不同秸秆含量土壤的力学性质,进而在此基础上探讨土壤和秸秆在耕作机械作用下的运动、变形和破坏规律,对耕作部件的设计和使用具有重要意义。作为传统的耕整机械,旋耕刀是与土壤直接接触的主要工作部件。它虽能满足一般田间作业要求,但是针对目前高秸秆含量地表,旋耕刀作业作业效率和性能远不能满足当今秸秆还田和保护性耕作的新要求。新要求指出:机具作业后地表秸秆位移大且均匀分布在地表;土壤位移小是为了减少土壤流失。由于秸秆存在,使得刀片-秸秆-土壤之间相互作用机理复杂。刀片在与土壤接触前首先与秸秆发生作用,基于该机理下,对刀片研究成为必要。主要研究内容和结论包括:1、锯齿刀片设计。通过旋耕、碎茬作业,对刀片运动参数和结构参数进行分析,根据刀片主、侧切削刃与秸秆之间两种相互作用,并结合传统木工所用锯条伐木的思想,以锯齿齿型、锯齿宽度、锯齿深度为结构参数,在旋耕刀基础上设计础9种不同结构参数组合的旋耕-碎茬锯齿刀片。以作业后秸秆长度≤15cm所占比重为评价指标,在室内土槽试验系统上对设计的锯齿刀片进行旋耕和碎茬正交试验,确定刀片结构参数优化组合为:梯形锯齿、锯齿宽度3.5～4mm、锯齿齿深4mm。以65Mn为材料,遵循国标加工工艺,设计并加工出该锯齿刀。根据设计的锯齿刀片与国标旋耕刀,在不同的秸秆含量下进行了仿真、土槽和田间对比试验。锯齿刀在50%秸秆含量的地表,扭矩要小于国标旋耕刀;在100%秸秆含量时,扭矩略大于国标刀;无秸秆地表,两者扭矩近似相等。耕作后,对比三种秸秆含量的地表状况,锯齿刀优势明显。2、通过室内秸秆弯曲、剪切试验和田间正、反旋试验,探究了秸秆在不同转速下土壤和秸秆位移变化以及在实际作业过程中刀片与秸秆的作用机理。剪切和弯曲试验表明:小麦和水稻秸秆N1、N2和N3段弯曲强度随加载速率增加呈现先递减后递增的趋势;随着加载速率增加,小麦秸秆N1、N2和N3段剪切强度先减小后增加,水稻秸秆剪切强度随加载速率增加而增加。比较N1、N2和N3段秸秆的弯曲和剪切强度,得到N3>N2>N1;稻麦秸秆弯曲和剪切强度最大值均位于N3段。土壤和小麦秸秆位移在二维平面中研究表明:反旋作业土壤和秸秆位移大于正旋作业;正旋作业时,土壤和秸秆随着转速增加而增加;对于反转旋耕作业,其位移随转速增加而递减。耕作后各标记点在平面坐标系中位置是按螺旋线形状排列,且形状不随转速改变;反旋作业土壤和秸秆运动主要集中在机具运动反方向上且分布均匀;正旋作业土壤、纵向秸秆分布在标记点两侧,且横向秸秆出现聚集现象。正旋时秸秆掩埋略高于反旋,土壤破碎相反。平面坐标系中秸秆分析表明:3种转速下,稻麦秸秆位移随转速增加而减小,水稻秸秆位移大于小麦秸秆位移;2种排列方式对应两种分布情况。纵向标记秸秆X轴上坐标呈两侧对称分布;横向排列标记秸秆在X、Z轴上呈两侧对称分布。纵向标记秸秆位移变异系数随着转速增加表现为先增加后减小;横向标记秸秆变异系数随转速增加表现为逐渐减小。说明耕作后秸秆位移变化的均匀性不与转速成正相关。3、在EDEM软件中建立了秸秆-土壤-锯齿、旋耕刀相互作用的仿真模型,并根据仿真试验分析了秸秆和土壤在刀具作用下的微观、宏观运动以及业过程中刀片所受三个方向力和扭矩。研究结果表明:对比单、多刀仿真结果得到秸秆覆盖时2种刀片所受合力、垂直力、前进阻力大于无秸秆覆盖;一个作业周期内,2种刀片各向受力变化都是从ON开始增至最大值,然后再降至接近0N;垂直力大于水平阻力和侧向力,国标旋耕刀小于锯齿刀受力。多刀仿真下,2种排列方式的秸秆与刀片相互作用机理各异,横向排列秸秆与刀片主切削刃发生剪切和滑切作用,与侧切削刃发生挤压;纵向排列秸秆与刀片主切削刃发生挤压和撕裂作用,与侧切削刃发生剪切。由于锯齿存在,秸秆的剪切、滑切和挤压优势明显;锯齿刀作业下三向(水平、侧向和垂直)位移大于国标旋耕刀。从地表标记土壤分析得到:两种刀片下,土壤水平位移(F向)大于侧向位移(X向)和垂直位移(Z向);锯齿刀作业下各向最大位移大于国标刀。两种刀片作业下,土壤水平位移与刀具运动方向相反;侧向位移沿轴向两个方向的运动均存在;垂向位移正负表示耕作后地表呈现凸凹不平的趋势。锯齿刀与秸秆的剪切以及滑切作用优势较国标刀明显,从而更多秸秆被掩埋到地表以下,使得地表土壤向上凸起更明显。分别从浅层、中层和深层土壤进行了深入分析。三耕深层下土壤的水平运动位移总是大于侧向位移和垂直位移,与前述表层结果类似。在耕作过程中,浅层土壤颗粒的运动位移最大,中层土壤次之,深层土壤最小,说明三个方向受力情况决定了土壤运动方向。单刀仿真刀辊扭矩变化趋势与多刀相同,锯齿刀略大于国标旋耕刀;但多刀作业一段时间后,两者值接近相等。由于多刀仿真时,刀片相互之间、旋耕刀片的左、右旋等会发生干涉作用导致。但单刀仿真结果可以为多刀仿真结果参考。4、在室内土槽试验中,分析了不同秸秆含量下2种刀片各向受力以及刀辊所受扭矩变化。结果表明:随着秸秆含量的增加,侧向力受秸秆影响较小,两者前进阻力增加。当100%秸秆含量时,锯齿刀和国标刀所受水平阻力最大值接近相等。由于锯齿的存在,主、侧切削刃要与横、纵向結秆发生剪切和挤压作用,从而导致垂直力明显增加。一个作业周期内,2种刀下刀辊所受扭矩均呈现先增加后减小的趋势;随着秸秆量增加,锯齿刀作业时刀辊所受扭矩逐渐递增且大于国标刀;而国标旋耕刀在地表秸秆含量增加到100%时,其最大值基本不受影响。由于大部分秸秆从主、侧切削刃表面滑落,基本无剪切和滑切作用力。地表含50%秸秆时,国标刀作业时刀辊所受扭矩大于锯齿刀;当秸秆含量从0%增加到50%时,国标刀作业刀辊所受扭矩增加41.7%,锯齿刀增加14.3%;当秸秆含量从50%增加到100%时,锯齿刀增加25%,而国标刀为10.6%。说明秸秆含量增加,锯齿刀与秸秆接触并处理次数增加,从而导致其扭矩增加明显。锯齿刀的掩埋率大于国标旋耕刀;且在50%秸秆含量的地表,锯齿刀的掩埋率最高。锯齿刀作业后,地表秸秆长度小于15 cm质量高于国标刀；当秸秆含量增加一倍,锯齿刀作业后地表秸秆小于15cm质量增加97%,而国标刀增加81%。地表碎茬率,锯齿刀优于国标刀。5、田间试验结果与仿真和室内试验结果变化趋势一致。随秸秆含量增加,两刀片作业拖拉机输出轴所受扭矩均增加;当地表含50%秸秆时,锯齿刀作业下拖拉机输出轴受扭矩略小于国标旋耕刀;但秸秆含量从0增加到100%时,锯齿刀和国标刀作业时拖拉机功耗分别增加25.19%和28.56%。锯齿刀作业下土壤和水稻秸秆各方向上位移均大于相应国标旋耕刀。旋耕刀的主、侧切削刃与秸秆的作用机理不同,从而导致其位移差异。纵向秸秆与旋耕刀侧切削刃的剪切作用,主要表现为X向位移;主切削刃与秸秆的挤压与撕裂表现为Y向位移;横向秸秆恰好相反。纵向秸秆X、Y向位移大于横向秸秆对应位移说明旋耕刀侧切削刃与秸秆剪切作用大于主切削刃与秸秆的挤压作用。仿真、室内试验和田间试验对比得到:田间试验扭矩大于室内试验和仿真试验;随着秸秆含量增加,室内和田间试验增长趋势一致;田间试验一下秸秆位移大于仿真和田间试验二下秸秆位移;仿真试验下土壤位移大于田间试验一、二下土壤位移。主要由于试验条件和试验环境等因素的差异。另外,仿真模型可作为田间试验参考,且在一定范围内能预测土壤和秸秆位移。由于侧切削刃的作业宽度大于主切削刃作业宽度以及锯齿的存在,所以锯齿刀更易剪切秸秆;随秸秆含量增加,秸秆掩埋率和土块破碎率降低。地表残留秸秆数量增加,锯齿刀秸秆掩埋率和土壤破碎率均高于国标旋耕刀;50%秸秆含量的地表,锯齿刀的掩埋率最高。当地表秸秆含量从50%增加到100%时,虽然锯齿刀作业时拖拉机输出轴所受扭矩和拖拉机功耗略大于国标旋耕刀,但锯齿刀作业后地表秸秆小于15 cm质量增加93%,而国标刀增加76%;秸秆掩埋率、土壤破碎率、秸秆碎茬率均要优于国标旋耕刀。综合经济和产生实际效益来考虑,本文设计的锯齿刀可以为旋耕作业中土壤破碎、秸秆粉碎埋覆参考,且该锯齿刀的设计均满足国标要求。