中文摘要：

开展动态切削机理研究是解决当前日益增多的高茬水田土壤环境中实现高效节能耕整难题的关键。本项目提出以双螺旋刀辊为对象，对高茬水田切削过程中的秸秆防缠减阻推压机理、土壤减阻切削机理、切削过程仿真及优化等开展研究。采用有限元分析、多介质耦合、分层建模、高速摄影、比例模型试验以及固结土壤-秸秆混合体并取截面分析秸秆分布等方法，阐明切削过程中"刀辊-秸秆-土壤"间耦合作用机制及能量分配规律，建立切削过程有限元模型并获得仿真结果，从而揭示高茬水田土壤的动态切削机理和减阻降耗规律，解决刀辊结构参数、运动参数与耕作要求间多目标复杂优化问题。研究成果能为土壤力学性能理论研究、不同类型土壤切削模型建立与仿真研究、一般机械与不同类型土壤间非线性力学关系的理论研究、水田高秆的减阻埋覆技术和节能耕整技术开发、现代大型水田农业机械设计理论研究及节能农业装备的优化研发提供重要参考，具有重要的理论意义和显著的应用价值。

结论摘要：

为阐明高茬水田土壤的切削机理，研究者以双螺旋刀辊为对象开展了研究。进行了成熟期水稻茎秆弯曲和轴向压缩试验，结果表明茎秆上部和下部的最大弯曲破坏力分别为6.07N、9.64N，最大压缩破坏力分别为46.96N、69.35N。双螺旋旋耕埋草刀辊沿前进方向推压秸秆、并按照推压方向沿秸秆中部对秸秆进行打击或切割，有利于减少耕作阻力。采用修正的Drucker-Prager模型为土壤本构模型，取15％轴向应变时的主应力差值为塑性水田土壤的屈服破坏条件，对双螺旋型旋耕刀辊的关键部件——横刀切削粘性土壤过程进行了仿真，结果表明切削阻力与切削速度、切削角度呈非线性增加关系，切削深度对完全进入土壤中的窄型刀具所受的切削阻力影响不显著，切土阻力与切土宽度呈线性关系。利用切削阻力测量装置和切削阻力实时数据采集系统进行了横刀切削阻力试验，结果表明仿真阻力和试验所测阻力基本吻合。对横刀—秸秆—土壤间耦合切削机理进行了试验研究，结果表明耦合作用对切削阻力产生显著影响，当秸秆数量为2根、4根、6根时，切削阻力分别增加35.35%，49.23%和91.95%。开展了水田土壤浸泡时间对土壤坚实度的影响研究，结果表明浸泡48h后坚实度可下降22.25%~34.62%，但在36h~60h内坚实度差异不明显，提示田间土壤浸泡36h~48h后作业可降低切削阻力。利用基于LabVIEW软件设计的刀辊转矩和转速测试系统，进行了刀辊工作扭矩与功耗的测试，室内土槽试验结果表明刀辊前进速度与工作扭矩成指数关系，工作扭矩最小值出现于310rpm附近，刀辊前进速度与耕深对工作扭矩间存在交互作用。选择冬闲杂草田、油菜秸秆田和中稻秸秆田对旋耕埋草刀辊作业功耗进行了实时检测，结果表明机组前进速度1.7m/s、刀辊转速310r/min、第一遍耕深55mm时，双螺旋刀辊功耗均值为6.58kW；其余参数相同、第二遍耕深110mm时，双螺旋刀辊功耗均值为7.01kW。设计了一种工作幅宽2.0米的大型双组双螺旋刀辊并行工作的水田秸秆还田耕整机械，田间性能试验结果表明在秸秆残茬平均高度达300mm时，作业后秸秆覆盖率达94.19%、地表不平整度≤25.0mm、平均耕深为158.7mm，秸秆防缠效果良好。上述研究成果为土壤力学性能理论研究、水田土壤切削模型建立与仿真研究、现代大型水田农业机械设计理论研究及节能农业装备的优化研发提供了重要参考。