油菜是我国重要的油料作物,其种植面积及总产量均居世界第一。油菜传统种植过程中,生产用工量大、劳动强度高,因此推广油菜机械化种植是油菜生产的必然趋势。由于长江流域雨量较大,油菜种植需要开畦沟,且土壤粘重板结,地表前茬作物残留秸秆量大,对油菜直播机开沟旋耕作业部件的作业性能和作业效率有着重要影响。本文开展油菜直播机开沟旋耕的降附减阻及仿真分析研究,主要研究内容及结论如下:（1）分析了油菜直播机开沟旋耕作业条件,系统开展了土壤与水稻秸秆物理机械特性参数测试与分析。试验得出了土壤容重、土壤含水率、土粒密度、土壤空隙率、土壤界限含水率（液限、朔限）、土壤颗粒、土壤坚实度、土壤粘结系数、土壤内摩擦角等土壤物理机械参数值,及稻茬高度、秸秆量、秸秆含水率等稻茬物理机械特性参数值。明确了机具作业的土壤质地为壤土偏砂性土壤,作业时的适宜土壤含水率应在25%以下,且机具应具有处理秸秆量大,秸秆韧性强的作业工况能力,为开沟旋耕部件的降附减阻及仿真分析研究提供依据。分析了影响开沟部件作业阻力及作业功耗的影响因素,获得了开沟部件作业阻力和作业功耗与土壤物理机械特性、犁体结构参数、犁体工作参数的定量关系;同时分析了影响旋耕部件作业功耗的影响因素,获得了旋耕部件作业功耗与土壤物理机械特性、刀辊结构参数、刀辊工作参数的定量关系。（2）建立了土壤参数预测模型及对土壤参数进行了预测。以LS-Dyna显示动力学软件为平台,建立以Drucker-Prager为土壤屈服准则,以Mohr-Coulomb为土壤失效准侧的土壤本构模型。通过模拟研究标准圆锥（ASABE标准）浸入土壤过程获得圆锥阻力-位移曲线,并建立圆锥阻力-位移曲线在不同位移点时,圆锥阻力与土壤物理机械特性参数土壤空隙率e*、内摩擦角?、粘结系数c和硬化系数λ之间的回归模型,得出土壤参数内摩擦角?、粘结系数c、硬化系数λ对圆锥阻力-位移曲线有显著影响。运用由抛物线（y=ax2）及直线（y=kx+m）组成的分段曲线拟合所有仿真获得的圆锥阻力-位移曲线,结果显示曲线拟合度值R2在0.99以上;建立了拟合曲线系数a、k、m关于土壤物理机械特性参数内摩擦角?、粘结系数c、硬化系数λ的四阶响应曲面,结果.表明:对校正试验组及验证试验组获得的圆锥阻力-位移曲线进行曲线拟合所获得的拟合曲线系数a、k、m的四阶响应曲面回归方程决定系数R2值都在0.96以上;运用穷举搜索算法预测土壤参数粘结系数c及硬化系数λ值,对于校正试验组,粘结系数c决定系数R2值为0.85,均方根误差RMSE值为17.96%,硬化系数λ决定系数R2值为0.78,均方根误差RMSE值为33.90%,对于验证试验组,粘结系数c决定系数R2值为0.89,均方根误差RMSE值为18.03%,硬化系数λ决定系数R2值为0.76,均方根误差RMSE值为22.31%。（3）开展了油菜直播机开畦沟前犁曲面分析与阻力特性试验,设计一种铧式开畦沟前犁装置,并通过犁体曲面分析,明确了其导曲线和直元线变化规律、犁体曲面类型。基于高速数字化土槽试验,结果表明:改进型犁体的牵引阻力、犁耕比阻、作业功耗为原设计的铧式开畦沟前犁装置对应指标的35%50%,减少50%以上;田间试验结果表明:改进型铧式开畦沟前犁装置开出的畦沟沟型整齐,沟底和沟壁平整。（4）开展了油菜直播机开畦沟部件前后犁作业阻力及功耗研究,以开畦沟部件耕深、前进速度、土壤坚实度为试验因素,开展高速数字化土槽试验,结果表明:前犁牵引阻力及作业功耗是后犁对应指标的2.3倍,占部件整体对应指标的70.3%;通过回归模型分析表明耕深是影响部件整体牵引阻力的关键因素,其重要程度占63.29%,耕深和前进速度对部件整体功耗重要程度基本相同,其重要程度分别占44.73%、46.52%,耕深、前进速度及土壤坚实度与各试验指标正相关;田间作业对比试验结果表明,前后犁有效组合满足油菜农艺种植要求。（5）开展了油菜直播机开畦沟犁体曲面优化与EDEM仿真分析,通过建立EDEM离散元仿真模型,开展了开畦沟犁体曲面结构参数与作业速度的试验研究,结果表明铧刃起土角、导曲线开度、直元线起始角、直元线最大角试验因素对犁体牵引阻力具有显著影响,犁体低速作业阶段,牵引阻力呈线性增长,犁体高速作业阶段,牵引阻力呈自然指数增长;构建了犁体曲面结构参数优化数学模型,获得了当铧刃起土角为15°,导曲线开度为190mm,直元线起始角为35°,直元线最大角为40°时,犁体牵引阻力最小;对优化的前后犁体进行3D打印及试制加工,并开展田间对比试验,结果表明优化犁体作业出的畦沟沟底大块土垡少,残留土壤质量减少62.87%,沟底干净,T型沟较明显。（6）开展了油菜直播开沟旋耕结构改进与田间试验,分析了在地表稻茬秸秆量大、土壤粘重的复杂作业工况下,油菜直播机开沟旋耕部件作业时,土壤流动不通畅、易堵塞的主要部位为开畦沟前犁区域,后犁区域及旋耕部件中间区域;试验研究了油菜直播机开沟旋耕部件作业功耗,结果表明开畦沟部件作业功耗为旋耕部件作业功耗的24.13%36.54%;同时开展了对作业易堵塞部位的结构改进和对功率消耗最大部件旋耕部件刀辊刀片的优化排列,旋耕部件设计为深浅旋组合式种床整备装置,田间试验表明:改进后开沟旋耕部件易堵点消除,机组通过性好,深浅旋组合式种床整备装置作业功耗减少14.13%18.04%,改进后的开沟旋耕部件作业质量对油菜生长状况无明显影响。创新点1:提出了一种切土滚垡与整形同步的犁体曲面,并基于EDEM离散元的仿真分析明确了油菜直播机开畦沟犁体作业阻力最小的曲面结构参数。创新点2:运用标准圆锥浸入土壤过程获得其阻力-位移曲线,提出了一种基于响应面技术的反演分析方法,可有效建立土壤物理机械特性参数预测模型及对土壤参数粘结系数c,硬化系数λ进行预测,为油菜直播机土壤工作部件的结构设计和土壤参数的快速获取提供依据。
