近些年,随着高附加值作物连作种植模式的发展,其专业化、制度化及规模化程度不断提高。在获得丰富经济效益的同时,也导致土壤内部病虫害污染现象日益严重,已成为影响作物产量与品质的主要因素。土壤消毒技术是一种高效灭杀土壤内真菌、杂草及土传病虫害的技术,可有效控制高附加值作物病虫害问题。目前针对大田土壤的消毒作业机具研制较少,需考虑因素较多。国外的土壤消毒技术有半个多世纪的发展历史,研制机具较多,但是机型庞大,价格昂贵;国内对此方面的研究仍处于初级阶段,研制机具较少,并且生产效率较低,多采用地表喷施药剂后覆膜形式进行消毒。此种模式造成二次污染的同时也影响后续土壤耕整地作业环节,无法完全满足实际生产需求,不利于高标准农田和可持续生态农业建设的发展需求。因此,研制和开发高效环保的土壤消毒机具是非常必要的。通过查阅大量相关文献,对国内外的土壤消毒机具的发展趋势和现存问题进行深入分析和综述,设计研制出土壤旋作消毒一体机,并根据研究需要对结构和工作原理进行详细阐述。结合理论和参数分析以及试验研究的方法对其进行深入探讨,在技术可行性和装置结构合理性的前提下,设计和配置土壤旋作消毒一体机,并进行相关试验验证。主要研究内容和取得的成果如下:(1)为达到土壤消毒一体机在作业过程中,土壤处理刀具需将药液搅拌至各土层并达到指定深度同时减少喷头堵塞的作业要求。结合喷施系统的作业特点,在深入探讨刀具正反转作业碎土质量区别的基础上,确定土壤处理系统刀具正转的作业形式;从理论上对土壤处理系统中刀具的运动轨迹进行分析并建立数学模型,分析影响土壤处理系统作业质量的因素,同时确定各因素的理论范围;在作业过程中对喷施系统的消毒液滴进行力学分析,确定在无风条件下消毒液滴的运动方程,并对喷洒作业后的药液渗入土壤中再分布和蒸发过程进行详细解析;分析影响喷施系统作业质量的因素,同时确定各因素的取值范围。(2)对一体机的两个关键工作系统进行系统设计,并阐述各系统的工作原理。通过理论分析推导药液泵流量与机具前进速度、作业面积以及作业幅宽的关系式,并根据实际情况确定喷施系统所需的流量,确定药液泵的流量应大于2878 L/h;根据流量的大小选择实心锥形喷头作为执行部件并通过计算确定喷头的布置方式为部分重叠和喷头的数量为9个。通过理论分析并结合土壤处理系统需要的作业耕深以及对土壤碎土率的要求,确定土壤处理系统刀具各部分刃口外形结构、曲线参数,进而确定刀具排列形式为双螺旋线内外交错方式。(3)通过总结目前土壤消毒剂的使用特点,进而提出适宜的农艺设计依据。设计整机传动系统,将总动力分别传至两个工作系统,完成整机总体布局并进行了整机轻简化设计配置。在整机的机架前梁正下方均匀布置9个大流量喷头,进行土壤搅拌处理同时进行喷施消毒作业,达到药液与各层土壤的充分接触,提高消毒作业效果,减少外界因素对喷施作业的影响。阐述土壤旋作消毒一体机的工作原理,采用虚拟样机设计方法,运用Pro/e三维建模软件对整机进行三维建模。(4)依据国家标准《喷灌工程技术规范》及相关文献对土壤旋作消毒一体机试验样机进行田间消毒验证试验。选取克里斯琴森均匀系数和变异系数为试验指标,装置前进速度、工作转速和工作压力为试验因素进行田间消毒作业试验。利用Design-Expert8.0.6软件对试验数据进行处理和分析,确定各因素对克里斯琴森均匀系数的影响顺序,找到满足性能指标的最佳因素组合。田间试验结果表明本设计的土壤旋作消毒一体机作业效果良好、操作方便、性能稳定、整机结构合理。当一体机的作业速度为3 km/h,工作转速为600 r/min,药液泵的工作压力为1.98 MPa时,消毒装置的喷洒消毒剂与土壤得到充分混合,克里斯琴森均匀系数为89.99%,变异系数为3.23%,根据优化结果验证试验,均匀系数为88%,变异系数3.44%,与优化结果基本一致,误差在可接受范围内,且整机作业性能稳定、传动可靠,并且达到在处理土壤的同时进行土壤消毒的效果。