稻油轮作区作物收获后秸秆残留量大,留茬较高,土壤板结黏重,秸秆还田难度较大。针对以上问题,本文基于课题组的前期研究,以降低秸秆还田旋埋刀辊功率,增加旱耕秸秆埋覆深度及秸秆土壤混埋程度为主要目的,设计了秸秆还田深旋埋联合耕整机。通过对水稻和油菜秸秆滑切特性的研究,设计了滑切型自激振动深松装置,并借助离散元仿真、土槽试验和田间试验等方法对其作业过程和效果进行了分析,在深旋埋联合耕整试验的基础上对秸秆还田旋埋刀辊进行了合理设计和优化,最后通过田间试验后秸秆空间分布的研究检验了深旋埋联合耕整机的作业效果。主要研究结论如下:(1)对水稻和油菜秸秆分别进行了慢速切割和快速切割试验,获得了秸秆切割的较优滑切角范围。水稻秸秆的慢速切割和油菜秸秆的快速切割对切割刀具不同的滑切角表现出了不完全相同的特性。慢速切割中,滑切角为60°时,单位直径滑切力最小,滑切角为45°时,单位直径滑切功耗最小;快速切割中,滑切角为30°时,单位直径滑切力和功率均最小。因此,在考虑深松和秸秆还田刀具的设计时,可以优先选择的滑切角范围为30°～60°。(2)设计了一种滑切型自激振动减阻深松装置,主要包括利用滑切原理设计的滑切型铲柄及相应的自激振动装置。通过建立动力学方程对滑切型铲柄的重要参数滑切角进行了理论分析及参数设计,并通过建立几何方程对铲柄的实际切土刃口角进行了分析及计算。以牵引阻力为试验指标,对深松铲进行了土槽对比试验,其中固定连接滑切型深松铲在各速度下相比于弧形深松铲减阻7.79%～8.81%,自激振动连接滑切型深松铲在各速度下相比于弧形深松铲减阻15.45%～20.05%。根据粘壤土粘结特性,基于DEM仿真软件建立了具有粘结特性的双层土壤模型,对JKR土壤接触模型重要参数表面能进行了标定,结果表明当耕层土壤表面能为42 J/m~2,底层土壤表面能为48 J/m~2时,牵引阻力仿真值与试验值误差最小,为0.89%。DEM仿真分析显示,深松土壤扰动宽度、扰动高度、扰动角度和中心宽度等参数与田间实际测量值误差均小于10%,说明土壤离散元模型与实际田间土壤状况较吻合。土壤颗粒的微观运动分析显示,深松过程中土壤颗粒经历了先向前向上的运动,后又经历了向下向后的运动。深松过后的土壤颗粒间隙显著增加,达到了较好的土壤疏松效果。深松作业过后在沟槽底部形成了明显的鼠道,对于土壤的蓄水保墒具有重要作用。开展了滑切型自激振动深松装置参数优化试验,各因素对牵引阻力和土壤蓬松度的显著性影响从大到小的顺序均为前进速度、弹簧预紧力、铲柄滑切角。软件分析最优工作参数组合:弹簧预紧力为6.67 k N、铲柄滑切角为44.21°、前进速度为0.44m/s时,深松牵引阻力为3.77 k N,土壤扰动系数为60.21%,土壤蓬松度为7.70%。田间验证试验显示,在最优工作参数下,深松牵引阻力为3.84 k N,土壤扰动系数为57.00%,土壤蓬松度为8.33%,与软件分析值的误差分别为1.82%、5.63%和7.56%,验证了响应面分析的可信度。(3)结合课题组已研发的秸秆还田旋埋刀辊设计了秸秆还田深旋埋联合耕整机。对深旋埋联合耕整机进行了受力和功耗模型分析,计算了旋埋刀辊的作业参数对前进速度的影响,并分析了秸秆还田旋埋刀辊的关键部件螺旋横刀滑切埋覆秸秆的机理。作业性能试验表明,深旋埋联合作业功率消耗小于单独深松和单独旋埋两项作业之和,说明深松作业改善了旋埋的作业条件,降低了旋埋作业的功率消耗,在拖拉机1挡和2挡速度下其总功率分别占两项作业之和的85.0%和82.2%,秸秆埋覆率为92.0%,耕后地表平整度为1.0 cm,均大于质量评定指标,满足农艺要求。高留茬油菜秸秆还田试验作业质量均值对比中,深旋埋联合耕整机(SSR)秸秆粉碎长度合格率为89.1%,秸秆埋覆率为93.0%,下半埋覆层秸秆占比η_C为52.9%,这些数值均优于秸秆旋埋还田机(SR),其中η_C值SSR相较于SR增加了10.7%。PTO转速和拖拉机前进速度对SSR及SR条件下η_C值均有显著影响。SSR和SR的动力消耗对比显示,先进行深松作业可显著减小动力输出轴扭矩,SSR在各对应工况下动力输出轴扭矩范围保持在381～412 N·m之间,相较于SR减小22.39%～34.04%。PTO转速和拖拉机前进速度对SSR和SR总功耗都有显著影响。(4)针对旋埋刀辊结构方面存在的问题,对刀盘和弯刀的结构进行了优化。优化的刀盘取消了径向通槽,通过改用两个螺栓孔来定位弯刀的位置,既实现了弯刀和螺旋横刀的自由拆卸,又令刀盘的加工难度大大降低,刀盘厚度也相应减小,减轻了安装质量。优化后的弯刀设置了与刀盘相匹配的螺栓孔,同时弯刀的刃口由单面刃口改为双面刃口以减小入土阻力,并在弯刀端部设计了相应的卡槽直接定位螺旋横刀位置,既实现了螺旋横刀的快速准确定位,还显著降低了加工误差。针对旋埋刀辊作业质量方面的问题,对旋耕刀的排列进行了优化。以轴向推土量为参考依据,在常用耕深情况下计算出了1把螺旋横刀需要2.33把旋耕刀来平衡轴向侧推效应,因此,在旋埋刀辊一个区间3把螺旋横刀对应7把旋耕刀的基础上增加一左一右2把旋耕刀,这样既相当于没有增加轴向推土量,又提升了旋耕刀数量,还可令每两把螺旋横刀间分布三把旋耕刀。油菜秸秆还田对比试验表明,优化后的旋埋刀辊相比于原旋埋刀辊在秸秆埋覆率和秸秆粉碎率等作业质量上均有提升,而功率消耗略有增加。水稻秸秆还田试验表明,优化后的旋埋刀辊可有效实现水稻秸秆的埋覆,且作业后耕层底部平坦。(5)针对3种耕作工具:传统旋耕机(TR)、秸秆旋埋还田机(SR)及深旋埋联合耕整机(SSR)进行了秸秆还田后的秸秆空间分布效果检测。通过设计的秸秆三维坐标测量装置测量了秸秆还田后秸秆在土壤中的空间坐标,将所测得的空间坐标导入三维绘图软件还原了秸秆在土壤中的空间分布,并将其在三维图中量化及可视化显示。不同的耕作工具对秸秆还田的效果影响较大。相对而言,TR作业后秸秆的切断效果不好,地表残留了较多的秸秆,并且在耕作深度的底层埋入秸秆较少,划分的单元格内秸秆平均长度较小,无秸秆单元格数量较多。与TR相比,SR和SSR作业后的秸秆平均长度分别减小了48.2%和52.7%,地表仅残留了少量秸秆,在耕作深度的底层秸秆层占比分别增加了154.9%和214.1%,单元格内的秸秆平均长度分别增加了114.9%和98.6%,无秸秆单元格数量分别减小了40.2%和36.0%。利用离散元法建立了相应的仿真模型,并与田间试验设定了相同的作业参数。在分层处理中,仿真与实测结果表明,SR和SSR埋入土壤中的秸秆量都明显大于TR,尤其埋入土壤下层的秸秆量均是TR的数倍。TR、SR和SSR作业后各层秸秆占比仿真值和实测值的变异系数均呈递减趋势,其中TR仿真值和实测值的变异系数最大,分别为55.8%和68.2%,SSR的变异系数最小,分别为28.8%和28.7%。离散元仿真与田间试验结果表明,SSR秸秆还田后,秸秆在土壤中垂直分布和水平分布的均匀性都最优。离散元仿真较好地拟合了实际田间作业后秸秆的空间分布状态,相对误差在可接受范围内。