果园管理作业中,开沟作业劳动强度大,工作效率低,其机械化水平对我国果品产业发展有着极其重要的意义。目前,开沟机存在功率消耗较大,难以满足开沟位置、开沟深度、开沟宽度等农艺要求的问题。本文以矮砧密植苹果园为研究对象,基于果园开沟的农艺要求,研制了一款符合果园农艺要求的偏置阶梯刀盘式果园开沟机,并借助ANSYS/LS-DYNA对开沟机的作业过程进行模拟仿真,揭示了开沟刀切削土壤的微观机理,优化开沟机的工作参数,降低了开沟作业的功率消耗,并进行田间试验验证。主要研究内容及结论如下:(1)果园开沟机的总体设计与样机研制根据果园开沟施肥的农艺要求,确定了果园开沟机的整体设计方案。开沟机的动力装置采用履带式果园多功能作业机,通过悬挂装置与开沟机连接。开沟机为偏置式,可靠近果树开沟。对果园开沟机的关键部件包括开沟刀盘、传动系统、机架和挡土板进行结构设计。开沟刀盘设计为阶梯式开沟刀盘,由三层单圆盘组成,靠近果树侧的单盘直径较大,远离果树一侧单盘直径较小,该结构在保证开沟深度要求的同时降低了开沟功耗。对开沟机进行运动分析,确定了反转开沟的工作方式。根据设计方案,完成样机的试制加工。(2)开沟刀切削土壤过程的仿真分析采用ANSYS/LS-DYNA软件,基于SPH法对开沟刀切削土壤过程进行仿真分析,建立开沟刀切削土壤仿真模型。研究表明,在开沟刀切削土壤过程中,切削连续性良好,等效应力、切削阻力随着开沟刀与土壤接触面积的增加而增大,最后趋于稳定。开沟过程中,最大等效应力多出现于开沟刀的弯折处。在选定的土壤条件下,开沟机前进速度为0.27 m/s,刀盘转速为18.85 rad/s,开沟深度为0.3 m时的功率消耗仿真值为2.28 kW,与理论值的误差为4.1%,功率消耗仿真模型准确可靠。(3)开沟机工作参数的优化在建立的开沟刀切削土壤仿真模型的基础上,通过正交试验得到了功率消耗最小时,开沟机刀盘转速、开沟深度、与前进速度的最优组合:刀盘速度为20.94 rad/s,开沟深度为0.3 m,前进速度为0.13 m/s。同时,通过探究工作参数对开沟功耗的影响,为开沟机选择合理工作参数提供分析依据。(4)田间试验田间试验表明,开沟机作业速度为1.2 km/h时,平均开沟深度为31.72 cm,开沟宽度为31.13 cm,沟深稳定性系数为97.2%,开沟深度和宽度均能满足果园开沟的农艺要求,工作稳定可靠,开沟作业质量较好。通过扭矩-转速测量平台验证了开沟刀切削土壤仿真模型准确可靠。