机械化开沟施肥能够提高作业效率、降低人工劳动强度,是果园施肥作业的发展趋势。开沟刀片是开沟施肥机最重要的工作部件,目前存在功率消耗大、开沟深度不稳定等问题,无法满足果园开沟施肥的农艺要求。本文在分析现有研究成果的基础上,通过理论分析、模拟仿真和试验研究,设计出一种组合曲线型开沟刀片,探讨了刀片结构参数、作业参数与功率消耗和开沟质量的相互作用关系,揭示了其节能降耗微观机理,解决了果园开沟施肥机动力消耗大,开沟深度不稳定的问题。主要得到以下结论:(1)设计了一种"正弦指数曲线—圆弧"组合型开沟刀片。对组合曲线型开沟刀片进行了运动学和动力学分析,确定了刀盘转速、切土节距、刀片数量等主要技术参数;对开沟过程土壤切削机理进行研究,得出刀盘反转是深度开沟最适宜的开沟方式;通过对侧切面、正切面切土力学模型分析,建立了开沟刀片侧切刃参数、正切刃参数、运动参数与功率消耗的数学模型;以60Si2Mn作为刀片材料,遵循相应技术要求,以弯曲半径、弯折角、滑切角为变量,设计并加工了 15种结构不同的"正弦指数曲线—圆弧"组合型开沟刀片。(2)通过室内土槽试验,研究了 "正弦指数曲线—圆弧"组合型开沟刀片结构参数和工作参数对功率消耗和沟深稳定性的影响,在满足作业质量的前提下,结构参数对功率消耗的影响贡献由大到小为弯折角、滑切角和弯曲半径;对沟深稳定性的影响贡献由大到小为滑切角、折弯角和弯曲半径。采用非线性优化计算方法,确定了当弯折角为86.75°,弯曲半径为12 mm,滑切角为13.8°,前进速度为1.0 km/h、刀盘转速为200 r/min时,功率消耗和沟深稳定性取得最优值,并且认为刀盘转速200 r/min是正弦指数曲线型开沟刀片开沟作业的最佳转速。(3)利用光滑粒子流体动力学方法,采用修正的Drucker-Prager准则,建立了"土壤—开沟刀片"的三维动态仿真模型,对"正弦指数曲线—圆弧"组合型开沟刀片切削土壤的微观过程进行分析。研究表明,在开沟作业过程中,应力和应变随着开沟刀片与土壤接触面积和时间的增加而增大,在变化达到一定程度时,逐渐趋于稳定。选取了两种有代表性的工况进行仿真分析,得出了开沟过程功率消耗动态曲线图,揭示了土壤切削功率消耗微观机理。在开沟深度分别为400 mm和500 mm条件下,仿真模拟和土槽试验功率消耗误差在5%以内,且在转速200 r/min时功率有最小值,验证了仿真模型的正确性。(4)以开沟深度、刀盘转速和前进速度为试验因素,功率消耗和沟深稳定性为试验指标,对"正弦指数曲线—圆弧"组合型开沟刀片进行了田间试验。结果表明:开沟深度是影响功率消耗的最显著因素;前进速度是影响沟深稳定性的最主要因素。在两种开沟深度下,"正弦指数曲线—圆弧"组合型开沟刀片均表现出了比普通开沟刀片优良的性能。研究工作为开沟刀片节能降耗以及开沟机整机的优化设计提供了理论基础,对于促进我国果园管理机械的迅速发展具有重要意义。