玉米免耕播种技术具有省工、省时、节本增效的优点。黄淮海地区小麦-玉米一年两熟轮作体系中夏玉米播种茬口衔接期“抢收抢种”使得小麦秸秆粉碎覆盖还田占主导方式,导致地表大量的秸秆覆盖使免耕播种机作业时出现开沟壅堵、架种、晾种、缺苗断垄、作业效率低等问题,同时,土秸复合体的耕层土壤坚实度高,未经旋耕、耙等工序的田块地表平整效果差,无法保证施肥、播种的深度一致性,导致后期夏玉米苗质弱、整齐度、均匀度差等问题。目前,生产上已采用的驱动式带状粉碎会旋耕防堵装置存在功耗大、土壤扰动量大、结构复杂等特点。因此,本研究从种带秸秆清理、耕层土壤平整、作业降耗增效出发,设计基于仿生立式螺旋锯齿刀的主动式秸秆移位防堵装置。主要研究成果如下:(1)通过分析秸秆覆盖还田分布特征、砂姜黑土物理特性,利用直接测量法对秸秆-秸秆、秸秆-土壤及秸秆-耕作部件的离散元模拟所需的接触参数(弹性/剪切模量、碰撞恢复系数、静/动摩擦系数)进行测量。应用离散元EDEM软件,构建秸秆覆盖土壤离散元模型。利用仿真和高清摄像技术,分析开沟器铲柄作用过程中秸秆扰动特性、挤压特性及运动特性。研究结果表明:秸秆层和土壤层沿机具运动方向产生速度梯度、压力梯度和阻力梯度,导致耕作部件作业时秸秆层质点迁移成堆的主要原因。(2)研究阐明了圆柱体有环量绕流的分流条件和余摆线运动的必要条件。基于螳螂足趾排列的齿形刃口曲线和木工用锯齿锯木的思路,设计了一种仿生螺旋锯齿刀片的立轴式秸秆移位防堵机构。通过离散元仿真和室内土槽示踪法试验,分析了秸秆颗粒、土壤颗粒随着运动速比的增加,颗粒的横向(纵向)位移增大,并形成一条带状洁区。当田间作业速度为4～8 km/h,刀轴转速为500 r/min,回转半径为120 mm,工作幅宽为600 mm,刀齿入土深度为10～20 mm,作业未发生堵塞现象,通过性良好,秸秆清洁率平均值为90.21%。(3)分析明确了条带耕作中立式螺旋锯齿刀作用耕层土壤单元垡块运动行为。基于激光三角法设计一种耕作土壤地貌特征参数测量系统,以快速、准确获取秸秆移位防堵作业前后的耕层土壤地貌。通过离散元仿真和室内土槽试验效果分析地表平整度的影响因素,田间试验研究表明:秸秆移位防堵机构可在“坑洼”不平的地表浅耕作业形成一个平整的“U”型清洁种带,随着运动速比λ增加种带平整效果越好。(4)研发了 2BMY-4型秸秆移位玉米免耕播种机,可实现“清秸开沟施肥播种覆秸(土)镇压”六同步。开展仿生螺旋锯齿刀片结构参数(滑切角)和工作参数(刀轴转速、入土深度)对种带秸秆清洁率、地表平整度及功耗等性能指标的影响,优化后的最佳组合参数为:立式仿生螺旋锯齿刀滑切角为5.16°、刀轴驱动转速为564.02 r·min-1、刀刃入土深度为12.09mm时,验证结果表明,播种机无壅堵现象,秸秆清洁率93.87%,防堵单体功耗0.50 kW,与软件预测值相比,秸秆清洁率相对误差为0.51%,防堵单体功耗相差0.09kW,作业播深稳定系数为93.79%,播后15d苗期均匀度为94.68%。(5)研究证明了条带耕作对产量及产量构成因素具有正向调控效应。通过条带耕作(ST-Z、ST-X)、秸秆覆盖耕作(SMT-Y)和深松耕作(SST)方式下作业性能、玉米生长性状及产量对比试验,从功耗角度分析,带状防堵当量功耗要小于覆秸防堵,同时绕Z轴旋转的防堵装置当量功耗要低于绕Y轴旋转的防堵装置。从作业效果分析,绕Y侧的抛覆秸防堵装置和绕Z轴的带状主动式秸秆移位防堵装置的种带地表平整度、土壤扰动量、种-肥深度稳定性优于绕X轴的带状旋耕防堵装置。从玉米苗期性状分析,条带耕作下苗期的株高、茎粗、主根系长均优于秸秆覆盖耕作、深松耕作,玉米苗期群体整齐度随着苗床地表平整度的增加而降低,且玉米幼苗整齐度与地表整齐度呈显著负相关关系,相关性决定系数为0.963;从不同免耕方式对玉米产量影响结果分析得出,条带耕作下玉米产量高于秸秆覆盖耕作、深松耕作,其中穗数和千粒重的增加是玉米籽粒产量增加的主要原因。