深松耕作具有打破犁底层,增强耕作层和心土层之间的水肥流通的作用,但因耕作深度大,使得深松作业时耕作阻力大。振动深松具有减阻的优势,但振动深松机的振动传递至拖拉机,对拖拉机驾驶员造成不良影响,使得振动深松机的推广受到制约。为此,本文在振动深松减阻研究的基础上,进一步研究降低振动不利影响的有效途径,并对其进行舒适性、可靠性分析,开发出一种自平衡式振动深松机。主要研究如下:(1)设计开发单组铲振动深松机,进行室内土槽试验,对振动深松机工作参数进行研究。研究中,采用二次回归通用旋转设计,考察深松铲振频、振幅、前进速度与耕阻、振动指标的关系,利用Design-Expert响应面分析法,得到两个指标的回归模型,并进行多目标优化分析,得到一组减阻减振的优化解:振幅21mm、振频4.2Hz、前进速度3.4km/h。该组优化参数下,与非振动深松相比,振动深松耕阻最小值、平均值分别减小46.2%、16.6%;与耕阻单目标优化结果相比,多目标优化得到竖直方向力的变化幅度减小42.5%,降低了振动影响。(2)设计多组铲振动深松机,利用振动深松铲工作参数优化分析结果,进一步对多组铲结构配置参数进行优化研究。寻优试验过程中,多组深松铲振动作业的剧烈振动易造成试验设备损坏,因此利用仿真试验,缩小寻优区间,以避免危险工作环境下的实车试验。基于Adams建立拖拉机-振动深松机仿真模型,建模过程包括导入三维模型、定义轮胎与地面之间接触力和附着力、加载等,其中各组铲的耕阻加载取自单组铲振动深松机土槽试验中的耕阻试验结果,并对拖拉机-振动深松机系统进行理论分析。理论与仿真分析得到拖拉机后轮所受支持力均值分别为27.8kN、26.4kN,误差为1.4kN,并且二者主振动曲线变化趋势一致,据此验证了仿真模型的有效性。采用加权加速度均方根值评价振动对驾驶员的影响,并通过MATLAB编程,利用功率谱密度函数,计算得到驾驶座质心总加权加速度均方根值,使用该值作为建立自平衡性能评价指标。设计试验并进行优化分析得到起始相位角组合优化序列。优化结果表明,振动深松机减振比率超过90%,且符合国标对拖拉机驾驶员全身振动的评价要求,实现了振动深松机作业时的自平衡。(3)在仿真优化的基础上,对多组铲振动深松机进行实际振动测试试验。使用TST5910动态信号测试分析系统,测试机架、悬挂架上各位置加速度变化曲线,利用二次积分、频谱分析,得到振动位移变化曲线,实现振动深松机振动特性的测量与分析。结合牵引力特性,优化得到振动深松机振动位移最小的起始相位角组合:[0°,180°,180°,0°],即对称交错振动的自平衡效果最佳。在该起始相位角组合条件下,当振动频率较高(f=6.67Hz～8.33Hz),振幅/偏心距比为2～2.5时,减阻效果显著且振动影响较小。(4)基于MSC.Software系列仿真软件对自平衡式振动深松机机架进行疲劳分析。首先,通过对全寿命疲劳分析方法以及交变载荷的处理方法的理论研究,提出针对振动深松机机架的疲劳仿真分析方法;然后,利用MSC.Adams建立自平衡式振动深松机刚柔耦合模型,输出机架应力载荷谱;最后,在MSC.Fatigue中对机架进行疲劳分析,得到机架的疲劳寿命云图及脆弱点统计数据。综合本文研究结论,设计开发1ZS-460型自平衡式振动深松机,在江苏连云港地区进行样机试验。该样机作业平稳,可降低牵引阻力,打破犁底层,形成虚实并存的松土效果。