深松可以实现打破犁底层、土壤蓄水保墒和作物增产的目的。在东北秸秆还田地进行深松作业时仍存在根土结合体大、能耗高、土壤扰动大等问题,而土壤扰动和根茬破碎效果影响着深松作业的质量、能耗决定着深松作业的经济成本,三者对于秸秆还田下深松研究具有重要的意义。为此,本研究为提高深松破茬性能、降低深松能耗和土壤扰动,设计了交互式分层深松铲。综合运用理论分析法、离散元法、响应曲面法、田间试验法和多重比较法等确定了交互式分层深松铲结构参数、优化了其作业参数、对比分析了其作业性能,旨在为秸秆还田下深松部件的设计与应用提供借鉴。主要研究内容如下:(1)物料基础特性与离散元模型利用搭建的滑动摩擦试验台测出了玉米秸秆还田下不同高度范围内的土壤、玉米秸秆和根茬滑动摩擦角。同时对物料含水率、玉米秸秆分布规律、根茬结构尺寸、土壤密度和土壤内摩擦角进行了测量。依据测量的土壤、玉米秸秆和根茬物理特性建立了土壤-秸秆-根茬离散元仿真模型。(2)交互式分层深松铲前铲设计依据土壤、玉米秸秆和根茬的空间分布差异性,将前铲铲柄分为四段进行设计。通过滑切理论和不同深度范围土壤、玉米秸秆与根茬的滑动摩擦角,获得了四段铲柄滑切角,建立了四段铲柄曲线方程,同时设计了前铲的刃口角度、入土角和铲柄厚度,从而设计出具有较优滑切破碎性能的前铲。(3)交互式分层深松铲后铲设计与验证试验依据前铲仿真过程中土壤颗粒回流规律及土壤和根茬的空间分布差异性,将交互式分层深松后铲铲柄分为三段进行设计。利用线元法对前铲仿真过程中土壤颗粒回流至最大加速度的位置和方向进行拟合,经进一步优化和Matlab拟合得到后铲滑切交互段铲柄曲线方程;后铲上段铲柄和下段铲柄曲线利用物料的摩擦特性与滑切理论进行设计,同时对后铲刃口夹角、入土角和铲柄厚度进行了设计;依据前铲运动速度和土壤颗粒回流至最大加速度的时间确定了前后铲处于滑切交互作用的间距,从而设计出可与前铲形成滑切交互作用的后铲。利用离散元对交互式分层深松铲与前铲进行了对比分析,得到回流土壤颗粒的最大加速度的方向相差较小,验证了滑切交互设计思路的合理性;利用离散元对交互式分层深松铲、非交互式分层深松铲、普通分层深松铲和普通单铲作业性能进行了对比分析,得到交互式分层深松铲具有较优的破茬、降耗和降扰性能;利用ABAQUS软件对交互式分层深松铲进行了有限元分析,得到其强度满足需求。(4)交互式分层深松铲田间优化试验通过分析玉米秸秆还田下分层深松作业模型得到影响交互式分层深松铲破茬效果、功耗和土壤扰动量的因素有前进速度、配重和秸秆覆盖量。为探究各因素对破茬率、功耗和土壤扰动量的影响,寻求交互式分层深松铲的最优作业参数,以前进速度、配重和秸秆覆盖量为试验因素,以破茬率、功耗和土壤扰动量为评价指标对交互式分层深松铲进行了三因素五水平二次回归正交旋转组合试验。利用Design-Expert 8.0.6软件对试验数据进行了处理分析,最终优化得到前进速度为2.81 km/h,配重为111.89 kg,秸秆覆盖量为0.81 kg/m~2时,交互式分层深松铲作业性能最优。基于最优条件下交互式分层深松铲进行了优化理论及基本作业性能验证试验,结果表明最优条件下交互式分层深松铲可满足基本深松需求,且试验值与理论值误差小于10%,优化结果较为可信。(5)交互式分层深松铲田间对比试验为对比分析优化设计的交互式分层深松铲的田间综合作业性能,以破茬率、功耗、土壤扰动量、秸秆扰动宽度、犁底层土壤紧实度、碎土率和沟宽为指标,对交互式分层深松铲、非交互式分层深松铲、普通分层深松铲和普通单铲进行了田间综合性能对比试验。利用SPSS软件对各指标下四种类型深松铲的作业性能进行了方差分析与多重比较,结果表明,优化设计的交互式分层深松铲综合作业性能最优,可满足秸秆还田下深松作业需求;同时田间试验与离散元仿真中四种深松铲破茬、功耗与土壤扰动的大小趋势基本一致,可知离散元分析较为准确。本研究设计的交互式分层深松铲可以增强玉米秸秆还田下深松作业性能与作业效果,可为农业机械触土部件间的交互设计提供借鉴思路,也可为东北地区秸秆还田下深松部件的设计与应用提供相应参考。