玉米是四大主粮之一。西北旱区甘肃地理环境特殊,白天日照充足、昼夜温差大,病虫害较少,是天然的玉米主产区。针对甘肃玉米种植要求,及现有滚轮式穴播器播种时易出现撕膜、膜孔错位等问题,加之玉米直插穴播机播种可靠性不高等问题,根据全膜双垄沟种植农艺,为探索直插穴播与土壤、种子互作机理,明晰成穴器扰动种床、入土阻力大等原因,提出提高直插穴播质量的解决方案,研制出适应平作、全膜双垄沟播模式具备低扰、高质量排种的玉米直插穴播机,并进行田间试验验证。以期满足西北旱区玉米分段播种需求。具体研究内容如下:（1）对郑单958典型形状玉米籽粒建模和参数标定。通过对玉米籽粒形状特征观察和特征尺寸统计,明确玉米籽粒形状分类,得到不同形状类型玉米籽粒的特征尺寸平均值和数量比;基于玉米籽粒特征尺寸统计结果,利用多球面聚合法建立3种典型玉米籽粒离散元简化模型;结合试验和仿真方法重点标定玉米籽粒种间的滚动摩擦系数,并借助堆积角和排种试验验证玉米籽粒离散元简化模型和接触参数。玉米坍塌堆积试验结果表明仿真和试验堆积角相对误差为0.72%,堆积试验和仿真堆积角相对误差为0.2%,排种验证试验结果表明排种轮低速、高速时3种类型玉米仿真和试验相对误差均未超过15%,多粒率误差均未超过10%。为直插穴播与玉米籽粒互作机理的研究提供玉米仿真模型。（2）对甘肃省两种类型土壤进行快速剪切试验和仿真模型建立。通过筛分法确定出两种土壤类型;分别测定了两种类型土壤的颗粒密度;利用土壤快速剪切试验确定了5种含水率（1%,6%,12%,18%,24%）条件下土壤的内聚力强度和摩擦角;通过分析沙土和沙壤土的特点,选择较准确的土壤颗粒接触模型。借助单因素仿真试验法分析影响土壤剪切力和摩擦角的主要参数和影响规律。结果表明仿真静摩擦系数影响沙壤土模型的剪切线的截距,而内聚力强度影响沙壤土剪切线的斜率;仿真参数静摩擦系数影响沙土剪切线的截距,滚动摩擦系数影响沙土剪切线斜率。通过预测模型分别计算出土壤仿真模型参数。研究结果为直插穴播与土壤互作仿真模型提供支撑。（3）阐明土壤条件、成穴器型式和结构尺寸对入土阻力的影响规律。由试验结果可知,影响成穴器入土阻力的因素主要有土壤含水率、成穴器结构尺。测定了2种型式（圆形和方形）、3种截面尺寸（30mm,40mm,50mm）、不同角度（30°,38°,45°）的成穴器入土阻力。结果表明:当土壤含水率为12%时,成穴器的入土阻力最小;当成穴器入土角度为30°时,入土阻力最小;成穴器截面尺寸为30mm时入土阻力最小;相比方形,圆形成穴器入土阻力最小。研究结果为直插穴播机中成穴器的设计提供依据。（4）设计非圆齿轮驱动补偿速度的玉米直插穴播机。对整机组成、传动方案、作业工艺处理和工作原理进行了介绍和分析;对前进速度补偿机构、穴播器进行较深入的理论分析研究;根据西北旱区玉米播种农艺要求,通过单因素试验分析前进速度补偿机构的原始机构不同结构和工作参数对穴播轨迹和播深的影响,结果表明这些因素包括曲柄的长度、曲柄角速度、主动曲柄长度、曲柄和导杆转动中心距,当穴距330mm,前进速度为500mm/s时优化出机构传动比和中心距,基于此生成非圆齿轮组,建立前进速度补偿机构;通过理论分析研究直插穴播器的排种机构和异形槽取种轮。为直插穴播互作机理研究提供样机模型。（5）基于EDM-MBD耦合技术进行直插穴播互作过程仿真。基于直插穴播互作模型,探索穴播器对土壤的扰动,及成穴器的入土阻力变化规律;分析三种形状类型玉米对单粒合格率、漏播率和重播率的影响;通过对直插穴播过程中玉米运动和受力分析,以提高充种率为目标,提出抑制玉米种子运动倒勾结构,以防止机械损伤目的,在取种轮异形槽基础上加上卸种槽特征;基于DEM-MBD耦合技术对穴播机排种进行仿真试验,仿真优化试验结果表明,当异形槽宽度为11.79mm、异形槽高度为7.23mm、异形槽开口角度为15°时,其单粒合格率为75%,重播指数为25%,漏播率为0%。仿真结果满足玉米播种标准要求。（6）集成以上研究成果进行穴播机田间试验。衡量了穴播机排种性能、地膜破坏和土壤扰动,检验了整机的运行平稳性、传动系统稳定性和前进速度补偿机构的可靠性。由穴播机排种试验可知:穴播机空穴率、穴粒数合格率、播种深度合格率平均值分别为2.0%、91.3%和90.1。穴粒数合格率、播种深度合格率均高于行业标准。穴播机成穴器破膜后膜孔较小,成穴器播种期间无挑膜、撕膜等问题,膜孔错位率5.4%;成穴器对种床土壤扰动量均不大;在整机运转过程中,前进速度补偿机构运转平稳可靠,无死点、没有出现齿轮卡位和齿轮强度不高等问题,牵引轮在地面行走过程中下陷量不大,行走过程没有出现打滑严重等问题,整机链轮和齿轮传动平稳,实现了虚拟样机中传动比。总之,研制的穴播机满足西北旱区玉米直插播种需求。