近年来，生物质能源技术已经取得较大的发展，使得生物质能成为当前运用最广泛的可再生能源，使用量仅次于煤、石油、天然气三大石化能源。其中，玉米根茬具有产量可观、密度大、热值高等优异的生物质特征，是一种优质高产的生物质能源。此外，田间玉米根茬的处理一直是农业生产中的一大难题，亟需一种有效的处理方式。因此，玉米根茬收获机械的研究具有十分重要的实践意义与生态意义。根据国家农转资金项目“玉米根茬收集机中试推广”课题相关内容，本项研究是在4GS-2型玉米根茬收集机的基础上对其进行结构分析、功能完善和优化设计，以期得到成本较低、结构紧凑、工作稳定并适宜于推广的玉米根茬收获机。研究工作首先分析了玉米根茬的基本物理特性，确定了玉米根茬的切挖深度和最佳收获时间；通过对现有玉米根茬收获机具的挖掘方法和脱土方法进行研究，确定了偏置式的根茬挖掘装置，以及多级抛扔机构和仿生碾辊栅板机构相结合的根茬脱土方式；在4GS-2型玉米根茬收获机现有结构的基础上，在收获机前端添加了玉米根茬的挖掘装置，以减少根茬收获的作业环节；其次，设计了一套适用于本机的玉米根茬自动卸料装置，提高本机的作业效率；制定了玉米根茬的挖掘、捡拾、脱土、输送、收集和堆放的收获工艺，并运用Pro/E软件完成了整机虚拟样机的搭建，然后进行了机构的运动仿真，结果表明，整机运转良好，无干涉现象。最后对玉米根茬收获机的通过性能进行了分析计算。对玉米根茬收获机进行有限元分析，在ANSYS中建立玉米根茬收获机机架结构的有限元模型，对机架在水平弯曲工况和极限弯扭工况下进行静力学分析，得到了机架在两种典型工况下的应力分布和位移分布，为后续机架的轻量化研究奠定了基础；此外，在ANSYS Workbench中分别建立了挖茬装置、拾茬器、拨茬器、脱土碾辊以及机架的有限元模型，并对其进行约束模态分析，获得了各部件的前六阶固有频率以及相关的振型特征，进而分析了各部件的振动薄弱位置，以及玉米根茬收获机在内外激励下可能引起的共振情况。研究工作还在有限元静力分析和模态分析的基础上，结合样机前期的田间试验情况，分别对机架的结构改进和各部位梁的材料尺寸进行优化。以提高机架结构的低阶模态频率为目标，对机架两根加强梁的位置进行优化，优化后机架的前三阶模态均有所提高；以机架的轻量化为目标，对机架各部位梁的材料尺寸进行优化；分析了机架底梁、上梁、前梁、后梁、加强梁五个部位对机架应力和变形的影响，确定了最终的机架优化方案。优化后机架的质量169.23kg，较优化前减少了12.44%，优化效果明显。