烤烟移栽窝穴制作是烤烟生产中的重要环节,具有劳动强度大、作业要求高的特点。烤烟移栽窝穴是烟苗大田移栽后生长的小气候环境,窝穴制作的好坏直接关系到移栽后的缓苗、大田生长、烤烟质量及产量。当前,烤烟移栽窝穴制作仍采用手工+通用农具的作业方式,人工制窝费时费工、劳动强度大、效率低、一致性差,特别是随着劳动力成本的逐年上涨及用工荒的突显,研发烤烟移栽窝穴制作机已经成为烤烟生产省工降本、提质增效亟待解决的问题。课题组前期研制的大窝穴制作机已基本能满足烤烟移栽窝穴制作农艺要求,但仍存在制窝合格率不高、功率消耗大、振动较大等问题。因此,深入分析烤烟移栽成穴机理、功率消耗及振动等问题,研究提高窝穴制作机综合性能的方法,是进一步研发及推广窝穴制作机面临的核心问题。本文结合当前窝穴制作的技术特点、现状、发展趋势及烤烟移栽窝穴农艺要求,在深入分析烤烟移栽成穴理论的基础上,完成了窝穴制作机关键部件的设计,并运用离散元法、有限单元法对成穴过程仿真分析及关键部件优化。最后,将开发的样机进行田间试验,获得了制窝作业的最优工作参数组合。本文的研究内容主要包含以下几个方面:(1)完成了基于螺旋升运原理的窝穴成穴理论分析及关键部件设计。通过对土壤质点和土流运动规律的研究,获得螺旋成穴头相关设计参数。基于拟定的窝穴制作机主要技术指标,完成了螺旋成穴头、减速器、防护罩等关键零部件设计及发动机与软轴的选型。(2)基于离散元法完成了成穴过程仿真及参数优化。在不同成穴头转速、导程、窝底停留时间及土壤含水率下,通过离散元仿真分析,得出最优的制窝参数组合。通过建立不同颗粒大小的土槽模型,对螺旋成穴头的制窝过程进行了土壤扰动性分析,得出不同耕层的土壤扰动及土粒的运动速度变化。(3)基于有限单元法完成了螺旋成穴头静力学和动力学分析,得出成穴头在X、Y、Z三个方向上的最大变形量分别是0.010273mm、0.020998mm、0.00022015mm,总的来说变形量较小,验证了设计的可行性。对操纵杆进行谐响应分析,得出操纵杆容易发生共振的三个频率。采用Ansys中Shape Optimization模块对操纵杆进行轻量化设计,保证操纵杆刚度和强度变化不大的情况下,达到了操纵杆拓扑优化的目标。(4)对试验样机进行单因素试验和正交试验,得出窝穴制作机的最优参数组合。采用Design-Expert软件中Box-Behnken响应曲面对试验所得最优参数进行验证优化,结果表明:软件优化所得结论与正交试验结果非常接近,进一步验证了正交试验结果的可靠性。