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山地果园开沟施有机肥是果园农艺管理的重要环节,其中完成开挖沟渠是开沟施有机肥的先决条件。我国已有的开沟机普遍存在开沟功耗大,开沟作业质量不稳定,易损件寿命短,地质环境适应性差的问题。开沟刀具是开沟机最关键的零部件,与开沟机的整体性能密切相关,开沟机存在的绝大多数问题都是由开沟刀具导致的。由于开沟刀具与土壤直接接触并传递扭矩产生切削作用,因此对开沟刀具的结构强度、疲劳强度、耐冲击性能、耐磨损性能和耐腐蚀性能等要求较高。特别是我国山地果园地域分布广泛,导致土壤等作业对象的特性差异较大,使得开沟刀具的适应性受到大幅限制,给开沟刀具的性能提出更高要求,也给开沟刀具设计带来了极大困难。目前开沟机的开沟刀具无法满足较高开沟作业质量的要求,主要存在一下问题:刀具材质较差和结构强度不足,造成破损和磨损严重;刀具切削阻力较大,消耗了大量功耗;刀具的适应性较差,地质环境发生变化时,开沟作业质量严重下降,甚至无法作业。针对课题组研制的山地果园螺旋开沟机,设计了开沟刀具;通过模拟仿真试验和果园试验相结合的方法对开沟刀具的结构参数进行了优化改进。以减阻耐磨为目标,进行了仿生开沟刀的设计和金属强化处理工艺的对比,针对作业环境最恶劣的山地果园富石地质,设计了硬质合金开沟刀和分析了适合大面积堆焊的方式。为山地果园开沟机的开沟刀具的研究提供了参考。具体研究内容如下:（1）对山地果园主要产区的管理现状和地质环境进行了走访调研和检测取样。得出山地柑橘园果树根系的主要分布区域为水平直径0-1.2m,深度0-0.9m的半球形区域,根系直径主要分布在1-28mm。土壤类型主要为砂黏土,岩石类型为页岩、泥岩、石灰岩、砂岩和白云岩,岩石粒径主要分布在20-100mm,埋深和分布密度不均衡,单轴抗压强度介于软岩与中硬岩之间。设计了直刃刀、曲刃刀与齿形刀3种开沟刀,刃角为30°,安装角为10°,折弯角为45°,切土角为40°。曲刃刀刃线为正弦指数曲线,初始滑切角为65°,滑切角增量与极角的比例系数为–0.1。齿形刀刀齿为棱锥形,后端宽度为6.4mm,高度为6 mm,总长为13mm,前端圆弧半径为3.124mm。果园试验结果表明,曲刃刀与齿形刀的开沟功耗差异不大,但与直刃刀差异较大。沟深为150、200、250、300和350 mm时,直刃刀分别多19.28%和19.62%,10.60%和12.24%,17.54%和18.26%,14.04%和16.13%,9.60%和9.88%。开沟沟深稳定性方面,3种刀片差异不大。齿形刀的开沟功耗和沟深稳定性均表现最优。（2）建立了离散元模拟仿真模型并根据堆积角进行了标定。分析了齿形刀结构参数对开沟功耗的影响顺序为折弯角>刃角>安装角>齿形。优化了齿形刀结构参数,最优参数为安装角为4.5°,折弯角为49°,刃角为21°,齿形为1.25倍,对应开沟功耗9.73k W。进行果园试验,试验值比仿真值高9.87%,验证离散元模拟仿真模型有效,优化后开沟功耗比优化前降低12.80%。并分析了作业参数对开沟功耗的影响,显著顺序为沟深>前进速度>开沟转速,得出开沟功耗随3个因素增长也增长且增加越来越快。（3）运用逆向工程仿生技术,以鼹鼠前爪第3趾为仿生对象,对齿形刀进行优化得到仿生开沟刀。仿生开沟刀开沟功耗比齿形开沟刀在沟深为150、200、250、300和350 mm时,降低9.68%、10.44%、10.22%、10.70%和10.95%。单刀齿仿真和台架试验均表明,仿生开沟刀的切削阻力小于齿形刀,且随土壤含水率增加,减阻效果更加明显。果园试验表明,仿生开沟刀Ⅲ和Ⅴ型刀的开沟功耗比齿形刀降低11.164%和5.156%。（4）对比了5种金属强化处理工艺技术对开沟刀耐磨性能的影响,磨损台架试验表明,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀比Ⅰ型刀磨损质量降低14.17%、42.05%、66.98%和75.96%。材料特性参数表征为,表面硬化层Ⅰ型刀为细针状回火马氏体、极少量残余奥氏体和少量颗粒状碳化物,Ⅱ型刀为细针状马氏体、回火马氏体、极少量残余奥氏体和颗粒状碳化物,Ⅲ型刀为细针状高碳马氏体、高碳回火马氏体、少量残余奥氏体和颗粒状碳化物,Ⅳ-Ⅴ型刀为少量奥氏体和树枝状共晶组织。Ⅰ-Ⅴ型刀显微硬度平均值为558、700、888、1 195和1 441 HV0.1。Ⅰ和Ⅱ型刀为粘着磨损,摩擦系数为0.67和0.57,Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀为磨粒磨损,摩擦系数为0.26、0.25和0.22。果园试验表明,作业10h后Ⅲ和Ⅴ型刀磨损质量比齿形刀降低28.26%和82.63%。（5）设计了硬质合金开沟刀。台架试验表明,硬质合金刀的耐冲击和耐磨损性能高于齿形刀。验证了硬质合金刀的刀齿发生断裂和磨损后,进行线切割和钎焊技术进行刀齿修补的方法的可行性。磨损60min时,硬质合金刀的磨损量比齿形刀降低22.54%。对比了5种堆焊方式耐冲击和耐磨损性能的差异。台架试验发现,相邻法向堆焊的耐冲击和耐磨损性能最优,间隔切向堆焊最差,两者相差3.02倍。焊接密度越大,方向越接近法向,耐冲击和耐磨损性能越好,体现为相邻堆焊好于间隔堆焊,法向堆焊好于切向堆焊,但相邻堆焊的堆焊材料用量较大,间隔网状堆焊可以兼顾良好的耐冲击和耐磨损性能以及经济性。