液态肥深施是一项通过深施型液态施肥机具将液态肥料深施至作物根系附近土壤层内的施肥技术,可有效提高作物对肥料的吸收效率,提高粮食产量与品质,减少因肥料挥发造成的环境污染等问题,符合国家发展可持续生态农业的战略目标。斜置式扎穴机构是施肥机具的核心关键部件,在完成扎穴深施液肥农艺作业的同时,需保证较小划痕穴口与作物机械损伤。通过田间作业应用可知,在作业过程中由于土壤与斜置式扎穴机构间相互作用,易对喷肥针尖轨迹及姿态产生波动,造成机具整体振动影响作业质量与效率。针对上述问题,本研究以斜置式扎穴机构为载体,重点探究其与土壤间耦合作业机理,建立扎穴过程动力学模型,运用ANSYS/LS-DYNA软件进行其执行部件喷肥针与土壤间的虚拟仿真耦合研究,分析常规工况喷肥针扎穴过程中土壤扰动情况、应力变化规律及穴体形成因素等。在此基础上,自主搭建斜置式扎穴机构动力学台架,开展动力学优化试验研究,分析各因素对机构力学及作业质量的影响规律,获得最优工作参数组合,以期为斜置式扎穴机构的优化设计提供新方法与新思路。主要研究内容如下:(1)斜置式扎穴机构力学分析以斜置式扎穴机构为研究载体,阐述其作业原理与农艺要求,进行扎穴过程中各部件动力学分析,分别建立太阳轮轴、太阳轮、中间轮、行星轮、行星架及喷肥针间动力学平衡方程,分析机构与土壤相互作用关系对机构作业质量及效率影响。(2)基于ANSYS/LS-DYNA的喷肥针—土壤耦合作用动力学仿真分析探讨运用ANSYS/LS-DYNA软件进行机构与土壤耦合作用机理可行性分析,结合东北地区液肥深施作业土壤特点,对典型土壤本构模型及关键部件材料参数进行研究,确定准确的仿真参数。在此基础上,运用运动学分析软件ADAMS得到扎穴过程中喷肥针针尖运动轨迹与姿态,以得到实际位移随时间变化规律为后续耦合机理分析奠定理论基础。(3)喷肥针—土壤耦合作用机理分析运用三维工程软件Pro/E建立喷肥针与土壤有限元模型,设定合理的数值模拟仿真边界条件与载荷关系,进行虚拟仿真试验,观测作业过程中喷肥针与土壤间相关作业关系,分析常规工况下土壤扰动情况、土壤应力变化、穴体形成过程及穴体形状随针体运动变化规律;在不同的工作参数下进行仿真试验,分析不同工况下喷肥针对土壤穴体作用规律。试验结果表明,随机具前进速度及行星架工作转速的增加,穴体土壤受扰动情况均先减小后增大;随扎穴机构斜置角度的增加,喷肥针针体上方及下方对土壤扰动逐渐减小。(4)斜置式扎穴机构动力学参数优化试验自主搭建斜置式扎穴机构动力学试验台架,将喷肥针受力定义为沿针体方向的拉压力及与针体垂直方向的弯曲力,以机具前进速度、行星架工作转速及扎穴机构斜置角度为试验因素,喷肥针受拉压力及弯曲力为试验指标,开展多因素动力学台架试验研究,对比台架试验与虚拟仿真中动力学受力曲线一致性,结合仿真试验结果分析各工况下力学变化规律产生主要原因,获得机构较优工作与结构参数组合。试验结果表明,在机具前进速度为0.52m/s,行星架工作转速70r/min及扎穴机构斜置角度为28°工况下,机构作业质量最优,喷肥针受拉压力为22.06N,弯曲力为56.87N。