马铃薯现如今是中国的第四大主粮作物,其生产种植面积广泛,产量居世界首位,但中国马铃薯的单产量却相对较低,平均亩产量仅为1吨左右。其中,机械化中耕作业是导致马铃薯单产偏低的重要原因之一。中耕作业主要功效为疏松土壤,消除杂草。其中,碎土效果是中耕作业较为关键的指标。目前,国内外应用比较广泛的大型中耕机,作业效率虽然较高,但在粘重板结土壤的条件下碎土效果差的现象。所以如何解决马铃薯中耕作业时碎土率低、不伤苗、机具适用性强的问题成为提高马铃薯中耕质量和效率的关键。因此,针对上述问题,本研究对驱动式马铃薯中耕机的关键部件进行了设计研究,对其关键部件进行了切削应力的理论分析和碎土过程仿真分析,及部件参数设计和优化,并设计了相应试验。主要内容如下:(1)根据农艺要求的马铃薯中耕机作业的碎土率不小于85%,耕深不小于150 mm,对比不同类型马铃薯中耕机的优缺点,对马铃薯中耕机整体方案进行了设计,并设计相应的碎土装置及马铃薯中耕机的合理布置,针对性解决上述问题。(2)考虑机具的整体结构和特点,对碎土装置中关键部件——碎土刀进行结构参数和排布设计,采用凿形刀的设计结构,使装置满足碎土效果好的同时,又符合马铃薯中耕作业的农艺要求。(3)通过对碎土部件进行碎土性能分析,得出了影响碎土效果的结构因素和运动参数因素,并运用MATLAB软件求解各个因素的合理范围。应用EDEM离散元软件对所设计的碎土部件进行性能分析,得到碎土部件在仿真过程中碎土率大小,验证理论分析结构参数的合理性。(4)按照国家行业标准及相关国家标准规定的农业机械试验方法进行台架试验,设计试验台装置,对碎土部件进行碎土性能试验分析,以碎土率为试验指标,根据理论分析得到的影响碎土效果的试验因素,采用二次回归旋转组合设计试验方法,对碎土装置在不同因素水平下的性能进行试验研究,对试验结果进行回归分析,从而对作业装置的结构参数进行优化,得到能够满足碎土效果的较合理的装置结构。并进行验证试验,验证上述结构参数水平满足中耕机作业的碎土要求,验证碎土效果的可行性。相关研究结果:(1)本文设计的驱动式马铃薯中耕机碎土装置结构合理,确定了整体采用旋转单体的设计形式,本设计的旋转部件采用2个内刀盘对称安装在传动轴内侧,左刀盘与右刀盘对称安装在传动轴外侧,所有刀盘回转半径均为227 mm,刀棍直径为70 mm,同一刀盘上相邻2个碎土刀的横向之间距离为12 mm。两侧刀盘对称布置的方式;碎土刀采用凿形直刀,使切削应力更加集中,刀片厚度为10 mm,两端侧刃夹角为45°,刃口宽度为1.5 mm,侧刃长度11 mm,碎土刀折弯角为150°,刃口长度为70 mm。(2)通过旋转部件的运动分析和碎土刀的切削应力分析,得出在旋转部件作业时,端点速度随着碎土刀入土到切削过程结束而连续减小,随着机具运动参数的增大而增加,旋转部件转速范围选取为175~325 r/min;切削应力随着入土时间的增加而增大,碎土刀折弯角为150°时,碎土片切削土壤应力最大,刀刃刃口的长度在0.05~0.11 m时,其切削应力均大于土壤的剪切强度,能够使土壤切削破碎。得出在不易破碎的条件下,碎土刀的结构设计范围选取,均能使土壤破碎,运用EDEM软件,采用API函数替换的方式,将大粒径土壤颗粒替换为小粒径的颗粒团,进行粘结颗粒的破碎仿真试验,以模拟实际田间土壤的复杂情况,试验结果的碎土率为95.62%,满足中耕机碎土作业要求,验证了理论分析的合理性,同时可对试验参数的选取提供基础。(3)通过台架试验验证了驱动式中耕机关键部件的碎土性能,得出该驱动式马铃薯中耕机关键部件的设计,可以提高中耕作业碎土效果。试验台试验确定了最佳的碎土刀结构参数,在土壤含水率为11.6%、坚实度为94.3 KPa的条件下,刀轴转速为275 r/min、前进速度为0.75 m/s、耕深0.18 m、碎土刀折弯角150°、刃口长度0.07 m时,耕作后土壤碎土率为93.8%,满足马铃薯中耕作业的工作要求。同时也验证了仿真模型及理论公式的合理性。本文的相关研究为马铃薯中耕机的设计与研究提供了新思路和新方法,为马铃薯中耕机的设计改进与优化提供了理论支撑和技术参考。