随着国家农业的迅速发展,农作物可栽培面积逐步增加,因此各类农业机械被广泛的运用于农业生产中,而田间耕作这一过程更需要有效的投入使用,以维持农业的可持续生产。针对土壤耕作方面的技术,国内外各界学者对旋耕机进行了多方面的研究,如秸秆残茬管理、表土耕作、免少耕及深松等机具。然而,现有各类旋耕机械在作业过程中普遍存在粘土和缠草问题,该现象对耕作机械产生较大的危害。如大量缠草和粘土导致机具作业功耗及阻力增大,耕作质量及均匀性变差,同时容易导致机具损坏而无法正常作业,以至于需要耗费更多的时间和人力与物力去处理粘土和缠草带来的一系列问题。因此,为从根本上解决耕作机具的粘土和缠草问题,有效降低作业功耗。本研究将从模仿人工铲土过程设计一种曲柄连杆铲土机构,并对其进行优化设计,其目的为保证作业过程中降低刀具粘土和避免缠草,从而实现低功耗高效作业。本研究通过分析人工铲土作业过程与原理,其优势主要在于采用铁锹铲土作业不会出现刀具粘土与缠草现象。为此衍生一种机械化曲柄连杆结构以模仿人工铲土过程,对铲土机构进行结构设计分析,并对关键部件的运动轨迹加以描述。同时对行走机构进行设计布局,并通过有限元静力学及模态分析验证机构的稳定性,基于以上设计并搭载于手扶微耕机架上,形成一种无缠草机制的手扶仿人田间铲土机,因该铲土机的结构与作业形式与缠草原理不符,以至于从根本上避免缠草现象的发生。通过相关测试实验确定土壤模型主要参数,并结合离散元与Adams运动学仿真软件对铲土机关键机构与土壤颗粒之间建立耦合仿真模型,仿真结束后得出机构在0.2 m/s、90r/min与0.3 m/s、140 r/min条件下的转轴扭矩值与铲杆所受弯矩值。根据作业要求合理布局并设计载荷测试系统,分别于0.2 m/s、90 r/min与0.3 m/s、140 r/min条件下进行验证试验,田间试验结果表明,实际作业扭矩值与仿真值相对误差为6.1384%,实测弯矩值与仿真值的相对误差为5.4356%。通过分析误差产生的原因,将仿真与实际作业过程的对比,证明该样机在作业过程中不存在粘土现象,且更加有力的验证仿真系统的可靠性和稳定性。在理论样机的基础上,结合仿真分析对作业机构进行参数优化,通过对各类试验方法的分析,采用均匀试验设计法进行试验安排。以机器前进速度、转轴转速、曲柄长度、铲刀长度为自变量,以铲刀外形为虚拟变量,分别以扭矩值和弯矩值作为主要性能评价指标,通过回归分析得出各自变量对评价指标的影响。综合两者的回归分析结果得出铲土机构最优工作参数,即当机器前进速度取0.45 m/s、转轴转速为140 r/min、曲柄长为155 mm、铲刀长为185 mm、选择尖角直铲将会有作业扭矩与弯矩最小值。为确保优化设计的可靠性,根据最优参数组合进行实际作业测试,结果显示经优化后的工作参数能实现最低功耗作业的要求,此时转轴的扭矩值为44.9734 N·m,铲杆所受弯矩值为59.8926 N·m,铲土机的作业功耗低至0.6593 k W。并对机具铲土作业效果进行测试,得到铲土深度与铲土宽度的稳定性系数分别为97.9322%和93.8017%。证明经优化后的样机可实现低功耗高效作业,其次作业过程具有较好的均匀性与稳定性。