丘陵山地普遍使用微耕机进行耕地作业,长期浅耕带来了土壤板结、蓄水保墒能力下降等问题,亟需适应丘陵山地地形的小型深耕机疏松土壤,为作物生长提供深厚的耕作层,同时加速养分分解与积累,促进土壤熟化,提高土壤蓄水保墒能力。现有的小型深耕机由于耕深达不到要求,或者由于刀辊受力不均,整机振动及工作强度大等问题而难以大规模推广使用。为此,本文针对丘陵山地特有的地形,设计了一种基于立式铣削、具有上耕下松作业效果的立轴式分段螺旋刀具,对刀具结构参数和工作参数进行了详细的设计,基于SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）算法对其碎土与抛土效果、切削阻力以及功率消耗进行了仿真分析并进行了土槽试验验证,最后采用通用旋转组合正交试验设计对螺旋刀具进行了仿真优化。主要研究内容与结论如下:（1）立式铣削理论分析及分段螺旋刀具的设计。为改善深耕效果,同时降低作业刀具的功率消耗,通过对立式铣削中典型的侧铣工作方式及其刀具设计理论的研究,得出立式铣削刀具设计中双后角、容屑槽以及等导程周刃螺旋线等结构可为立式深耕刀具的设计作参考,据此设计了基于立式铣削的分段螺旋刀具,同时设置了刀具具体的性能参数,并在Creo中建立了刀具的三维实体模型。（2）螺旋刀具切削土壤受力与功率消耗分析。以土壤粒子为研究对象,对其在切削过程中的受力和运动学进行分析,计算得到了立式深耕刀向上输送土壤的临界角速度;从微观的角度对螺旋刀具在切削土壤过程中的受力及功率消耗进行了分析,得出了影响刀具功率消耗的参数主要有螺旋刀具的螺旋角α、前进速度v0与旋转角速度ω,为刀具的仿真及优化提供了相应的约束条件,为立式深耕理论的研究奠定了基础。（3）基于SPH算法的深耕刀片耕作过程仿真分析。根据立式铣削设计理论及土壤参数测量建立了深耕刀片的有限元模型及土壤SPH模型,通过对模型运动参数及边界条件的设定,建立了分段螺旋刀片和传统的直角刀片耕作过程的仿真模型并进行了求解;同时,对设计的分段螺旋刀片和传统的直角刀片在作业过程中的土壤粒子运动、切削阻力及功率消耗等进行了仿真分析。仿真结果表明:相对于传统立式直角深耕刀片,分段螺旋刀片具有明显的上耕下松效果,切削阻力降低了37.5%,切削阻力波动范围平均值降低了60.6%,功率消耗降低了47.6%。仿真的方法及模型为螺旋刀具的参数优化设计奠定了基础。（4）仿真模型及结果的试验验证。通过小型立式深耕平台样机及螺旋刀具的作业性能测试,运用可靠的试验及测量方法对平台的主要技术指标进行了测量,结果表明:耕后土壤耕深、耕深稳定性系数、平均碎土率及耕后平整度均能达到耕作要求,基于立式铣削理论设计的分段螺旋刀具不仅能有效地达到耕作质量要求,而且与传统立式直角刀具相比,功率消耗减小,作业过程更平稳;在测量功率消耗时,由于存在误差,试验测得螺旋刀具的功率消耗值比仿真值高11.28%,表明仿真结果具有一定的可信度,验证了基于SPH算法的仿真模型及结果的正确性与可靠性,为螺旋刀具参数的试验优化设计奠定了基础。（5）螺旋刀具参数的试验优化设计。在仿真的基础上通过试验设计、多目标决策及综合加权评分对螺旋刀具作业过程的结构及运动参数进行进一步优化,得出3个优化参数的最优组合为:螺旋刀片前进速度为0.58 m/s、旋转角速度为29.93rad/s、螺旋角为44.43°,此时功率消耗为0.758 k W、切削阻力为685.4 N、土壤粒子最大抛洒距离为24.4 cm;将优化后的刀具进行重新建模与仿真,得出的刀具功率消耗、切削阻力与土壤粒子最大抛洒距离值与试验值的差值分别为5.76%、8.75%与6.32%,进一步表明了仿真模型和算法的可靠性,证明了采用虚拟正交试验对螺旋刀具进行优化设计是有意义的,基于遗传算法的多目标优化及综合加权评分法是可信的。本文所设计刀具在满足深耕效果的同时,具有低功耗与小型化的特征,为丘陵山地小型立式深耕机的开发奠定了基础。