为了保护和恢复东北黑土地——耕地中的“大熊猫”,2020年国家启动实施“东北黑土地保护性耕作行动计划”。条带式少耕灭茬是保护性耕作的重要技术措施之一,但灭茬作业耕作阻力大、能耗高、土壤与秸秆分离效果差而影响播种带环境,因此研究灭茬的减阻降耗、土壤与秸秆抛撒分离机理和改善播种带环境至关重要。本文在国家重点研发项目（2020YFD1000903）的支持下,通过分析灭茬机具国内外研究现状,结合秸秆还田下东北地区玉米垄作模式,以土壤、秸秆和根茬为研究对象,以直灭茬刀减阻降耗、改善播种带环境和直灭茬刀设计为目标,以设计的条带式直灭茬刀为核心部件,结合仿真分析、图像处理和田间试验等技术方法,对直灭茬刀各部分的耕作阻力、灭茬作业过程中气流对土壤与秸秆抛撒行为的影响、直灭茬刀耕作阻力与功耗关系以及直灭茬刀优化设计等关键点进行深入研究。分析直灭茬刀的剪切力、侧向旋转摩擦阻力和气流阻力,建立与其影响因素的数学模型;并构建田间环境下气流-土壤-秸秆（根茬）耦合场,研究灭茬作业过程中的气流对土壤与秸秆抛撒行为的影响;最终获得灭茬刀耕作阻力与能耗关系模型,进一步实现直灭茬刀的作业参数优化设计。主要研究如下:（1）玉米条带式直灭茬刀设计针对传统灭茬刀灭茬碎土时的高能耗问题,本部分通过对灭茬刀的作业工况受力及滑移原理分析,得到灭茬刀的滑切角大于或等于与其接触的根茬或土壤的摩擦角时,能够降低灭茬刀的耕作阻力;结合根茬和土壤滑动摩擦角的测量,确定出刀片的刃口曲线方程;进一步通过对根茬受力状态分析以及根茬、土壤摩擦角测定,设计出灭茬刀的作业半径为230 mm;最后通过对刀片的几何尺寸、刀轴和刀盘的确定,设计出条带式直灭茬刀。利用有限元模态分析与校核,结果表明直灭茬刀满足设计要求;离散元仿真对比试验结果表明,直灭茬刀相对于驱动式圆盘刀组的耕作阻力降低了19.78%,土壤抛起数量降低了13.95%。田间对比试验结果得到,直灭茬刀相对于传统L型灭茬刀,在保证作业效果基本相同时,功耗降低22.4%,耗油量降低了30%。（2）直灭茬刀耕作阻力机理研究直灭茬刀作业过程中,其刀片、刀刃旋转与气流形成摩擦、撞击,刀片侧向受土壤、秸秆、根茬等挤压,刃口与土壤、秸秆、根茬形成剪切,这些构成了直灭茬刀的耕作阻力。基于此耕作阻力理论不细致、不完善等情况,本部分根据直灭茬刀田间作业状况,分析直灭茬刀作业过程中耕作阻力的组成部分及其与作业参数的关系,将直灭茬刀的耕作阻力归纳为气流阻力、侧面旋转摩擦阻力（分为水平阻力和垂直阻力）和剪切力三部分研究。由理论分析得到气流阻力受空气参数及直灭茬刀作业参数影响;利用离散元仿真试验分析直灭茬刀在作业过程中侧向挤压产生的水平阻力、垂直阻力和剪切力与直灭茬刀作业参数（角速度、接触面积）关系,得到水平阻力随着角速度的增加呈线性递减的趋势,随接触面积的增加呈线性增加的趋势,垂直阻力随着角速度的增加呈线性增加的趋势,随接触面积的增加呈线性增加的趋势,剪切力随着角速度的增加显著性增加,且剪切力是三者中的主要构成部分。最终建立离散元法与有限元法的气流-土壤-秸秆（根茬）耦合场（仿真中添加气流作用）,通过此耦合场得到气流阻力为0.0883 N（理论计算得到气流阻力为0.0815 N,相差7.7%）,占耕作阻力的0.01%;侧向旋转摩擦力为97.21 N,占耕作阻力的9.81%;剪切力为893.496 N,占耕作阻力的90.18%。（3）直灭茬刀耕作阻力与能耗关系模型建立基于第3章直灭茬刀的耕作阻力,对气流-土壤-秸秆（根茬）耦合场仿真试验结果与实际的灭茬刀田间作业能耗关系模型进行建立,同时进一步验证耦合仿真模型的可靠性。首先对耦合仿真模型中直灭茬刀作业的耕作阻力、扭矩和功耗进行全过程提取,建立耦合仿真模型中耕作阻力、扭矩与功耗的数学关系模型,结果显示其与理论中的耕作阻力、扭矩、功耗关系模型基本一致。其次对直灭茬刀田间试验中的功耗进行测试,得到田间试验功耗范围为14 k W～30 k W,耦合仿真得到功耗范围为15.8 k W～24 k W,且耦合仿真中直灭茬刀平均功耗为20.14 k W,田间试验中直灭茬刀平均功耗为22.28 k W,相比于耦合仿真试验,田间试验的功耗增加了10.63%。最后对直灭茬刀田间试验中的耗油量进行测试,并对耗油量的输出结果进行0.01 s单位化处理,与耦合仿真试验中的耕作阻力、功耗形成对应点,建立耦合仿真试验中直灭茬刀的耕作阻力、扭矩与田间试验中耗油量的数学关系模型。（4）土壤与秸秆抛撒行为研究气流作用对土壤与秸秆抛撒行为至关重要,然而田间试验无法探究其微观行为,本部分在现有离散元仿真研究的真空状态（仿真中不添加气流作用）基础上,采用耕作阻力机理研究中的耦合场模型（考虑气流流动影响）,对直灭茬刀作业时土壤与秸秆的抛撒行为进行研究。分别解析在不同角速度、真空和气流流动条件下,地表秸秆和不同深度土壤颗粒的速度和位移（侧向、垂直、纵向）。仿真试验得到随着直灭茬刀角速度的增加土壤和秸秆的位移和速度（侧向、纵向）会显著性增加,增加直灭茬刀的角速度能够明显增加土壤与秸秆的扰动和抛撒;随着土壤深度的增加,土壤的侧向位移和侧向速度会显著性降低;气流流动时能够显著性增加土壤和秸秆的侧向位移,且随着直灭茬刀角速度的增加,气流流动增强,能够进一步增加土壤的侧向位移。直灭茬刀作业时,浅层土壤颗粒会下落,深层土壤颗粒会上升,形成深浅层土壤的交换,实现土壤层的变更。田间高速摄像验证试验得到,直灭茬刀角速度为75.36 rad/s时,田间验证试验与耦合仿真试验在土壤、秸秆位移与速度（纵向）方面分别相差7.3%、7.6%、17.9%和17.7%。最优的作业工况为直灭茬刀角速度56.52 rad/s,有气流流动作用,最优的播种带宽度为204.92 mm。（5）正交旋转试验及田间试验基于第3章直灭茬刀耕作阻力机理研究与第4章直灭茬刀作业时土壤与秸秆抛撒行为研究,对直灭茬刀的作业参数进行优化设计,进而实现直灭茬刀的低耗和高质量作业效果。将影响灭茬刀作业的试验因素确定为灭茬刀角速度、入土深度和前进速度,并确定其因素水平范围分别为28～84 rad/s;80～120 mm;0.5～0.86 m/s。以灭茬刀功耗、土壤扰动量、秸秆侧向扰动量和灭茬率为试验指标对灭茬刀实施三因素五水平正交旋转组合耦合仿真试验。试验结果显示,直灭茬刀在角速度43.47 rad/s、入土深度101.1 mm、作业速度0.57 m/s时,功耗为16.98 k W,土壤扰动量为293.09个,秸秆侧向扰动量为173.84个,灭茬率为93.76%。正态检验和独立样本T检验结果显示,在此作业参数下,田间验证试验得到的直灭茬刀功耗17.22k W、灭茬率93.19%与耦合仿真试验结果不存在显著性差异。田间对比试验得到:相比于旋耕刀,直灭茬刀的功耗降低17.8%、耗油量降低19%、土壤扰动量降低70.2%、秸秆侧向扰动量降低1.5%、灭茬率降低2%;相比L型灭茬刀,直灭茬刀功耗降低31.6%、耗油量降低32.3%、土壤扰动量降低82%、秸秆侧向扰动量降低2.9%、灭茬率降低2.8%。但单因素方差分析结果显示,相比于旋耕刀和L型灭茬刀,直灭茬刀功耗、耗油量、土壤扰动量虽然显著性降低,三者存在着显著性差异,直灭茬刀、旋耕刀和L型灭茬刀在秸秆侧向扰动量和灭茬率方面并不存在显著性差异。