油菜是我国主要的油料作物,其种植面积及总产量均居世界首位。为提高长江中下游地区油菜机械化播种作业水平,结合该地区油菜种植现状和农艺要求,研制了一种集压茬、主动开沟、厢面覆土、精量播种及施肥等多功能于一体的油菜免耕直播机,确定了其基本结构、工作过程及工艺路线。应用运动学理论、离散元仿真和响应曲面设计等技术和方法,研究主动开畦沟刀盘、分土板等关键触土部件的作业性能随部件结构参数和作业参数的影响规律。针对传统油菜机械直播厢面平整度测量装置在测量精度和效率方面存在的不足,基于激光雷达扫描技术和区域地表高程数据采集处理方法,实现对油菜厢面平整度特征的准确量化。主要研究包括:(1)基于稻油轮作区土壤、水稻秸秆机械物理特性测试分析,确定了油菜主动开沟免耕直播机的总体设计方案,并提出了基于螺旋运动方式的主动旋转开沟、抛土和分土板约束覆土,实现螺旋旋转开畦沟、厢面土壤均匀覆盖,形成油菜免耕播种种床厢面的工艺路线。整机核心部件主要包括主动开畦沟刀盘、分土板、压茬限深辊、电控离心式排种系统等,明确了各触土部件的作业次序和相对位置关系,分析确定了免耕直播机的主要技术参数:作业幅宽为2000 mm,开沟深度为160～200mm,开沟宽度为300～350 mm,最高作业速度为6 km/h。(2)开展了油菜主动开沟免耕直播机关键部件结构设计与参数分析确定。主要包括:(1)提出了一种由前后刀盘组成,每个刀盘包括内外层刀片的主动旋转开畦沟装置,其中,前后刀盘反向顺次切削,每个刀盘内外层刀片分层均布;主动旋转开畦沟装置以螺旋方式运动,突破了传统余摆线旋耕方式作业速度的限制;以前后刀盘切土量相等为设计原则,确定了前后刀盘内外层刀片的回转半径,并设计了利于根茬破碎和易于加工制造的开沟刀片;(2)基于前后刀盘集中抛土角度区域特性分析,设计了动定平板面积比例和角度可调的平面型组合式前分土板和具有土粒流导流功能的角度可调式弧面型后分土板,依据畦沟两侧覆土宽度要求确定了分土板尺寸参数;(3)设计了以拖拉机牵引力和机具重力共同作用形成垂直载荷的前置式宽幅压茬限深辊,分析了其在作业过程中下陷量影响因素,确定了辊体直径为273 mm,宽度为2000 mm;(4)设计了油菜离心式集排器电控系统,实现基于拖拉机作业速度反馈调节的离心式集排器播量变量控制功能,简化了传动系统结构,提高了播种性能的稳定性。(3)开展了土粒在开沟刀片和分土板作用下的运移过程解析。主要包括:(1)针对土粒在切削和抛射阶段的受力和运动状态,建立了土粒的运动学模型。通过对开畦沟刀盘结构和运动参数分析,在明确土粒运移过程中的速度和受力分解方式基础上,建立了动、定坐标系下土粒在刀片正切面上的运动微分方程;在定坐标系下分析了土粒抛出时刻运动状态的影响因素,明确了土粒抛出速度、抛射角度不仅与开沟刀片回转直径、折弯角度及正切面几何尺寸等结构参数有关,还与刀盘转速、机组前进速度等作业参数及土壤摩擦系数相关;(2)通过求解非线性微分方程组得到前后刀盘典型抛土速度范围分别为8.6～13.7 m/s和9.1～14.4m/s,横向抛出角度范围分别为35.1～69.3°和56.3～81.7°;(3)在土粒运动规律分析基础上,开展了土粒与分土板碰撞过程的运动状态建模解析。基于土粒抛出速度和角度求解结果,建立了土粒与分土板发生碰撞的约束条件,获取了土粒碰撞时刻的空间坐标表达式,并基于弹性-塑性质点碰撞理论建立了土粒与分土板碰撞后的运动轨迹方程。明确了土粒横向抛土宽度的约束机制和影响条件,为土粒横向抛土距离的精确调节提供理论支撑。(4)运用EDEM仿真软件开展了开沟刀片关键结构参数优化和分土板结构及作业参数性能仿真试验。仿真结果表明:(1)在开沟深度180 mm、刀盘转速800r/min、前进速度1 m/s的作业条件下,刀片折弯角和折弯半径分别为20°和60mm时可获得最小功耗为12.61 k W;(2)依据机组作业时前后分土板覆土形成的厢面差异,往返行程中对前分土板组合形成的厢面平整度显著性影响顺序为调节角度>安装高度>倾斜安装距离,在安装高度383.3 mm、调节角度6.5°、倾斜安装距离146.4 mm时的最优厢面平整度为7.61 mm;对后分土板组合形成的厢面平整度显著性影响顺序为调节角度>安装高度>横向安装距离,在安装高度325.0 mm、调节角度3.5°、横向安装距离96.6 mm时的最优厢面平整度为8.62 mm,通过田间试验,验证了仿真结果的可靠性。(5)开展了油菜主动开沟免耕直播机作业质量田间试验研究。选取稻油轮作区不同工况地表,在设计的机具作业参数范围内,开展整机作业质量试验,重点考察压茬效果、开沟稳定性、厢面平整度、碎土率等作业性能指标。为实现作业地表作业质量的精确量化,首先针对传统厢面平整度测量装置在测量精度和效率方面存在的不足,设计了一套基于激光雷达扫描技术的地表微地貌测量装置,装置典型分辨率在激光雷达扫描方向为3.8～10 mm,垂直扫描方向可在毫米精度范围内任意设置,测量区域覆盖面积典型值为6.8 m~2,最快单次测量时间低于2.5min。试验结果表明:(1)主动旋转开畦沟刀盘作业形成的畦沟平均沟深为157.4～186.7 mm,平均沟宽为314.7～336.8 mm,同一作业行程下的沟深和沟宽稳定性均高于90%,满足油菜播种开畦沟农艺要求;(2)土壤含水率高于35%的工况下有利于提高压茬和埋茬效果,但沟深稳定性、厢面平整度及碎土率指标均会变差;作业速度提高会降低碎土率、压茬效果和沟深稳定性;刀盘转速提高有利于提高碎土率和厢面平整度;(3)正交试验结果表明,开沟深度、前进速度和刀盘转速对作业功耗影响均为极显著;开沟深度对厢面平整度影响极显著;前进速度和刀盘转速对厢面平整度影响显著。研究得出整机较优工作参数为:开沟深度为180 mm,机组前进速度为4.5 km/h,刀盘转速为1080 r/min时,整机功耗为17.21k W,厢面平整度为13.61 mm,碎土率为95.66%,沟深和沟宽稳定性分别为93.48%和95.19%,满足油菜播种农艺要求。(6)开展了油菜机械直播厢面的作业质量分析与评价方法研究。基于设计的地表微地貌测量装置实现了油菜直播厢面全幅宽范围内不高于10 mm分辨率的区域地表高程数据采集,通过对油菜机械直播种床厢面特征分析,确定了采集数据的预处理方法,减小了厢面倾斜和边坡特征对粗糙度计算结果的影响。对不同采样间隔和不同角度截面数据的粗糙度统计结果表明:在固定大小区域内均方根高度和相关长度分别需要进行16次和64次的等距采样才能使测量结果趋于稳定值;170 mm采样间隔下的平均均方根高度和均方根高度平均误差均高于5 mm采样间隔下的计算结果;在垂直机组前进方向0°、45°和90°三个方向上,地表截面高程数据的均方根高度最大差值和相关长度最大差值分别为7.69 mm和25.14 mm,表明油菜种床厢面平整度存在明显的各向异性。以不同大小区域的滑动取样窗口进行局部粗糙度量化的统计结果表明:当窗口宽度为厢面幅宽和0.5倍时,窗口长度不低于1.2 m可使均方根高度的标准差稳定在0.27 mm以内,而通过对每个取样窗口进行单独去倾斜趋势处理可消除地表局部倾斜对粗糙度计算结果的影响。研究结果可为油菜机械直播作业厢面粗糙度测量和量化方法提供参考依据。创新点1:提出了一种主动旋切式开畦沟装置,通过开畦沟刀盘和与之配套的分土板实现稻茬田免耕开畦沟和种床厢面覆土功能。创新点2:提出了一种基于激光雷达扫描技术的区域地表粗糙度现场测量和量化方法,采用滑动取样窗口实现油菜机械直播厢面地表粗糙度的定量评价。