起垄是蔬菜生产中最为基础和关键的环节之一,其作业质量直接影响后期机械化种植、田间管理及收获作业质量。相比大宗粮食作物整地要求,蔬菜垄整理要求更为精细化,不仅要垄平沟直,而且更需满足“表细底粗、上虚下实”分层耕作结构,为此对蔬菜起垄机提出了新的设计要求。现有蔬菜起垄机多为单轴旋耕后起垄,无法达到土壤分层的目的,虽也有为数不多的双轴精整后起垄机型,但其关键工作部件—旋耕碎土部件在粘土区域作业时仍存在表土破碎质量差、耕作刀片/刀齿磨损和粘附、刀辊间壅土及作业能耗高等问题,严重制约了我国蔬菜全程全面机械化实现的进程。为此,本文综合运用金属表面改性、生物仿生优化、机械—土壤动力学及土壤粘附力学、传感测试等理论与方法,建立了双轴分层旋耕碎土耕作理论,从耕作刀片/刀齿的耐磨及脱附减阻性能优化研究入手,通过离散元仿真模拟和分层耕作性能试验结合,系统研究双轴旋耕碎土部件分层耕作动力学规律及作业质量影响机理,优化提出碎土刀辊结构、双轴空间位置及作业参数组合,并在田间开展验证试验,以期为高性能起垄机研发提供理论依据。具体研究内容与结果如下:（1）基于材料摩擦学原理,对旋耕刀片进行表面涂层改性研究,提出一种旋耕刀片抗磨减阻综合性能提升的新途径。选择四种不同的涂层材料TiAlN、CrN、增强型PTFE和Ni-P-PTFE对刀片进行改性。通过对涂层力学性能、晶体结构、摩擦磨损性能、微观形貌、元素分析、土壤切削阻力的测试和分析,探讨了不同涂层方法的摩擦磨损机制,实现了不同涂层刀片耐磨减阻及经济性的综合评价。研究结果表明,所有涂层材料均提高了基体刀片的耐磨和抗粘减阻性。金属涂层（TiAlN、CrN）比塑料基（增强型PTFE、Ni-P-PTFE）涂层具有更高的抗弯强度和硬度,塑料基涂层具有更好的耐磨性,尤其是Ni-P-PTFE涂层刀片具有最低的平均摩擦系数（0.32）和比磨损率(3.556×10-7 m3/（N·m）),田间作业质量损失率最低（0.4 g/ha）,耐磨指数WRI最高（2.24）,土壤切削阻力也最低。但基于使用寿命和生产成本考虑,增强型PTFE涂层更有利于提高旋耕刀片质量和耐久性。（2）采用生物仿生学原理,对碎土刀齿进行结构改形和表面材质改性研究,提出一种基于獾爪趾构形仿生与抗粘涂层材料协同作用的刀齿脱附减阻新方法。通过有限元分析法分别建立了传统和仿生碎土刀齿的切土动力学仿真模型,模拟分析了两种刀齿切土过程和受力情况,研究发现相比传统刀齿,仿生刀齿结构可减少平均切削阻力、最大切削阻力、切削应力及土壤能量之和,但土壤动能较大,表明仿生刀齿降阻且耐用,同时切土效果较佳。通过傅里叶变换红外光谱分析、接触角和耐磨性试验,发现氟硅改性丙烯酸和聚四氟乙烯的复合涂层与碎土刀齿表面结合良好,可形成一种新型抗粘耐磨层,尤其当涂层厚度为10μm时,耐磨性最高,且土壤贯入阻力最低,综合性能最优。通过扫描电镜图像分析表明涂层材料能保护表面、防止磨损。田间试验结果表明,未涂层和有涂层（10μm）仿生刀齿作业平均功耗相比传统刀齿,分别降低了2.95%和30.26%;刀齿的土壤粘附量分别降低了64.46%和84.29%,表明仿生结构刀齿有利于减粘降耗,仿生结构与抗粘涂层材料的协同作用下刀齿的抗粘减阻性能更优。（3）依据离散单元法、机械—土壤动力学及颗粒接触理论,构建了旋耕碎土部件—粘土系统动力学仿真模型,探讨了粘土分层破碎扰动过程及动力学特性规律。研究发现8.3 s时刻旋耕刀辊开始与土体接触,8.7 s时刻碎土刀辊与抛掷运动的土垡进行接触碰撞,9 s时刻两刀辊间土壤颗粒数量达到最多,作业能耗最高,9 s至10.8 s时间段分层耕作作业最为稳定,10.8 s后土壤复合耕层结构已完成,此时表土颗粒断裂键总数达到最高。同时以整机能耗最低、表土5 cm土层破碎程度最高为目标,对碎土刀辊的结构参数进行了仿真试验优化,通过单因素试验发现随着碎土刀辊刀齿的齿间距、安装倾斜角及排布行数的增加,表土颗粒断裂键总数及总能耗分别皆呈现下降、先缓后升及上升的趋势;正交试验优化研究发现耕作总能耗影响顺序为倾斜角>齿间距>行数,表土颗粒断裂键总数影响顺序为齿间距>行数>倾斜角;当齿间距为9 cm,倾斜角为8°,行数为5时,综合评分最高,即形成较优的碎土刀辊结构参数组合方案。（4）开发了一种集前轴正转抛土、后轴反转碎土功能于一体的双轴旋耕碎土田间移动式试验平台,有效解决了现有耕作试验台难以满足双轴耕作测试需求、室内测试重塑土难以反映作业现场真实环境的问题。重点分析了两刀轴间相对空间位置工作范围、碎土辊轴位置调节机构结构参数、旋耕刀轴调速装置的运动参数,理论计算并选型了碎土辊轴调速系统、功耗测试系统中液压及电气元件,阐述测试方法及数据采集过程等。应用该试验台开展了旋耕碎土部件分层耕作田间试验,实现了双轴相对空间位置及作业参数匹配优化研究,采用中心组合试验设计方法,以两轴水平间距、垂直间距、碎土辊轴转速为影响因素,以双刀辊作业平均功耗、表层5 cm土层的碎土率为评价指标进行响应曲面分析,建立各因素和平均功耗、碎土率之间的回归模型,分析各因素对平均功耗、碎土率的显著性,同时对影响因素进行了综合优化。试验结果表明:平均功耗影响显著性顺序为横向间距>碎土辊轴转速>垂直间距;碎土率影响显著性顺序为横向间距>垂直间距>碎土辊轴转速;较优工作参数组合为横向间距为570 mm、垂直间距为96 mm、碎土辊轴转速为340 r/min,对应的平均功耗为17.92 k W、碎土率为91.65%,且各评价指标与其理论优化值的相对误差均小于5%。（5）研制了一种双轴型蔬菜起垄新样机,通过田间试验以及与同类机型的作业质量对比测试,实现了对其关键工作部件—双轴旋耕碎土部件作业性能的综合评价。研究结果表明随着土壤含水率（7.3%、13.5%、20.4%）的增加,样机的垄顶宽合格率呈下降趋势,但数值均在80%以上;垄高合格率均在90%以上;垄面的碎土质量略有下降,出现裂纹和少量起伏,但变化不明显,碎土率皆在89.57%以上;垄面平整度均在1.53 cm以下,垄体土壤上松下实,整体作业质量满足行业标准和蔬菜生产农艺要求。与同类应用较多的两款机型相比,无论是在何种含水率条件下,样机作业的表土破碎程度、平整度及垄体坚实度等指标都较优,表明以本研究的双轴旋耕碎土部件为核心的双轴型起垄机对粘土土质及土壤水分方面的适应性更强,综合性能更优。