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课题组研制的旋埋刀辊能够解决长江中下游多熟制稻作区高留茬秸秆在板结黏重土壤环境下还田时的缠堵问题，但刀辊在功耗，作业平稳性以及秸秆掩埋深度方面仍有待进一步提升，因此本文以降低旋埋刀辊作业功耗提升还田效果为目的，通过建立土壤旋耕功耗预测离散元模型，分析刀辊作业机理及刀具间土壤相互扰动对刀辊作业效果影响机制，获取提升刀辊作业性能的途径，并以此为基础对原有刀辊结构及刀具参数开展合理设计和优化，通过田间试验分析刀辊的地域适用性。主要研究如下：
(1)基于离散元方法，构建稻板田旋耕功耗预测模型，以辅助旋埋刀辊功耗检测。根据连续3年对稻板田土壤含水率的监测，发现土壤含水率与其塑限接近，说明稻板田土壤塑性较差，结合土壤受载后的形变及破坏特点，选定HertzMindlinwithBonding颗粒接触模型表征稻板田土壤的粘结和破坏情况。根据旋耕作业形式的特殊性和旋埋刀辊的结构特点，沿幅宽方向缩小旋埋刀辊的尺度，在旋耕测试平台的辅助下，完成标定参照试验。在离散元软件中建立旋耕作业模型，采用等步长爬坡试验方法，通过步阶次序建立接触参数与功耗指标之间的函数关系，依据标定参照试验功耗值，确定了稻板田旋耕功耗预测模型的接触参数取值，完成模型的建立。为进一步验证该模型的适用性，在不同作业工况下对普通旋耕刀辊和旋埋刀辊开展误差对比试验，结果显示预测误差均值为6.65%，范围在3.63%～9.48%之间，结合方差分析说明稻板田旋耕功耗预测模型适用于不同旋耕刀辊及工况下的功耗预测；还原刀辊真实尺度的田间试验功耗预测误差均值为7.28%，范围在2.50%～12.81%之间，刀辊结构在缩放过程误差变化较小，说明模型能够准确反映旋埋刀辊在稻板田作业的功耗情况。
(2)以旋埋刀辊的核心刀具螺旋横刀为主要研究对象，通过构建刀具的数学模型，分析旋切土壤和旋埋秸秆过程以揭示刀辊作业机理，为后续旋埋刀辊的优化设计提供理论依据。
针对螺旋横刀旋切土壤过程，分析切土角和隙角随转角的动态变化规律，在常规作业工况下，动态参数变化范围为±3.37°~±9.02°。为避免作业过程中负隙角的出现，则静态隙角取值应大于9.02°；切土角对功耗影响的仿真试验研究表明，随静态切土角的增加，螺旋横刀作业功耗呈先降后增的趋势，当静态切土角在30°~40°之间时，作业功耗较小。为进一步分析功耗在整个作业行程的分配情况，将螺旋横刀旋切土壤过程分为切土区间和抛土区间，切垡末点为切抛分界点，基于旋耕功耗预测模型分析耕深、牵引速度和刀宽对切土功耗与抛土功耗的影响，仿真结果显示，切土功耗远大于抛土功耗，随着耕深、牵引速度和刀宽增加，切土功耗和抛土功耗均递增，而抛切功耗百分比的变化分别为递增、递减和变化不明显，说明耕深对切土功耗影响更显著，牵引速度对抛土功耗更显著，刀宽对两者影响程度相当。
针对螺旋横刀旋埋秸秆过程，分别从秸秆纵面和横面两个方向分析刀具对秸秆的作用，揭示了螺旋横刀对秸秆镇压掩埋、揉搓混埋和抛土覆盖的旋埋还田原理，分析了秸秆直立和倒伏两个状态的受力情况，当刀刃滑切角小于刀刃与秸秆的摩擦角时，秸秆沿刀刃不侧向滑移，符合螺旋横刀的秸秆掩埋要求；根据滑切角随刀具旋转的动态变化方程可知，在常规作业工况下，滑切角的变化可以忽略不计，近似等于刀刃的静态滑切角；为研究滑切角对秸秆滑移的影响，开展了秸秆滑切土槽试验，试验结果验证了秸秆掩埋条件的正确性，并给出了秸秆与刀刃摩擦角的范围为25°~30°，从秸秆掩埋的角度说明了现有螺旋横刀静态滑切角参数的合理性；为研究滑切角对作业功耗的影响，开展功耗预测仿真试验，试验结果表明功耗随螺旋横刀静态滑切角的增加而递减，因此静态滑切角在满足秸秆掩埋的条件下，应取较大值。
(3)对于多刀种组成的旋埋刀辊，通过研究内部不同刀种对土壤的扰动情况，揭示刀具之间对土壤的相互作用机制，为后续刀辊优化设计提供理论依据。
在纵向，基于周向刀具分布，建立螺旋横刀与旋耕刀的纵向切土位置方程，分析两刀相对切土位置关系，通过分部建模方式将旋埋刀辊分为旋耕刀部分与螺旋横刀部分，并以滞后角为变量，功耗与相对磨损为指标，开展纵向切土位置对周向刀具间相互影响的研究。仿真结果表明，随滞后角增大，对于功耗，旋耕刀持续递减，螺旋横刀持续递增，旋埋刀辊先减至相对平稳状态后递增；对于相对磨损，旋耕刀持续递减，螺旋横刀持续递增，旋埋刀辊先减后增；相对磨损的变化规律与功耗类似，总体呈现功耗增大，相对磨损增高的趋势。当滞后角取值使螺旋横刀纵向切土位置与旋耕刀重合时，此时旋埋刀辊功耗处于较低水平。
在横向，旋耕刀正切部和螺旋横刀均对土壤有轴流侧推作用，对旋埋刀辊、旋耕刀辊(旋埋刀辊的旋耕刀部分)和螺旋刀辊(旋埋刀辊的螺旋横刀部分)依次开展仿真试验，获取土壤颗粒运动情况及刀辊所受轴向力。依据土壤颗粒运动情况可知，切土阶段土壤轴流效应弱于抛土阶段，且3种刀辊对土壤的轴流侧推作用由强到弱依次为旋耕刀辊、螺旋刀辊、旋埋刀辊；在旋埋刀辊中，刀具的耦合作用使土壤的运动由内部螺旋横刀决定。依据刀辊所受轴向力可知，同一段旋埋刀辊内的旋耕刀与螺旋横刀旋向相反符合轴向力相互抵消的设计原理，但根据轴向力动态特性曲线的正弦波动情况，发现目前旋埋刀辊存在轴向力波动较大的现象，针对旋埋刀辊轴向排列，提出刀具对称布置的解决方案。
(4)基于旋埋刀辊作业机理和刀具间土壤相互扰动对刀辊作业效果影响机制，以及前期试验中存在的问题，设计一种人字型旋埋刀辊。针对功耗较大的问题，将原有螺旋横刀的静态切土角由73°降至40°，刀宽由25mm增至35mm，刀宽增加用来弥补因切土角变小而损失的抛土宽度，维持原有的抛土覆盖性能；针对秸秆掩埋深度不足的问题，将原与螺旋横刀匹配使用的ⅠT245旋耕刀替换为ⅠT225旋耕刀，在相同旋耕深度的条件下，能够增加20mm的秸秆掩埋深度，同时在保证原有秸秆掩埋深度不变的条件下，通过减少不必要的旋耕耕深起到了减阻降耗作用；针对机具轴向力波动大，作业平稳性不足的问题，设计了人字型的刀具排布方式和相匹配的刀盘组件，刀辊两侧旋耕刀沿轴向间距相等，采用同向相继切土减阻方式，以增强刀辊作业性能；针对刀辊耕后存在轮辙及田边遗留未耕区域的问题，将刀辊作业幅宽由1850mm增加至2200mm，刀辊作业幅宽大于拖拉机后轮外缘间距，能有效增加耕整平整度，避免刀辊耕作范围不足的现象出现。
(5)针对设计的人字型旋埋刀辊与原有刀辊在螺旋横刀结构参数、旋耕刀匹配型号以及刀具排列上的差异，在各田况及工况条件下，分别开展田间对比试验，并对人字型旋埋刀辊在水田与旱地及不同秸秆地的应用进行评估。
螺旋横刀优化检验试验显示，当螺旋横刀的静态切土角由73°降至40°，刀宽由25mm增至35mm后，低速1挡下540rpm和720rpm挡位，秸秆掩埋率分别提升0.16和0.78个百分点，功耗分别下降5.68%和8.44%；低速2挡下540rpm和720rpm挡位，秸秆掩埋率分别提升1.58和1.14个百分点，功耗分别下降6.66%和6.57%。
刀具排布方式对比试验显示，相对于交错型旋埋刀辊，人字型旋埋刀辊在PTO转速为540r/min时，前进、竖直和幅宽方向平稳性分别提升了51.59%、31.34%、29.74%；PTO转速为630r/min时，三向平稳性分别提升了65.22%、36.09%、47.28%；PTO转速为720r/min时，三向平稳性分别提升了47.37%、25.24%、29.52%；人字型旋埋刀辊在3个转速工况下功耗依次下降了4.27%、4.37%和1.52%。
旋耕刀刀型匹配对比试验显示，当耕深相同时，IT225型刀辊较IT245型刀辊功耗上升2.55%，秸秆掩埋率增加5.56%；当秸秆掩埋深度相同时，IT225型刀辊较IT245型刀辊功耗下降14.86%，秸秆掩埋率减少1.25%。经熵权法对两刀辊进行多指标综合评价，IT225型刀辊指标评价得分最高为0.84，从秸秆掩埋质量角度分析，IT225型刀辊无论从均匀性、深度、还是掩埋量方面均优于IT245型刀辊。
水旱两用秸秆旋耕掩埋还田机田间应用研究显示，人字型旋埋刀辊能够应对长江中下游多熟制稻作区的水田与旱地，柔性秸秆与硬质秸秆的还田作业，通用性较强。
(1)基于离散元方法，构建稻板田旋耕功耗预测模型，以辅助旋埋刀辊功耗检测。根据连续3年对稻板田土壤含水率的监测，发现土壤含水率与其塑限接近，说明稻板田土壤塑性较差，结合土壤受载后的形变及破坏特点，选定HertzMindlinwithBonding颗粒接触模型表征稻板田土壤的粘结和破坏情况。根据旋耕作业形式的特殊性和旋埋刀辊的结构特点，沿幅宽方向缩小旋埋刀辊的尺度，在旋耕测试平台的辅助下，完成标定参照试验。在离散元软件中建立旋耕作业模型，采用等步长爬坡试验方法，通过步阶次序建立接触参数与功耗指标之间的函数关系，依据标定参照试验功耗值，确定了稻板田旋耕功耗预测模型的接触参数取值，完成模型的建立。为进一步验证该模型的适用性，在不同作业工况下对普通旋耕刀辊和旋埋刀辊开展误差对比试验，结果显示预测误差均值为6.65%，范围在3.63%～9.48%之间，结合方差分析说明稻板田旋耕功耗预测模型适用于不同旋耕刀辊及工况下的功耗预测；还原刀辊真实尺度的田间试验功耗预测误差均值为7.28%，范围在2.50%～12.81%之间，刀辊结构在缩放过程误差变化较小，说明模型能够准确反映旋埋刀辊在稻板田作业的功耗情况。
(2)以旋埋刀辊的核心刀具螺旋横刀为主要研究对象，通过构建刀具的数学模型，分析旋切土壤和旋埋秸秆过程以揭示刀辊作业机理，为后续旋埋刀辊的优化设计提供理论依据。
针对螺旋横刀旋切土壤过程，分析切土角和隙角随转角的动态变化规律，在常规作业工况下，动态参数变化范围为±3.37°~±9.02°。为避免作业过程中负隙角的出现，则静态隙角取值应大于9.02°；切土角对功耗影响的仿真试验研究表明，随静态切土角的增加，螺旋横刀作业功耗呈先降后增的趋势，当静态切土角在30°~40°之间时，作业功耗较小。为进一步分析功耗在整个作业行程的分配情况，将螺旋横刀旋切土壤过程分为切土区间和抛土区间，切垡末点为切抛分界点，基于旋耕功耗预测模型分析耕深、牵引速度和刀宽对切土功耗与抛土功耗的影响，仿真结果显示，切土功耗远大于抛土功耗，随着耕深、牵引速度和刀宽增加，切土功耗和抛土功耗均递增，而抛切功耗百分比的变化分别为递增、递减和变化不明显，说明耕深对切土功耗影响更显著，牵引速度对抛土功耗更显著，刀宽对两者影响程度相当。
针对螺旋横刀旋埋秸秆过程，分别从秸秆纵面和横面两个方向分析刀具对秸秆的作用，揭示了螺旋横刀对秸秆镇压掩埋、揉搓混埋和抛土覆盖的旋埋还田原理，分析了秸秆直立和倒伏两个状态的受力情况，当刀刃滑切角小于刀刃与秸秆的摩擦角时，秸秆沿刀刃不侧向滑移，符合螺旋横刀的秸秆掩埋要求；根据滑切角随刀具旋转的动态变化方程可知，在常规作业工况下，滑切角的变化可以忽略不计，近似等于刀刃的静态滑切角；为研究滑切角对秸秆滑移的影响，开展了秸秆滑切土槽试验，试验结果验证了秸秆掩埋条件的正确性，并给出了秸秆与刀刃摩擦角的范围为25°~30°，从秸秆掩埋的角度说明了现有螺旋横刀静态滑切角参数的合理性；为研究滑切角对作业功耗的影响，开展功耗预测仿真试验，试验结果表明功耗随螺旋横刀静态滑切角的增加而递减，因此静态滑切角在满足秸秆掩埋的条件下，应取较大值。
(3)对于多刀种组成的旋埋刀辊，通过研究内部不同刀种对土壤的扰动情况，揭示刀具之间对土壤的相互作用机制，为后续刀辊优化设计提供理论依据。
在纵向，基于周向刀具分布，建立螺旋横刀与旋耕刀的纵向切土位置方程，分析两刀相对切土位置关系，通过分部建模方式将旋埋刀辊分为旋耕刀部分与螺旋横刀部分，并以滞后角为变量，功耗与相对磨损为指标，开展纵向切土位置对周向刀具间相互影响的研究。仿真结果表明，随滞后角增大，对于功耗，旋耕刀持续递减，螺旋横刀持续递增，旋埋刀辊先减至相对平稳状态后递增；对于相对磨损，旋耕刀持续递减，螺旋横刀持续递增，旋埋刀辊先减后增；相对磨损的变化规律与功耗类似，总体呈现功耗增大，相对磨损增高的趋势。当滞后角取值使螺旋横刀纵向切土位置与旋耕刀重合时，此时旋埋刀辊功耗处于较低水平。
在横向，旋耕刀正切部和螺旋横刀均对土壤有轴流侧推作用，对旋埋刀辊、旋耕刀辊(旋埋刀辊的旋耕刀部分)和螺旋刀辊(旋埋刀辊的螺旋横刀部分)依次开展仿真试验，获取土壤颗粒运动情况及刀辊所受轴向力。依据土壤颗粒运动情况可知，切土阶段土壤轴流效应弱于抛土阶段，且3种刀辊对土壤的轴流侧推作用由强到弱依次为旋耕刀辊、螺旋刀辊、旋埋刀辊；在旋埋刀辊中，刀具的耦合作用使土壤的运动由内部螺旋横刀决定。依据刀辊所受轴向力可知，同一段旋埋刀辊内的旋耕刀与螺旋横刀旋向相反符合轴向力相互抵消的设计原理，但根据轴向力动态特性曲线的正弦波动情况，发现目前旋埋刀辊存在轴向力波动较大的现象，针对旋埋刀辊轴向排列，提出刀具对称布置的解决方案。
(4)基于旋埋刀辊作业机理和刀具间土壤相互扰动对刀辊作业效果影响机制，以及前期试验中存在的问题，设计一种人字型旋埋刀辊。针对功耗较大的问题，将原有螺旋横刀的静态切土角由73°降至40°，刀宽由25mm增至35mm，刀宽增加用来弥补因切土角变小而损失的抛土宽度，维持原有的抛土覆盖性能；针对秸秆掩埋深度不足的问题，将原与螺旋横刀匹配使用的ⅠT245旋耕刀替换为ⅠT225旋耕刀，在相同旋耕深度的条件下，能够增加20mm的秸秆掩埋深度，同时在保证原有秸秆掩埋深度不变的条件下，通过减少不必要的旋耕耕深起到了减阻降耗作用；针对机具轴向力波动大，作业平稳性不足的问题，设计了人字型的刀具排布方式和相匹配的刀盘组件，刀辊两侧旋耕刀沿轴向间距相等，采用同向相继切土减阻方式，以增强刀辊作业性能；针对刀辊耕后存在轮辙及田边遗留未耕区域的问题，将刀辊作业幅宽由1850mm增加至2200mm，刀辊作业幅宽大于拖拉机后轮外缘间距，能有效增加耕整平整度，避免刀辊耕作范围不足的现象出现。
(5)针对设计的人字型旋埋刀辊与原有刀辊在螺旋横刀结构参数、旋耕刀匹配型号以及刀具排列上的差异，在各田况及工况条件下，分别开展田间对比试验，并对人字型旋埋刀辊在水田与旱地及不同秸秆地的应用进行评估。
螺旋横刀优化检验试验显示，当螺旋横刀的静态切土角由73°降至40°，刀宽由25mm增至35mm后，低速1挡下540rpm和720rpm挡位，秸秆掩埋率分别提升0.16和0.78个百分点，功耗分别下降5.68%和8.44%；低速2挡下540rpm和720rpm挡位，秸秆掩埋率分别提升1.58和1.14个百分点，功耗分别下降6.66%和6.57%。
刀具排布方式对比试验显示，相对于交错型旋埋刀辊，人字型旋埋刀辊在PTO转速为540r/min时，前进、竖直和幅宽方向平稳性分别提升了51.59%、31.34%、29.74%；PTO转速为630r/min时，三向平稳性分别提升了65.22%、36.09%、47.28%；PTO转速为720r/min时，三向平稳性分别提升了47.37%、25.24%、29.52%；人字型旋埋刀辊在3个转速工况下功耗依次下降了4.27%、4.37%和1.52%。
旋耕刀刀型匹配对比试验显示，当耕深相同时，IT225型刀辊较IT245型刀辊功耗上升2.55%，秸秆掩埋率增加5.56%；当秸秆掩埋深度相同时，IT225型刀辊较IT245型刀辊功耗下降14.86%，秸秆掩埋率减少1.25%。经熵权法对两刀辊进行多指标综合评价，IT225型刀辊指标评价得分最高为0.84，从秸秆掩埋质量角度分析，IT225型刀辊无论从均匀性、深度、还是掩埋量方面均优于IT245型刀辊。
水旱两用秸秆旋耕掩埋还田机田间应用研究显示，人字型旋埋刀辊能够应对长江中下游多熟制稻作区的水田与旱地，柔性秸秆与硬质秸秆的还田作业，通用性较强。