耕作阻力大、功耗高已成为旋耕整地机的关键问题,统计发现,旋耕机约90%的阻力来自于其关键部件——旋耕刀。因此,本文基于力学切削模型,设计一种楔形减阻旋耕刀(也称楔形旋耕刀),并探究其减阻降耗的微观机理;采用Abaques软件检验其强度;通过仿真试验对楔形减阻旋耕刀进行结构优化,确定其最优工作参数;通过田间试验对仿真试验进行验证。主要研究内容与结论如下:(1)楔形减阻旋耕刀结构设计。基于切削力学模型设计一种楔形减阻旋耕刀,分析了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀切削部(正切刃与侧切刃)任一截面受力,得出楔形减阻旋耕刀切削阻力小于国标旋耕刀;基于理论分析,初步确定楔形减阻旋耕刀折弯角、正切面高度及折弯半径分别为120°、50 mm与30 mm,并建立其功耗模型。(2)静力学强度分析。采用HyperMesh-Abaqus软件对国标旋耕刀和楔形减阻旋耕刀进行静态仿真。结果表明:国标旋耕刀最大应力为348.7 MPa,楔形减阻旋耕刀最大应力为308.8 MPa,2种旋耕刀(材料为60Si2Mn)最大应力均在刀具材料的屈服强度1000 MPa以下。(3)动力学分析,仿真优化旋耕刀。选用Drucker-Prager准则,构建“旋耕刀-土壤”的动态切削模型,探究旋耕刀切削土壤的微观过程,以切削阻力与功耗为指标,对楔形减阻旋耕刀的结构及工作参数进行优化。结果表明:在旋耕作业过程中,楔形减阻旋耕刀所受应力随时间和接触土壤面积的增大而增大;其所受应力最大值为247.3MPa,远小于刀具材料的屈服强度;设计正交试验,确定楔形减阻旋耕刀最优结构参数为:折弯角122.5°,正切面高度51.4 mm,折弯半径28.5 mm;最优工作参数为:前进速度4.10 km/h,转速300 r/min,优化后的楔形减阻旋耕刀(简称优化楔形旋耕刀)切削阻力与功耗达到最优值,其平均切削阻力较国标旋耕刀降低8.81%,平均功耗较国标旋耕刀降低8.56%。(4)田间性能试验分析。以扭矩、功耗和碎土率为评价指标,改变拖拉机前进速度,对国标旋耕刀与优化楔形旋耕刀进行田间对比试验。结果表明:在最优工作参数下,优化楔形旋耕刀与国标旋耕刀的实际功耗与仿真试验趋势相同,且平均功耗的误差(0.07%)在可容许范围之内;前进速度对功率消耗及碎土质量影响显著;相同工况下,优化楔形旋耕刀扭矩、功耗、碎土率均优于国标旋耕刀,其平均扭矩较国标旋耕刀下降7.65%,平均功耗降低7.87%,而碎土率则提高4.23%,耐磨性能与国标旋耕刀持平,能够达到在降低作业功耗的同时,提高耕作质量并保证刀具使用寿命。