我国丘陵山区占全国耕地总面积的63.2%,耕地狭小且分散、缺乏机耕道,微耕机以其结构简单、重量轻、体积小及田间转移方便等优点,成为我国丘陵山区现阶段不可或缺的农业机械。由于土地整治建设任务的长期性和艰巨性,可以预计在今后相当长的一段时期内,微耕机仍将在我国丘陵山区农业耕整地作业中扮演重要角色。然而内燃机微耕机作业过程中的强烈振动不仅影响机器的操作舒适性,而且可能会对操作人员感觉神经、肌肉、骨骼和关节等造成损害,为降低微耕机的振动,课题组研发了一款可用于丘陵山区大田旱地耕整地作业(耕深>10cm)的新型蓄电池类电动微耕机。作业功耗和振动特性作为衡量蓄电池类电动微耕机作业性能的两个关键指标,存在一定的对立性。如何综合考虑作业功耗和振动特性,同时降低电动微耕机的作业功耗和振动,提高电动微耕机的作业性能,已经成为电动微耕机能否在丘陵山区得到广泛应用的关键因素。本论文以电动微耕机作业功耗与振动特性为研究对象,通过理论分析和旋耕弯刀切削土壤动力学仿真,从旋耕弯刀切削土壤微观机理出发对旋耕弯刀几何参数进行优化,以降低电动微耕机的作业功耗;采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法对电动微耕机作业过程中的振动及其传递特性进行研究,并从机架结构优化的角度出发寻求降低电动微耕机扶手处振动的有效措施;加工得到优化后的旋耕弯刀和机架,通过田间试验对优化后的旋耕弯刀和机架降耗及减振效果进行验证;构建电动微耕机功耗振动综合作业性能评价参数对电动微耕机作业功耗和振动特性进行综合分析,主要结论如下:(1)为降低电动微耕机作业功耗,利用光滑粒子流体动力学,建立“旋耕弯刀-土壤”切削模型,对旋耕弯刀切削土壤过程和功耗进行仿真分析,得到旋耕弯刀单刀切削土壤仿真功耗为0.294 kW。根据旋耕弯刀切削土壤功耗模型及旋耕弯刀切削土壤动力学仿真分析中粒子运动情况,选取旋耕弯刀正切部弯折半径r、滑切角τ及正切面与刃口至刀辊中心连线间的夹角δ为试验因子,旋耕弯刀切削土壤仿真功耗为试验指标,采用非线性优化计算方法,确定当r为36.7 mm,τ为47.8°,δ为60.4°时,旋耕弯刀切削土壤功耗最小,单刀切削土壤仿真功耗为0.258 kW,比现用旋耕弯刀降低了12.24%;将优化前后的旋耕弯刀分别组装为优化前后的旋耕刀辊(4×3,即每个刀盘安装4把弯刀,3个刀盘),得到优化后旋耕刀辊切削土壤仿真功耗为0.789 kW,与优化前(现用)旋耕刀辊(0.896 kW)相比,切削土壤仿真功耗降低了11.94%。(2)为探讨电动微耕机振动传递特性,选取电动微耕机旋耕刀辊、支撑架与扶手架相连处及左右扶手处的振动特性为测试指标进行振动特性田间试验,结果表明:当电动微耕机在快档(常用耕整地档位,前进速度0.5 m/s)作业时,由旋耕刀辊经支撑架与扶手架相连处传递到扶手处(取左右扶手处振动加速度值的平均值)的X(前后)、Y(左右)、Z(竖直)方向振动加速度值降低、振动幅值增加,振动加速度值在X、Y、Z方向分别由7.23 m/s~2、6.39 m/s~2、10.12 m/s~2降低到3.45 m/s~2、3.64 m/s~2、8.10 m/s~2,振动幅值分别由1.20 m/s~2、1.06 m/s~2、2.29 m/s~2增加到2.66 m/s~2、2.49 m/s~2、6.80 m/s~2;电动微耕机扶手处Z方向的振动加速度值和振动幅值在X、Y、Z三个方向中最大,对扶手处的振动影响也最大。(3)为降低电动微耕机扶手处的振动,基于电动微耕机机架计算模态分析和试验模态分析对电动微耕机机架进行拓扑优化并进行仿真验证,结果表明:由计算模态分析得到的优化后机架第1阶固有频率为13.42 Hz、最大振动幅值为27.12mm,与优化前机架由计算模态分析得到的第1阶固有频率(17.25 Hz)和最大振动幅值(34.41 mm)相比,第1阶固有频率降低了22.20%且偏离了人前臂共振频率范围(16~30 Hz),最大振动幅值减小了21.18%;将优化后机架组装为电动微耕机,由Simulink仿真得到其扶手处Z方向振动加速度值为7.16 m/s~2,与由Simulink仿真得到的机架优化前电动微耕机扶手处Z方向振动加速度值(7.89 m/s~2)相比,降低了9.25%。(4)以作业功率和患“白指病”(患病概率10%)暴露时间为电动微耕机作业功耗和振动特性评价指标,基于电动微耕机实际作业档位及作业时间,构建了电动微耕机功耗振动综合作业性能评价参数。对优化前后旋耕刀辊搭配优化前后机架不同组合下的电动微耕机功耗振动综合作业性能参数进行评价,结果显示:优化后旋耕刀辊搭配优化后机架的电动微耕机综合作业性能最佳,与现用电动微耕机(优化前旋耕刀辊搭配优化前机架)相比,重量由50 kg降为46.04 kg,降低了7.92%,作业功率由1.76 kW下降为1.55 kW,降低11.93%,患“白指病”的暴露时间(值越大,表示所受振动越小)由6.16年延长至7.38年,提升19.81%,达到了同时降低作业功耗和扶手处振动的目的。