棉花是新疆的主要经济作物,种植成本低,经济效益好,同时也是种植面积最大的农作物。随着农村经济的发展和农业劳动力的减少,越来越多的棉秆被遗弃田间或烧毁,造成了棉秆资源的极大浪费和对环境的严重污染。机械化棉秆还田是实现棉秆还田的主要方式,具有便捷、快速、低成本的优势。茎秆粉碎还田机从结构上主要分为卧式和立式两种。目前我国对卧式茎秆粉碎还田机的研究较为广泛,但对立轴式茎秆还田机的研究较少。因此,在立轴式茎秆还田机的基础上,设计一种新型棉秆切割装置,对解决我国机械化棉秆还田以及农业可持续发展具有重要意义。本文在查阅棉秆力学特性、切割机理和切割装置相关文献的基础上,对新疆棉花的栽培方法和种植模式进行了实地调研,获得了棉株田间生长的行距、株距、最低侧枝高度、棉秆不同部位的直径等物理特性参数;测定了棉秆含水率随时间的变化规律;进行了棉秆剪切力学特性试验,确定了棉秆试样不同部位剪切力随剪切位移的变化和破坏载荷随含水率的变化。根据棉秆切割试验的设计要求,确定了总体设计方案和工作过程,并对试验台进行功能分解。试验台包括切割装置、输送装置、棉秆夹持装置和数据采集系统。根据切割类型和运动学分析,设计了切割器和切割装置。根据棉秆物料特性和试验要求,设计了输送装置和棉秆夹持装置。确定了数据采集系统的方案。根据试验台功率消耗和数据精度要求,确定了变频电动机、变频器和转矩转速传感器的型号。利用Solidworks软件对切割试验台实体建模,并运用Ansys Workbench软件对关键零部件进行了有限元分析。对切割机架的结构进行了优化分析,校核了锯片、切割主动轴的强度,并对其进行了模态分析。分析结果表明,优化后的切割机架、锯片、切割主动轴均满足要求。通过正交旋转组合设计试验,利用Design-Expert 8.0.6软件进行数据分析,得到了试验因子切割转速、输送速度和切割器倾角对试验指标切割功耗和割断率的影响。采用多目标优化的方法进行模型优化,得到满足性能指标的试验因子最佳组合,同时对优化参数与优化区域进行了分析。