运用仿生学原理解决工程实际问题已经成为当今世界科学技术发展的一大进步。现代仿生学的研究与应用几乎已经渗透到工农业生产的各个领域，包括农业机械领域。磨损严重和耕作阻力大一直是农机耕作机械多年来未能很好解决的两大技术难题。特别对于典型农机触土工作部件深松铲，其作业特点是工作阻力大，能耗高，铲刃的土壤磨损严重，使用寿命短。本研究以结构仿生、功能仿生为手段，对深松铲进行结构优化设计，降低其耕作阻力，并提高深松铲刃的耐磨性能。某些水生软体动物壳体，如贝壳、蛤蜊壳，在其生存环境中长期承受水砂石的磨料磨损，但却表现出了优良的耐磨性能。典型土壤洞穴动物穿山甲的体表鳞片在其活动与捕食过程中承受土壤及砂石的反复磨损，同样展现出非凡的耐磨性能。上述两种生物之所以具有如此优异的耐磨特性，一方面与耐磨组织器官的材料组成有关，而另一方面是器官表面微观或宏观的几何结构起到了不可忽视的作用。土壤对深松铲刃的磨料磨损形式与上述两种生物体表耐磨组织器官的磨损形式非常相近。受到这一启发，本研究将栉孔扇贝的壳体、穿山甲体表鳞片作为仿生原型，并将这种优良特性应用于深松铲刃的耐磨设计。研究发现，贝壳和穿山甲鳞片的外表面均有呈放射状分布的棱纹形几何结构。利用逆向工程技术对两种研究对象外表面的棱纹几何结构信息进行了提取，得到了棱纹结构横截面的轮廓坐标点分布。根据坐标点的分布形态，选用正弦函数曲线对坐标点进行了数学拟合，对拟合的近似程度进行了评估，得到了拟合曲线及方程。拟合方程的一般形式为： f (x)=asin(bx+c)，利用这一数学模型，对深松铲刃的触土表面进行耐磨结构仿生设计。根据深松铲刃在实际作业过程中的农艺要求，并充分考虑了加工工艺性等因素，最终确定铲刃表面的棱纹条横截面的轮廓线方程具体形式为： f (x)=1.3sin(0.4x)，棱纹条底宽D=5mm，高H=1.3mm。棱纹条在深松铲刃表面的分布间距分别为1D，1.5D和2D三种不同形式，其长度与铲刃的宽度相等。根据上述设计方案，选用65Mn和T10两种耐磨钢设计制备仿生耐磨深松铲刃试样，并在磨料磨损试验机上与同一材料的普通平板型深松铲刃试样进行土壤磨料磨损试验。对试验样件的磨损量分析结果表明，对于所有类型的试样，在相同试验条件下，仿生棱纹形样件的磨损量均明显小于普通平板型，减小幅度为7.1%-44%，说明仿生棱纹形几何结构可以显著提高深松铲刃的耐磨性能。而且随着相对滑动速度的升高，试验样件的磨损量随之增大，证明相对滑动速度对样件的磨损量影响显著。同种材料的仿生棱纹形深松铲刃的磨损量对比分析结果显示，分布间距为1.5D型的铲刃磨损量明显小于1D型和2D型，由此证明，棱纹结构的分布间距对铲刃的耐磨性具有显著影响，且1.5D型的棱纹分布间距最有利于提高深松铲的耐磨性。同种类型(棱纹分布间距或平板型)不同材料的试样在相同试验条件下的磨损量对比分析结果表明，T10钢样件的磨损量均小于65Mn的，说明T10钢的耐磨性明显高于65Mn。这可为以后深松铲刃耐磨性提高之加工制造材料的选择提供理论依据。经过亿万年的进化，自然界中某些生物的身体器官具备了某种特殊功能。如典型土壤洞穴动物小家鼠，其爪趾即进化出了极其高效的土壤挖掘功能。这可以为深松铲的减阻结构设计提供仿生参考。本研究以小家鼠具有高效挖掘功能的爪趾为仿生原型，以降低深松铲的耕作阻力为目标，对深松铲的铲柄破土刃口曲线形式进行结构仿生设计。研究发现，深松铲的耕作阻力主要来自于铲柄破土刃口对坚硬土层的犁切作用，因此，降低铲柄破土刃口的切土阻力将会使深松铲耕作阻力显著下降。研究发现，小家鼠爪趾的纵剖面上表面轮廓线具有指数特征，其方程的具体形式为：Y=66.61e0.0117X+17.78e0.1835X。将爪趾轮廓拟合曲线应用于深松铲铲柄的破土刃口曲线结构设计之中，设计制备了指数函数曲线型仿生减阻深松铲。在室内土槽实验室与L型、倾斜型、抛物线型三种类型的深松铲进行了耕作阻力对比试验。耕作阻力对比分析结果表明，耕深和前进速度对深松铲的耕作阻力具有显著影响。在相同试验条件下，指数函数曲线型深松铲的耕作阻力均小于其它三种类型，阻力降低幅度为7.9%-58.7%，说明指数函数曲线型深松铲具有明显的减阻效果。利用指数函数曲线型深松铲与普通圆弧型深松铲在田间进行了耕作阻力试验，结果表明，在相同试验条件下，指数函数曲线型深松铲的耕作阻力明显小于普通圆弧型深松铲，阻力降低幅度为8.5%-39.5%，由此更进一步证明指数函数曲线型深松铲具有优良的减阻性能。对两种类型深松铲的耕层土壤扰动横剖面形貌进行了分析，结果显示，指数函数曲线型深松铲耕作后的土壤直缝较窄，土壤隆起的程度较小，说明对表层土壤的扰动作用小，更有利于提高耕后土壤的蓄水保墒能力。对仿生深松铲柄和仿生深松铲刃的协同减阻性能进行了土槽耕作阻力试验研究，结果表明，在相同试验条件下，与传统平板型深松铲刃相比，仿生棱纹形深松铲刃可以有效减小深松铲的耕作阻力。三种类型的仿生深松铲刃中，1.5D型深松铲刃的减阻效果最佳。利用离散单元法对指数函数曲线型深松铲和抛物线型深松铲的土壤耕作过程进行了数值模拟，结果显示，指数函数曲线型深松铲的应力场和速度场均明显小于抛物线型，这一模拟结果再一次证明了指数函数曲线型深松铲优异的减阻性能。