物料筛分是机械化联合收获中的重要环节。筛分环节的物料堵塞会导致筛分效率迅速降低、清选损失迅速增加。在我国油菜机械化收获方面,由于收获期油菜茎秆含水率高、籽粒成熟度不一致等原因导致脱出物湿度高、粘性大,使得机械化收获时清选筛面容易被物料堵塞,严重制约了油菜机收率的提高。另一方面,随着我国主要粮食作物机收率的大幅提高和收获技术的不断升级,由机具脱粒结构形式(如纵轴流结构)或大喂入量等因素在筛分环节导致的物料偏置、堆积堵塞问题也开始得到重视,需要对传统往复式筛分方式作出改进。仿生研究是近年来的热门研究领域,为解决各行业领域内的相关问题提供了诸多行之有效的解决之道和有益启发。本文针对上述农业物料筛分环节面临的两种堵塞问题,分别从表面仿生和运动仿生的角度入手,通过理论分析、数值计算、软件模拟和台架试验等手段,对农业物料仿生防堵筛分中的非光滑表面摩擦减阻机理、变振幅筛分技术、颗粒群分散迁移运动特征和不同颗粒能量吸收率等进行了深入研究。本文的主要内容如下：(1)为揭示仿生非光滑表面对油菜物料的减阻机理,分别从试验结果分析和理论建模分析两个方面研究分析了油菜茎秆与仿生非光滑表面之间的摩擦减阻现象。在往复摩擦试验方面,从黏滞滑动摩擦的角度出发,定义了往复摩擦力相图中的黏滞距离L并藉此对往复摩擦试验结果进行了分析。结果表明：油菜茎秆与金属表面之间的往复摩擦包含了滑动摩擦和黏滞摩擦；凹坑和凸包表面都能在往复频率增大的条件下使其与油菜茎秆之间的摩擦力幅值减小约200N；凹坑表面的黏滞距离L与光滑表面相同,但凸包表面的黏滞距离L比光滑表面的大,在一定程度上解释了田间试验中凸包表面减阻效果优于凹坑表面的结果。在理论建模分析方面,对非光滑金属表面与油菜茎秆之间往复摩擦时垂直方向出现的微振现象建立了物理和数学模型,并给出了理论算例,从理论上解释了往复摩擦试验中产生垂直微振的机理。理论值与实测值的对比分析表明：当比例因子η≠1时,由每个凸包产生的冲击响应中都包含受迫振动响应和自由振动响应,阻尼c导致自由振动响应逐渐衰减；在ζ=0.2、η=2时的理论计算结果与实测试验所得的垂直位移大致吻合；在往复频率为5Hz时,理论计算的振动幅值变化规律与实测垂直位移的变化规律吻合程度较好,在低频摩擦(1.67Hz)时实测值较高,在高频摩擦(8.33Hz和11.67Hz)时理论值较高。(2)基于高速摄像和目标图像跟踪技术,从运动仿生的角度对人类使用簸箕进行簸扬操作的过程进行了研究,得到了簸箕底面前端和后端标记点的运动轨迹。分析结果表明：簸箕底面前端的运动轨迹可归纳为“扬”、“落”、“送”3个阶段,且整个簸扬运动过程可分解为2个平动和1个转动；“扬”和“送”的阶段均有利于物料的分散、后移。受人工簸扬仿生研究结果的启发,基于经典吊杆式筛分结构,构建了一种连杆式变振幅筛分机构,并采用多体动力学软件Adams获得了变振幅筛面的运动位移和筛面转角γs。通过理论推演,基于获得的变振幅筛面标记点运动位移数据,计算并分析了变振幅筛面各点的振幅|ri|、振动方向角βi和局部抛掷强度Dp及其受前吊杆倾角αd的影响。(3)为便于颗粒运动模拟,基于机构分析中获得的变振幅筛面运动特点,从“单向耦合”的角度出发对变振幅筛面运动进行了3自由度运动分解(2平移-1转动)。以水稻籽粒和茎秆的混合颗粒群为农业物料代表,以振动频率f和前吊杆倾角αd为控制因素,使用通用离散元软件EDEM对变振幅筛面的颗粒群运动进行了模拟试验。根据研究需要,依据统计学原理定义并计算、分析了颗粒群的横向扩张系数δx(t)、垂直扩张系数δz(t)、变形系数φb(t)、分层系数λf和迁移系数γq(j)。结果表明：前吊杆倾角αd对横向扩张系数δx(t)影响较大(在15°时使δx(t)最大)；振动频率f对颗粒群的迁移系数γq(j)影响较为明显但不稳定,增大前吊杆倾角αd能在全部筛面长度范围内提升颗粒群的迁移能力。(4)从能量的角度对变振幅筛分中运动颗粒的动能(E谷粒和E茎秆)、势能(W谷粒和W茎秆)及其吸收率(XE和XW)进行了研究,着重分析了变振幅筛分中前吊杆倾角αd和振动频率f对颗粒群中谷粒和茎秆的动能、势能及其吸收率的影响,从能量的角度反映颗粒群的运动特征。研究结果表明：筛面前端的谷粒和茎秆在混合颗粒群中的活跃程度类似；前吊杆倾角αd在45°时颗粒动能显著增大,但动能吸收率XE明显降低,此时增加振动频率能较显著地增大颗粒动能；增大前吊杆倾角αd能显著增大颗粒势能,在15。和30°时颗粒势能吸收率较高。(5)构建了变振幅筛分试验台,以水稻颗粒为农业物料代表,采用高速摄像技术对10种前吊杆倾角条件下(αd在0。～45。之间每隔5。调整一次)的筛面颗粒群运动进行了图像采集,定义并使用图像技术测量了试验中颗粒群运动衡量指标Scx(颗粒群中心横向位移)、S1(颗粒群前端距离)、S2(颗粒群长度)和S3(颗粒群厚度)。通过对比同等条件下离散元仿真试验和台架试验中分别在1个周期内和连续8个周期内的序列图像,验证了仿真试验中对变振幅运动筛面进行3自由度运动分解的可行性,也表明仿真试验中的颗粒运动结果是正确的。分析颗粒群运动指标可知,增大前吊杆倾角αd(尤其超过15°之后)能迅速增强筛面颗粒群的后移程度。本文结合仿生思维对农业物料防堵筛分中的摩擦和颗粒运动开展研究,不仅从理论上深化原有的仿生减阻研究,还将扩展仿生研究在农业装备领域的涉及面,对解决机械化收获中清选环节的物料堵塞问题和促进农业装备领域的仿生研究都具有重要的理论意义和实用价值。