农业机械触土部件在粘重土壤中作业时,土壤粘附严重,直接导致生产效率降低、油耗增加,此外,土壤对触土部件的磨损使其使用寿命降低,增加经济成本。克氏原螯虾(Procambarus clarkii)通过自身不断的进化,能够在粘重的红壤土中自由掘洞,这就要求克氏原螯虾外骨骼在与湿粘土壤接触过程中,不仅能够减小粘附、降低阻力,而且具有耐磨功能,以更好地适应恶劣的土壤内部环境。研究克氏原螯虾减粘降阻和耐磨机理,可以为新型农机具触土部件的设计提供仿生学依据,进而实现新型机具触土部件在粘重土壤中作业时,具有减粘降阻和耐磨的功能的目的。本文以生物仿生学的研究方法为基础,选取生活于云南粘重土壤的克氏原螯虾作为生物原型,对其能够实现减粘降阻和耐磨功能的生物耦合特性展开研究,并以此为基础,对仿生凸包结构进行优化耦合设计,设计仿生微刺-凸包结构,并进行土槽试验和摩擦磨损试验,最后评估具有仿生微刺-凸包结构的仿生深松铲铲尖的减阻性能、仿生微刺-凸包非光滑表面试样的耐磨损性能。具体从以下几个方面开展研究内容:(1)为了对克氏原螯虾外骨骼轮廓曲线进行几何量化分析,采用逆向工程技术,使用白光三维扫描仪建立克氏原螯虾螯部、头胸部和腹部的三维模型,用Imageware软件获取三维模型轮廓截面曲线点云数据,导入Matlab软件建立数学方程,并计算曲线二阶导数和曲率,分析曲线凹凸性及曲率变化规律。结果表明:头胸部外骨骼表面有明显沟槽结构,其横截面轮廓曲线呈凹凸性变化,且曲线曲率变化较大,使外骨骼与土壤接触面积减少,有利于减少土壤粘附与摩擦。头胸部与土壤接触面积大,承受土壤载荷较多,在减粘降阻和耐磨方面极具研究价值。(2)对克氏原螯虾头胸部外骨骼组成成分、微观形态与纳米力学性能进行分析。利用X射线荧光光谱仪、X射线衍射仪、电子显微镜和透射电镜,对克氏原螯虾头胸部外骨骼的组成成分及物相、表面微观结构和截面微观结构进行观察和分析,利用原子力显微镜观察其表面纳米级形态特征;利用纳米压痕仪对其头胸部外骨骼的纳米力学性能进行了测量。结果表明:头胸部外骨骼坚硬,其中钙含量为36.39%,大量非晶矿物质存在;表面有微小凸包,凸包一侧有刚毛,呈现非光滑表面,非光滑表面上分布纳米级沟槽,构成微-纳米结构;克氏原螯虾的头胸部外骨骼分为上表皮、外表皮和内表皮,其中上表皮外层附有极薄的腊质层,靠近上表皮有密布孔道的钙盐沉积层,起到承受载荷的作用,外表皮和内表皮是由螺旋夹板层构成,螺旋夹板层呈蜂窝状结构,起到缓冲和减震的作用;其头胸部外骨骼纳米硬度和弹性模量呈现非均匀性,平均纳米硬度和弹性模量分别为0.503 Gpa和18.019 Gpa。克氏原螯虾头胸部外骨骼化学成分构成、表面微观形态及表皮特殊结构耦合作用,使其头胸部外骨骼具有减粘降阻和耐磨的功能。(3)对克氏原螯虾头胸部外骨骼进行脱钙和脱蛋白处理后,利用电子显微镜观察其截面结构,利用摩擦磨损试验机测量其头胸部外骨骼的摩擦因数。分析结果表明:钙盐在螺旋夹板层中呈现针簇状的梯度分布;摩擦行为刚开时摩擦因数最小,不足0.1,随着摩擦行为的持续,摩擦因数逐渐变大且呈现跳跃性变化。头胸部外骨骼中,钙盐不均匀的梯度分布及其表皮特殊结构共同作用,使头胸部外骨骼在摩擦时,摩擦因数在一定区间内呈现跳跃性变化。(4)根据克氏原螯虾头胸部外骨骼表面的凸包、刚毛复合结构,设计3种仿生微刺-凸包结构,并利用工程仿生方法应用于深松铲铲尖,设计仿生单微刺-凸包深松铲、仿生双微刺-凸包深松铲、仿生三微刺-凸包深松铲,进行土槽试验验证其减阻性能。试验结果表明:在土壤含水率为20.62%时,仿生三微刺-凸包深松铲铲尖减阻效果优于仿生凸包深松铲铲尖和普通深松铲铲尖,且减阻效果组好。(5)设计摩擦磨损试验平台,进行摩擦磨损试验,验证3种仿生微刺-凸包结构非光滑表面的耐磨性能。试验结果表明:相同试验条件下,仿生双微刺-凸包非光滑表面的耐磨性能优于仿生凸包非光滑表面和光滑表面,磨损量质量最少。所得结论能够为农机具触土部件的仿生设计提供依据,使农业机械触土部件在粘重土壤中作业时,能够具有减粘降阻和耐磨的功能,以满足现代农业生产对节能降耗的要求。