深松铲作为深松耕作的核心部件之一,对深松作业质量和效率起着至关重要的作用,但现有深松铲存在耕作阻力大、表面粘附和磨损严重以及能耗高等问题。本研究针对上述问题运用耦合仿生原理、离散元方法以及金属表面合金化等手段,对深松铲进行结构优化设计和表面合金化处理,旨在降低深松铲的耕作阻力,提高其耐磨性能和防粘附性能。本研究通过对狗獾爪趾曲线和穿山甲鳞片表面结构特征的观察分析,利用三维设计软件建立双耦合仿生减阻深松铲的三维模型,运用离散元法仿真模拟和田间试验验证双耦合仿生减阻深松铲的减阻、防粘附性能。深松部件的表面合金化是一种改善部件表面耐磨性的一种方法,本研究利用等离子喷涂技术在铲体表面喷涂Ni60合金粉末涂层与Ni60+Ce₂O₃+纳米SiO₂混合涂层,通过田间试验对比两种涂层的耐磨性能。本研究的主要内容和结论如下:1)研究了吉林省公主岭市试验田和河北省藁城区试验田的土壤物理特性和力学特性,包括土壤含水率、密度、坚实度、内聚力和内摩擦角;2)通过对狗獾爪趾的观察分析,利用MATLAB软件提取狗獾爪趾的特征曲线,并对曲线进行拟合得到了仿生曲线方程;通过对穿山甲鳞片表面结构特征的观察分析,得到了穿山甲鳞片表面结构的相关特征参数。结合提取的仿生曲线和仿生结构设计了6种不同型号的双耦合仿生减阻深松铲,不同之处在于深松铲表面凹槽仿生结构的深度、凹槽仿生结构边缘圆角的大小、是否具有凹槽仿生结构以及铲柄厚度等,对深松铲铲尖和铲柄进行了受力分析,将土壤比压、比阻等应用于深松铲的受力分析中,给出了深松铲工作阻力的力学计算方法;3)以吉林省土壤颗粒模型为例,运用离散元法对所设计的双耦合仿生减阻深松铲进行模拟仿真,分析双耦合仿生减阻深松铲的耕作阻力、土壤扰动等情况,仿真结果表明,双耦合仿生F5J5型、仿生F5-40型、仿生F5型深松铲的仿真减阻效果较好;双耦合仿生F5J5型深松铲的土壤扰动最小;同时表明,仿生凹槽结构的深度、边缘圆角的大小对深松作业有影响,凹槽深度越深减阻效果越好,土壤扰动也越小;4)在河北省和吉林省分别对双耦合仿生减阻深松铲进行了田间试验,试验结果表明,在耕作深度30cm和3个不同速度下,双耦合仿生F3型减阻深松铲在河北试验的平均减阻率为15.14%,在吉林试验的平均减阻率为10.54%,;在耕作深度35cm和3个不同速度下,双耦合仿生F5型减阻深松铲在河北试验的平均减阻率为14.54%,在吉林试验的平均减阻率为14.97%,对比双耦合仿生减阻深松铲的整体减阻效果,最优的铲型为双耦合仿生F5-40型,两地的减阻率分别为17.42%、27.24%。对两地试验田的耕作阻力进行对比分析,得出在同一耕作速度、同一耕作深度下,河北省试验田的平均耕作阻力略大于吉林省试验田的平均耕作阻力;5)等离子喷涂Ni60+Ce₂O₃+纳米SiO₂混合涂层的双耦合仿生减阻深松铲比喷涂单一的Ni60涂层的双耦合仿生减阻深松铲减阻效果明显,且具有明显的减粘脱附效果;喷涂Ni60+Ce₂O₃+纳米SiO₂混合涂层的双耦合仿生减阻深松铲耐磨性明显提高,对比未喷涂的双耦合仿生减阻深松铲未发现明显的磨损现象。