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深松作业是保护性耕作的重要技术手段之一，能够打破犁底层，减轻土壤扰动，提高土壤蓄水保墒能力，促进植物根系生长。然而，过大的深松阻力是限制深松技术推广的主要原因之一，如何减小深松阻力是目前深松作业急需解决的问题。学者们从不同的角度做了大量的研究，包括振动、电渗、仿生、表面改形改性等技术手段，普遍认为振动深松及仿生技术能达到较好的减阻目的。
然而，振动深松技术尚存在较多问题。根据振动源的不同，可将振动深松机械分为自激式振动及强迫式振动两种。自激振动一般选用弹簧或其他弹性元件作为振动源，田间作业时波动的深松阻力传递到弹簧上，从而产生波动，达到减阻的目的。这种方式能够在不外接动力的情况下产生振动，但振动参数不可控，会随实地情况发生变化，弹簧劲度系数的选用也会直接影响振动效果，且由于弹簧的柔性容易使深松铲入土角发生变化，导致减阻效果不佳，甚至反而增加阻力。强迫振动式深松机需要外加激振器，一般以拖拉机输出轴作为能量来源，通过连接装置将动力输出到激振器上，使深松铲按照一定的频率及振幅振动，驱振方式一般为凸轮或偏心轴等，这种振动方式优点是振动频率及振幅可控，普遍具有减阻效果。然而，在减阻的同时会伴随拖拉机能耗的增加，一般能耗的增加量高于减阻省下的能耗，因此整体能耗比不振动时略有增加。
针对深松减阻技术现状，本文以典型土壤动物蚁狮幼虫及土壤洞穴动物竹鼠为仿生原型，将非光滑表面仿生及行为仿生技术应用在深松领域。开发出了基于偏振电机的强迫振动及结构耦合仿生节能减阻深松铲，这种深松铲频率可调，且最大频率较大，能以较小的振动能耗获得较好的减阻效果，实现既节能又减阻的目的，减阻率与节能率均能达到20%以上。同时，将蚁狮幼虫非光滑表面结构应用于深松铲铲尖的设计上，也有较好的减阻效果。结合试验与理论分析，具体研究内容如下。
基于蚁狮幼虫体表的非光滑减阻研究。利用三维扫描仪获得了蚁狮幼虫的整体轮廓，提取蚁狮幼虫后臀部横截面曲线，拟合并放大，得到拟合方程y=-0.0813x2+3.2514x-0.0823，将这一曲线方程应用在仿生深松铲的设计上。通过体视显微镜和扫描电子显微镜获得了蚁狮幼虫多级的非光滑体表结构，测量了蚁狮幼虫各级非光滑体表结构尺寸范围。建立了光滑表面土壤摩擦模型与非光滑表面土壤运动模型，对比两种模型，分析了非光滑表面减阻机理。在土壤松散系数与内摩擦系数关系的理论下，通过公式推导了非光滑减阻表面凸起高度与两个凸起间距离及运动速度的关系，即凸起高度与两凸起间距的平方成正比，与运动速度的平方成反比，并利用蚁狮幼虫结构尺寸验证公式的有效性。
基于蚁狮幼虫高频振动的仿生深松设备设计。通过高速摄像机获得了蚁狮幼虫在不同的土壤环境下局部微振动的参数，在其自然生长环境下，后臀部上下振动频率为9.97Hz，左右振动频率为20.57Hz，上下振动振幅为2.63mm，左右振动的振幅为0.44mm。以蚁狮幼虫为仿生原型，类比蚁狮幼虫后臀部高频微振动引起的土壤局部“液化”效果，设计出两种强迫振动深松机，其中一种通过液压马达驱动，另一种通过偏振电机带动深松机高频振动，并设计了一种仿蚁狮幼虫振动及结构耦合减阻深松铲通用铲尖，通过铲尖局部高频振动的方式，在满足减阻效果的同时大幅度地减小附加能耗。
基于竹鼠挖掘特性的仿生深松铲设计与仿真分析。通过高速摄像获取了竹鼠挖土特征，竹鼠挖掘时几个爪趾散开并垂直切入土壤，用爪趾及掌部将土壤拨到身体下方，并用后爪进一步将土壤抛到身后。其前爪单个爪趾完成一次挖掘约耗时350ms，后爪趾完成一次排土约耗时600ms。通过三维扫描仪获取了竹鼠爪趾轮廓参数，对竹鼠爪趾掌心曲线拟合放大，得到拟合方程为y=9.58e0.054x；对竹鼠爪趾爪尖截面轮廓拟合放大，得到拟合方程为y=-0.3684x2+3.0672x-0.034。将竹鼠挖掘特征、竹鼠爪趾结构曲线、蚁狮后臀部截面轮廓曲线应用在仿生偏柱式深松铲的设计上，利用EDEM仿真软件对几种不同结构的偏柱式深松铲对比，最高减阻率可达12.92%，验证了竹鼠和蚁狮仿生在深松减阻方面的有效性。
振动及非光滑表面减阻原理分析与深松铲研制。分析了非光滑表面在土壤、散体、水膜界面流体领域的减阻机理，提出了两种非光滑减阻表面设计方法。基于土动力学理论阐述了农业机械触土部件振动减阻原理，讨论了振动频率、振幅对农业机械触土部件振动减阻效果的影响，总结了一种农业机械触土部件振动减阻设计方法。根据非光滑表面减阻与农业机械触土部件振动减阻设计方法，设计了多种组合式强迫振动及非光滑结构耦合仿生深松铲并加工成型，以期应用于大田试验。
强迫振动及非光滑结构耦合仿生深松铲田间试验。在本试验中，春秋两季大田试验表明，偏振电机带动下的深松铲减阻节能效果明显，且100W偏振电机带动下的深松铲减阻效果优于60W偏振电机。在100W偏振电机带动下，深松铲阻力可降低27.75%，总能耗可降低26.06%；在60W偏振电机带动下，深松铲阻力减小19.49%，总能耗降低18.38%，偏振电机式强迫振动深松铲既能达到减阻效果，又能降低深松总能耗，且深松阻力随着振动频率的增加逐渐降低。本试验中，上凸型曲面深松铲铲尖阻力小于平面型深松铲铲尖；非光滑结构深松铲铲尖阻力小于光滑型深松铲铲尖；本研究中仿蚁狮幼虫曲面深松铲铲尖减阻效果最明显。在深松深度方面，随着深松深度增加，深松阻力急剧增大，犁底层区域出现在地表以下20cm~30cm间。对比深松深度20cm、30cm、40cm条件下的深松阻力，以20cm深度为标准，30cm深处阻力平均增加37.69%，40cm深处阻力平均增加69.44%。本试验条件下，结构相似的深松铲，铲面宽度越大，阻力越大，深松阻力与铲面宽度的平方成正比，本试验中拖拉机前进速度对深松阻力的影响不明显，原因可能是偏振电机的振动影响了前进速度对深松阻力的影响。
本文通过研究蚁狮幼虫的局部微振动挖掘入土特性，将土壤局部振动“液化”现象应用于深松铲减阻领域，利用偏振电机带动深松铲振动，以较小的能耗产生高频可控振动，使深松铲周围局部土壤发生“液化”，土壤抗剪切力急剧下降，达到既减阻又节能的效果。并从不同角度系统地阐述了非光滑表面结构参数与减阻之间的关系，系统地分析了土壤振动减阻理论，提出了农业机械触土部件振动减阻设计方法，为农业机械触土部件的减阻设计提供技术指导，具有重要意义。
然而，振动深松技术尚存在较多问题。根据振动源的不同，可将振动深松机械分为自激式振动及强迫式振动两种。自激振动一般选用弹簧或其他弹性元件作为振动源，田间作业时波动的深松阻力传递到弹簧上，从而产生波动，达到减阻的目的。这种方式能够在不外接动力的情况下产生振动，但振动参数不可控，会随实地情况发生变化，弹簧劲度系数的选用也会直接影响振动效果，且由于弹簧的柔性容易使深松铲入土角发生变化，导致减阻效果不佳，甚至反而增加阻力。强迫振动式深松机需要外加激振器，一般以拖拉机输出轴作为能量来源，通过连接装置将动力输出到激振器上，使深松铲按照一定的频率及振幅振动，驱振方式一般为凸轮或偏心轴等，这种振动方式优点是振动频率及振幅可控，普遍具有减阻效果。然而，在减阻的同时会伴随拖拉机能耗的增加，一般能耗的增加量高于减阻省下的能耗，因此整体能耗比不振动时略有增加。
针对深松减阻技术现状，本文以典型土壤动物蚁狮幼虫及土壤洞穴动物竹鼠为仿生原型，将非光滑表面仿生及行为仿生技术应用在深松领域。开发出了基于偏振电机的强迫振动及结构耦合仿生节能减阻深松铲，这种深松铲频率可调，且最大频率较大，能以较小的振动能耗获得较好的减阻效果，实现既节能又减阻的目的，减阻率与节能率均能达到20%以上。同时，将蚁狮幼虫非光滑表面结构应用于深松铲铲尖的设计上，也有较好的减阻效果。结合试验与理论分析，具体研究内容如下。
基于蚁狮幼虫体表的非光滑减阻研究。利用三维扫描仪获得了蚁狮幼虫的整体轮廓，提取蚁狮幼虫后臀部横截面曲线，拟合并放大，得到拟合方程y=-0.0813x2+3.2514x-0.0823，将这一曲线方程应用在仿生深松铲的设计上。通过体视显微镜和扫描电子显微镜获得了蚁狮幼虫多级的非光滑体表结构，测量了蚁狮幼虫各级非光滑体表结构尺寸范围。建立了光滑表面土壤摩擦模型与非光滑表面土壤运动模型，对比两种模型，分析了非光滑表面减阻机理。在土壤松散系数与内摩擦系数关系的理论下，通过公式推导了非光滑减阻表面凸起高度与两个凸起间距离及运动速度的关系，即凸起高度与两凸起间距的平方成正比，与运动速度的平方成反比，并利用蚁狮幼虫结构尺寸验证公式的有效性。
基于蚁狮幼虫高频振动的仿生深松设备设计。通过高速摄像机获得了蚁狮幼虫在不同的土壤环境下局部微振动的参数，在其自然生长环境下，后臀部上下振动频率为9.97Hz，左右振动频率为20.57Hz，上下振动振幅为2.63mm，左右振动的振幅为0.44mm。以蚁狮幼虫为仿生原型，类比蚁狮幼虫后臀部高频微振动引起的土壤局部“液化”效果，设计出两种强迫振动深松机，其中一种通过液压马达驱动，另一种通过偏振电机带动深松机高频振动，并设计了一种仿蚁狮幼虫振动及结构耦合减阻深松铲通用铲尖，通过铲尖局部高频振动的方式，在满足减阻效果的同时大幅度地减小附加能耗。
基于竹鼠挖掘特性的仿生深松铲设计与仿真分析。通过高速摄像获取了竹鼠挖土特征，竹鼠挖掘时几个爪趾散开并垂直切入土壤，用爪趾及掌部将土壤拨到身体下方，并用后爪进一步将土壤抛到身后。其前爪单个爪趾完成一次挖掘约耗时350ms，后爪趾完成一次排土约耗时600ms。通过三维扫描仪获取了竹鼠爪趾轮廓参数，对竹鼠爪趾掌心曲线拟合放大，得到拟合方程为y=9.58e0.054x；对竹鼠爪趾爪尖截面轮廓拟合放大，得到拟合方程为y=-0.3684x2+3.0672x-0.034。将竹鼠挖掘特征、竹鼠爪趾结构曲线、蚁狮后臀部截面轮廓曲线应用在仿生偏柱式深松铲的设计上，利用EDEM仿真软件对几种不同结构的偏柱式深松铲对比，最高减阻率可达12.92%，验证了竹鼠和蚁狮仿生在深松减阻方面的有效性。
振动及非光滑表面减阻原理分析与深松铲研制。分析了非光滑表面在土壤、散体、水膜界面流体领域的减阻机理，提出了两种非光滑减阻表面设计方法。基于土动力学理论阐述了农业机械触土部件振动减阻原理，讨论了振动频率、振幅对农业机械触土部件振动减阻效果的影响，总结了一种农业机械触土部件振动减阻设计方法。根据非光滑表面减阻与农业机械触土部件振动减阻设计方法，设计了多种组合式强迫振动及非光滑结构耦合仿生深松铲并加工成型，以期应用于大田试验。
强迫振动及非光滑结构耦合仿生深松铲田间试验。在本试验中，春秋两季大田试验表明，偏振电机带动下的深松铲减阻节能效果明显，且100W偏振电机带动下的深松铲减阻效果优于60W偏振电机。在100W偏振电机带动下，深松铲阻力可降低27.75%，总能耗可降低26.06%；在60W偏振电机带动下，深松铲阻力减小19.49%，总能耗降低18.38%，偏振电机式强迫振动深松铲既能达到减阻效果，又能降低深松总能耗，且深松阻力随着振动频率的增加逐渐降低。本试验中，上凸型曲面深松铲铲尖阻力小于平面型深松铲铲尖；非光滑结构深松铲铲尖阻力小于光滑型深松铲铲尖；本研究中仿蚁狮幼虫曲面深松铲铲尖减阻效果最明显。在深松深度方面，随着深松深度增加，深松阻力急剧增大，犁底层区域出现在地表以下20cm~30cm间。对比深松深度20cm、30cm、40cm条件下的深松阻力，以20cm深度为标准，30cm深处阻力平均增加37.69%，40cm深处阻力平均增加69.44%。本试验条件下，结构相似的深松铲，铲面宽度越大，阻力越大，深松阻力与铲面宽度的平方成正比，本试验中拖拉机前进速度对深松阻力的影响不明显，原因可能是偏振电机的振动影响了前进速度对深松阻力的影响。
本文通过研究蚁狮幼虫的局部微振动挖掘入土特性，将土壤局部振动“液化”现象应用于深松铲减阻领域，利用偏振电机带动深松铲振动，以较小的能耗产生高频可控振动，使深松铲周围局部土壤发生“液化”，土壤抗剪切力急剧下降，达到既减阻又节能的效果。并从不同角度系统地阐述了非光滑表面结构参数与减阻之间的关系，系统地分析了土壤振动减阻理论，提出了农业机械触土部件振动减阻设计方法，为农业机械触土部件的减阻设计提供技术指导，具有重要意义。