本文是一篇农业论文，农业系统的生产力不是单一指标，不同于一般的单位面积产量，而是一组指标体系。在门类上包括单位时间作物、蔬菜、果树、林木等植物生产的初级生产力和家畜、家禽、鱼类等动物生产的次级生产力，还应考虑土壤肥力的变化状况。从计量标准上包括生产产品数量、转化的效率与平衡状况。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇农业论文，供大家参考。
专业农业论文范文精选篇一
第一章 绪 论
1.1 研究目的与意义
自 20 世纪 80 年代，我国一直致力发展海洋装备现代化，渔船装备机械化大幅度提升，然而由于海洋捕捞渔船基数大，船-机-桨匹配不合理现在依旧普遍存在（有关部门数据表明[1-2]，不匹配率高达 40%）。船-机-桨匹配不合理现象不仅会影响渔业船舶作业时的工作效率，增加单位产量的能量消耗，还会制约现在渔业现代化生产的发展，甚至有时还会对渔业从业者的人生安全带来损害。 近年随着国家在各行业和领域号召节能减排，渔船节能技术研究也越受重视，器关注的焦点主要在动力机械与渔船整船性能方面[3]：动力机械方面，主要研究措施是通过改善渔船柴油机的主机效率，降低单位功率的燃油量；二、渔船整船性能方面，主要包括船型优化，提高渔船推进装置推进效率，渔船船体、螺旋桨推进装置、方向舵三者的间的优化匹[4-6]配三方面。 船型性能优化则主要通过优化船体型线，减少渔船航行过程中产生的阻力，但船型型线优化经常受到其他方面因素的制约，例如渔船本身特点以及例如作业方式、经济效益等因素。 渔船船体、螺旋桨推进装置、方向舵三者间的匹配优化，首先需对渔船船体与螺旋桨推进装置以及方向舵三者间的干扰特性进行研究，根据研究得到的干扰机理进一步针对性的分别对渔船船体、或者螺旋桨开展优化工作，以优化两者的匹配效果作为最终的目标，显然开展该项研究通常需要进行大量的实验研究。 显然，提高螺旋桨推进效率方面的研究则主要集中在低转速桨与非常规高效桨两个方向。改造船用螺旋桨提高推进效率是目前见效最快的途径，目前部分拖网渔船开始尝试使用导管螺旋桨替换普通桨。 螺旋桨因其结构简单，安装方便等特点是目前最为常见的渔船推进装置，相比而言导管螺旋桨较为特殊，运行过程中承受较大载荷工况下依然能够保持较高的推进效率。它的结构特点即是在常规使用的螺旋桨外侧另外加装圆形套筒，常见的纵剖面形状有机翼型或者折角线型，该套筒结构则称之为导管[7]。加装导管不仅对能提高螺旋桨前方来流的稳定性，同时还对船尾型线变化带来的流场进行整流，进而改善渔船航行过程的稳定性。除此之外，导管能有效隔绝外界流场对导管内部螺旋桨的影响，降低外流场波动对于螺旋桨转矩的影响。不仅如此，由于导管包围的作用，螺旋桨背有效的与外界隔开，避免外物的吸入触碰桨叶导致桨叶受损。目前，如拖船、港口顶推船、海洋渔船采用导管桨为其推进装置，同时其表现出受外界航行海况影响小、航向稳定性高等特点，部分商用船也开始加大导管桨的应用。
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1.2 导管螺旋桨国内外研究现状
相比普通常规螺旋桨，导管桨的研究工作起步稍晚，约在 1930 年前后。科特（Kort）首先于 1934 年对外发表关于导管螺旋桨方面的专利说明，不过那时德国方面已经对对导管桨进行较为广泛的研究。伴随各界对于螺旋桨的深入研究，导管螺旋桨的研究也得到了长足的发展。在导管桨研究的初始阶段，Caster[8]、Morgan[9]和 Dyne[10]等在研究导管桨时将螺旋桨桨叶以鼓动盘简化，导管则运用均匀分布圆周上的一列的奇点来表示导管的载荷和厚度，同时来流运动也被简化为轴对称问题，这种方法实质是将导管进行线性化处理。Gibson 和 Lewis[11]、Glover 和 Ryan[12]等则是在上述分析假设基础上将导管的奇点系布置于实际导管外表面，进行深入研究。Van Houlton[13]考虑导管和桨叶几何形状，采用实际的导管和螺旋桨桨叶进行研究分析，同时分析时采用非对称流动替代前人研究时采用的对称流。 1981 年 Yussa[14]利用升力面法分别采用直接干扰和间接干扰两种模型对导管桨的水动力性能进行预报，得出的结论是直接干扰方法能有效节省时间，但计算精度较间接计算有一定差距。Valarezo[15]在其研究中运用基于速度势的低阶面元法来同时求解螺旋桨和导管。日本的 Kawakita[16]求解导管和螺旋桨时，运用双曲四边形面元，同时在涉及导管螺旋桨部分分析首次引入一种尾涡模型。 美国麻省理工的 Kinas、Ker win、J.T.Lee 等[17]在 1987 年对外发布导管螺旋桨研究方面的成果，他们采用面元法对导管螺旋桨水动力性能进行预报，螺旋桨与导管间的干扰采用迭代方法去逼近，导管分析方面则是基于速度势的低阶面元法进行处理，螺旋桨则是选用涡格升力面法求解。同时它们提到普遍试用航空方面的 Morino 条件会造成螺旋桨分析的误差，对此需要将随边上、下表面进行等压处理来满足 Kutta 条件，计算结果获得较高的计算精度。此法即随后较广泛应用的等压 Kutta 条件。
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第二章 CFD 数值模拟的基本理论
船用螺旋桨水动力性能的研究方法除了实验研究方法外，还有升力线、升力面、面元法和 CFD 数值模拟方法进行研究。升力线理论是将桨叶用一根从叶根到叶梢的升力线来替代表示，用二位翼型剖面的水动力性能的叠加，得到推力和扭矩。升力面理论依据薄翼理论建立，该方法在分析桨叶剖面压力分布时会出现一定误差，导边附近压力分布误差最大。面元法是实际是一种奇点分布法，分析时各个奇点被布置在桨叶物面以及尾涡面位置，然后对获得控制方程求解边界值，以此获得螺旋桨的水动力性能。 随着 CFD 方法发展，求解 RNS 方程的商业软件相继出现并不断完善，CFD计算和分析功能越来越强大，已可以应用求解工程中的各类复杂问题。由于 CFD不仅能为分析者提供的详实的计算结果和流场特征分布图，还拥有较高的计算精度，目前在各个行业的实际工程应用颇受欢迎。就船舶行业而言，进行实验研究的时间成本和经济成本较大，单一试验尚可接受，进行批次化分析则大大受限。目前，CFD 技术已能较好的对船体航行性能、船体横摇性能、以及螺旋桨水动力性能等进行预报。因此，本章节简要阐述的 CFD 数值模拟的基本原理。
2.1 流体力学控制方程
对于流体而言，无论其运动状态如何在宏观上，其表现出满足三大物理守恒定律。当然部分包含多种流体的混合流动则还需考虑组分守恒定律。假设流场内流体所做的运动形式为湍流运动，那么在分析这个流场时还要考虑湍流运输方程。 对于存在热交换的流体系统分析时还需要考虑能量守恒定律，该定律实质是热力学第一定律在流体模型的推导。
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2.2 常用湍流模型介绍
根据雷诺数的大小可将流动的流体分为层流运动和湍流运动，湍流运动由于其运动的不规则、无序性使得目前湍流的一些基本问题依旧未得到解决，因此目前在数值分析时也没有一种湍流模型供各类工程问题选用。因此，在分析涉及湍流的工程问题时，首先根据各种湍流模型的适应范围，同时考虑计算代价，选取合适的湍流模型，以便在较短时间内得到可接受的精度的计算结果。实际工程应用中 RNG k 、 Realizable k 以及 SST k-ω 这三种湍流模型运用最为广泛。
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第三章 普通桨水动力性能数值研究 ........ 18
3.1 桨模主要参数及型值转换公式 ....... 18
3.2 螺旋桨几何建模 .... 21
3.3 计算域设置 ............ 22
3.4 网格划分及计算设置 ...... 22
3.5 数值模拟计算的依赖性验证 ............ 24
3.5.1 出口边界位置对于计算的影响 ......... 24
3.5.2 湍流模型对于计算的影响 ........ 25
3.6 数值计算结果及分析 ...... 25
3.7 本章小结 ....... 29
第四章 导管桨水动力性能研究 ....... 30
4.1 导管桨试验研究 .... 30
4.2 导管桨数值研究 ..... 34
4.4 本章小结 ........ 41
第五章 导管几何参数水动力性能分析 .... 42
5.1 导管叶梢间隙分析 ......... 42
5.2 导管长径比分析 .... 44
5.3 收缩系数分析 ........ 46
5.4 伸张系数分析 ........ 48
5.5 导管螺旋桨参数优选 ..... 49
5.6 本章小结 ....... 49
第五章 导管几何参数水动力性能分析
导管桨的设计通常以螺旋桨作为定量，调整外导管的几何参数实现优化导管桨的整体水动力性能，因此本章的参照此理对利用数值分析法对导管的叶梢间隙、伸张系数、长径比等几方面的参数特性分析各个参数对整个导管推进装置的影响规律。随后根据所得各个参数的影响特性优选导管各项参数，计算优选后的导管桨水动力性能，并与原始导管桨推进性能进行比较。
5.1 导管叶梢间隙分析 保持导管几何形状不变，缩放导管尺寸即可实现调节导管叶梢间隙大小。原始导管模型桨叶梢间隙为 1mm，在此基础上增加导管直径，螺旋桨则采用相同直径，进而使得两者之间的间隙为 2mm 和 3mm。由表 5-1 的数据结果可以得到，进速系数取在 0.1 至 0.5 之间时，叶梢间隙为 1mm所得的推力系数大于其他两种间隙；当进速系数取在 0.166 时，1mm 间隙所得推力系数较比 2mm 间隙状态数值大约 3.98%；但是当进速系数大于 0.663 时，1mm 间隙推进效果反而不及 2mm 间隙。对于螺旋桨扭矩而言，间隙 1mm 时扭矩依旧大于其他两种间隙，该差值基本保持稳定状态，最大情况时比 2 毫米间隙条件大 8.6%左右。由上可知，导管螺旋桨的整体性能随导管与螺旋桨之间的间隙增大而降低，故导管桨设计制造过程中满足制造工艺和安装要求的情况下，叶梢间隙选取应尽量小，保证导管桨的推进性能。
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总结
随着渔业船舶的不断发展，渔船装备与技术的革新受各界的重视与关注，本文以典型性代表的拖网捕捞渔船作为切入点，运用试验研究与数值模拟方法分析其目前较为普遍的推进装置的水动力性能。在对研究对象的学习分析以及论文的整体撰写过程中，个人完成下述的研究成果： 1）运用 CFD 软件对普通螺旋桨水动力性能进行预报，主要包括根据螺旋桨二维型值建立三维模型、整体计算域设置、螺旋桨网格划分、边界条件设置、湍流模型选取以及求解参数等数值分析计算流程。通过分析比较数值预报结果和试验结果，表明数值分析方法适用于螺旋桨水动力性能分析。 2）以实际拖网渔船导管桨作为分析对象，运用试验研究方法与数值分析方法相结合验证导管桨的水动力性能特性，结果表明导管桨表现出的重载工况推进效率高的特点对于类似拖网渔船的存在较多重载工况作业需求的船舶。 3）通过对导管各项参数的分析，表明导管间隙越小导管桨推进效率越高，长径比和收缩系数对于导管桨的性能影响不大，而伸张系数的影响较其他几项系数更为明显，伸张系数过大反而为降低螺旋桨的推进效率。 4）根据各项参数的影响程度，优化导管的几何形状，优化后的导管桨各个进速系数下的推进效率都有提升，对于拖网渔船常用的进速系数范围内，推进效率提升约 3%，提升效果较为满意。
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参考文献(略)
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第一章 绪论
1.1 研究的目的和意义
自然界的土壤，受成土过程影响，其水力特性在垂直和水平方向存在着较大变异性，即使质地相同的土壤在同水平面和垂直剖面上也不完全为均质。在土壤质地视为同一的分区内，土壤的特性—如物理参数（干容重、颗粒组成、饱和导水率及水分特征曲线等），状态变量(如含水量、土壤水吸力、人渗量、温度及导电率等)，在同一时刻、各点的值并不相等，这就是土壤理化性质的空间变异性（雷志栋等 1985；王政权 1999；邵明安等 2006）。土壤特性的空间变异性普遍存在，它直接影响人们对其内部结构及外部特征研究的深入，使得精确模拟土壤过程的难度进一步加大。 土壤是由固、液、气三相所组成的复杂性连续体，其成土过程是历史累积过程，使得土壤属性在空间分布上体现为多种或多层次结构的叠加，并随研究尺度的不同表现为不同空间结构特性。最初，由经典统计学方法分析发现，尺度效应往往直观地体现为，选择不同的观测尺度，土壤属性在研究区域中的变异系数不同。随着地统计学、自相关原理等理论的引入，发现土壤水分和盐分的区域分布研究受限于采样网格的尺度大小，表现为具体的采样尺度只能揭示区域中对应尺度下的土壤属性空间分布特征。随着越来越多土壤属性引入研究，进一步证实土壤属性的某些空间分布特征仅在相应的采样尺度下体现（徐英等 2004）。所以，以此来分析不同采样尺度下土壤属性的空间变异性，剖析研究区域中土壤空间分布特征与采样尺度间的联系，探寻不同尺度下土壤属性空间变异的主导性因素，进而为划分研究区域的土壤类别、精确模拟土壤过程以及最终建立精确的土壤属性预测模型提供依据。同时，近年来，遥感(Remote sensing，RS)技术的发展使得地物近红外光谱分析技术得到进一步的实践。通过对区域的土壤采样并实测，分析土壤理化性质与土壤光谱反射曲线的关系并拟合两者对应参数构建模型，能够在具有一定代表性的研究区域内实现对土壤理化性质的预测估值，进而简化人力，实现准确、低投入、直观地掌握相关区域土壤特性参数之间的转换模式。
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1.2 国内外研究概况
国外土壤理化性质空间变异性研究开始于 20 世纪 70 年代，之后，经典统计学，时序分析法、分形方法、频谱分析法、随机模拟法、地统计学方法及 3S 技术等方法的引入及互相融合，极大地丰富了土壤理化性质空间变异性的研究手段（肖朝明等 2004）。我国的土壤理化性质空间变异研究开始于 20 世纪 80 年代（唐惠丽等 2010），研究主要以空间大小尺度上各性状土壤属性的变异性为主。随后，一系列新的空间研究方法及 3S技术的融合发展，使得土壤理化性质的空间变异性研究在我国得到了深入实践。 土壤水分空间变异研究中，Entin 等（2000）通过多采样尺度分析了导致土壤水分空间变异的主导因素，结果表明小尺度上的主导因素为土壤类型、地形和植被，而大尺度上是降雨和地表蒸发。Penna（2009）探究了土壤水分空间变异程度与地形、地质因素之间的相关关系，研究表明坡度和地形湿度指数对土壤水分空间分布的预测效果较其他地形、地质因素更好，并以此结论建立了山坡尺度下最适土壤水动力模型。Brocca 等（2012）分析了流域尺度下土壤水分的空间变异性，认为低分辨率卫星数据可用于中小型流域土壤水分空间变异特征研究。徐英等（2004）研究分析了黄河河套平原地区中小尺度下土壤水分的空间变异特征，研究表明区域中采样尺度与水分的空间变异程度密切相关。郭德亮等（2013）在黑河中游绿洲重点分析了戈壁、林地、农地三种景观地区的表层土壤水分空间变异特征，结果表明，尽管景观因素不同，但变异程度大致相近。 土壤盐分空间变异研究中，因为含盐量的直接测量往往耗费大量时力，而土壤电导率(EC)与含盐量有较好的正相关关系且易于测量（蔡阿兴等 1997），国内外研究往往通过 EC 来表示含盐量（Al-Omran et al. 2013；Stadler 等 2014；Behera and Shukla 2014）。以往研究针对 EC 在不同研究尺度及不同深度进行了一系列研究，研究表明 EC 在空间上随尺度或深度变化呈中等变异或强变异，且尺度的扩大往往使得变异程度提高（李敏等 2009；古丽娜·尔托合提等 2011）。此外，不同的地下水位、灌溉方式、地形及地貌因素对土壤盐分的空间变异也存在一定的影响（Cemek 等 2007）。
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第二章 黑河上游土壤有机质、电导率空间分布研究
本研究主要围绕黑河上游土壤的 SOC、EC 分布规律，对流域尺度采样获得的土样进行相关实验分析。研究基于经典统计学方法、地统计学方法并结合相应的研究工具，对样点的实测 SOC、EC 数据进行插值预测，在流域尺度上综合分析不同植被类型、地形与地貌要素对分布规律的影响，为区域的 SOC、EC 的预测提供参考。
2.1 料与方法
采样区在黑河流域上游，经纬度范围分别为37.7°~42.7°N和97.1°~102.0°E。年平均降雨量300~700mm，海拔1700~5066m，具有显著的垂直地带特性，主要景观为冰川、草原、林地、河滩与荒地（Qin等 2013）。 在充分考虑到不同植被要素（林地、灌木、草地 、裸土等）与地形要素（河流、戈壁、沙地等）的前提下，排除人为因素干扰严重及难以实现采样的冰川、裸岩覆盖区域，均匀地在流域上游布置采样点共计181个，其中定位点22个，在相应的点需要加大密度测定相应属性，随机点159个，采样深度0～15cm，详细样点布置与黑河上游植被、地形要素分布情况见图2-1。其中，定位点除对应坐标取样以外，另在周围大约3km距离设置两个随机样点取样，加大取样密度获取更丰富的土壤信息，共计获得表层土样225个。采得的土样经自封袋封装后带回实验室，经室内风干、碾磨、过2mm筛后备用。
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2.2 结果与分析
利用经典统计学方法与地统计学方法分别研究黑河流域上游土壤 SOC 与 EC 的空间分布特征。探讨不同植被覆盖类型、地形地貌因素对两土壤属性分布规律的影响。通过室内实验分析土壤理化性质，利用激光粒度仪获得土壤颗粒组成（Peng等 2015），根据国际制质地分类标准，在225个土样中，有粘壤土77个，壤土78个，砂壤土21个，砂土、轻粘土、粉粘土、粉粘壤土、粉壤土共计49个。考虑到后续分析过程中，如果将定位点周围随机样点加入研究，将使得该研究整体的尺度不统一，故仅考虑181个样点坐标对应的土样。采用重铬酸钾容量法测定了SOC（鲍士旦 2000；Palacios-Orueta和Ustin 1988），通过DDB-303A型电导率仪测得EC（蔡阿兴等 1997）将测得的SOC、EC数据经IBM SPSS 22统计分析，得到两属性的统计特征值表见表2-1。
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第三章 黑河上游农田土壤理化性质空间变异性研究 ........ 17
3.1 材料与方法 ..... 17
3.2 结果与分析 ..... 18
3.3 小结 ......... 24
第四章 偏最小二乘回归方法提取土壤质量单项指标初探 ........ 25
4.1 材料与方法 ..... 25
4.1.1 样品采集与土壤属性参数测定 .... 25
4.1.2 偏最小二乘回归方法提取土壤质量单项评价指标原理 .... 25
4.1.3 数据处理 ........... 26
4.2 结果与分析 ..... 26
4.2.1 土壤理化性质的经典统计分析 .... 26
4.2.2 土壤含水率(Y)与其它指标(X)的偏最小二乘回归分析 ...... 26
4.2.3 土壤电导率(Y)与其它指标(X)的偏最小二乘回归分析 ...... 29
4.2.4 整体土壤指标间的偏最小二乘回归分析 .... 31
4.2.5 讨论 ........ 31
4.3 小结 ......... 32
第五章 基于光谱反射率的土壤有机质建模及方法比较 .... 33
5.1 材料与方法 ........ 33
5.2 建模与验证原理 ........ 34
5.3 结果与分析 ....... 35
5.4 小结 ........... 40
第五章 基于光谱反射率的土壤有机质建模及方法比较
已有 SOC 的光谱预测模型其适用性受建模样本的采样尺度、土壤类型及光谱参数限制，需要在大尺度及范围上进一步检验适用性，并比较分析不同建模方法的建模效果以寻求适用性更好、精度更高的定量模型。本文围绕黑河上游 SOC 的光谱预测问题，拟在测得 SOC 和光谱反射率的基础上，分别采用 PLSR 方法和逐步线性回归（SLR）方法建立 SOC 的光谱反射率模型，并对比两种方法所得模型的稳定性和预测能力，得到SOC 的光谱反射率预测最适模型，并与以往成果（刘娇等 2013）进行对比，检验已有模型在扩大采样尺度后的适用性，以期为大尺度 SOC 的光谱预测提供更多参考。
5.1 材料与方法
黑河流域上游经纬度范围分别为 37.7°~42.7°N 和 97.1°~102.0°E。年平均降雨量300~700mm，海拔 1700~5066m，具有显著的垂直地带特性，主要景观为冰川、草原、林地河滩与荒地（Qin 等 2013）。因为祁连山脉黑河段沿西北-东南方向贯通黑河流域上游，路径中包含丰富的土壤属性变异信息。因此，采样工作从肃南裕固族自治县出发沿祁连山脉山脊线往山丹县方向以大约 3km 为间隔采样，期间在祁连山黑河谷地、民乐县扁都口、山丹县军马场、张掖市大野口与康勒草原等不同景观地域加大密度集中采样，取样深度范围 0~10cm，相应的取样布置图如图 2-1 所示，共采集 225 个样品。采回的土样经室内风干、碾磨、过 2mm 筛后备用。 通过室内实验分析土壤理化性质，利用激光粒度仪获得土壤颗粒组成（谭晓慧等 2011），根据国际制质地分类标准，在 225 个土样中，有粘壤土 77 个，壤土 78 个，砂壤土 21 个，砂土、轻粘土、粉粘土、粉粘壤土、粉壤土共计 49 个。采用重铬酸钾容量法测定了 SOC（鲍士旦 2000）。将 225 个土样的 SOC 数据按照从小到大排序，从第三个样品开始，每隔 4 个土壤样品抽取 1 个，归入验证集，剩余土壤样品归入到建模集。得到 180 个样品（占总体的 80%）成为建模集，45 个样品（占总体的 20%）成为验证集，总体、建模及验证样本统计特征如表 5-1 所示。
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结论
本研究分为两部分：不同观测尺度下土壤理化性质的空间变异研究；不同观测尺度下基于回归方法建立适宜的土壤理化性质观测模型。具体结论如下：
（1）流域尺度研究中，黑河上游SOC与EC在使用半方差函数拟合模型时，其最优模型的块基比都介于0.25～0.75，表明SOC与EC在黑河上游的空间变异由本身和人为因素协同作用导致。此外，EC的变程明显小于SOC，表明本研究区域中样点间的SOC相较EC相关性更强，相应的插值预测精度较SOC也更低。
（2）综合分析流域尺度下黑河上游 SOC 与 EC 的克里格插值预测图，在高覆盖度草地、林场、耕作区密集区域，SOC 高而 EC 低且两者呈现直观的负相关关系，尤其是在高覆盖草地密集区域，这一现象最为明显。
（3）农田尺度土壤属性分为 A 层（0~15cm）、B 层（15～30cm）的经典统计分析与地统计分析 结 果表明 ：研究 区域中 土壤各属性 的变异程度大小 关系统一为Ks>EC>θ>SA>CL>SI；地统计学方法研究中发现除 B 层 EC、A 层土壤 Ks 分别适用高斯和球状模型，其余土壤属性在 A、B 层都适用指数模型。此外，土壤 θ 与 EC 都表现为B 层变异系数大于 A 层，而颗粒组成在 A、B 层上的变异系数大小关系与之相反。 （4）农田尺度土壤属性的多重分形及联合多重分形分析结果表明：土壤 θ、EC 各自在其相邻土层具有复杂的空间结构，其他属性在相临土层相互作用简单。此外，同一土壤属性在 A、B 层之间存在不同程度的正相关性，尤其是 SI、θ 表现为最强空间关联性，其相关系数分别为 0.914 和 0.874；土壤属性奇异指数间的相关性分析表明，土壤颗粒组成或者 θ 与除 EC 以外的其它属性在 A 层的相关性明显好于 B 层。根据联合多重分形分析，可知 EC 与颗粒组成相关性强弱在不同土层间不一定保持一致的大小关系，同时，EC 与 θ 的情况也是如此。
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参考文献(略)
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第 1 章绪论
1.1 研究概述
作为经济发展和社会进步的基础，能源有着不可替代的作用，和与日俱增的能源需求相矛盾的是化石燃料日渐枯竭的危机[1]。为了人类社会的持续发展，寻找新能源成为了世界范围内亟待解决的问题[2-5]。 玉米秸秆作为一种极具开发潜力的生物质资源已得到了广泛的应用。例如最早使用秸秆发电的国家—丹麦，其阿维多秸秆发电厂被誉为全球效率最高的热电联供电厂之一[6]，巴西则是最早使用秸秆燃料酒精的国家，而日本主要将秸秆作为未来的燃料使用[7]。我国的国能生物发电集团已经在全国范围内建立了 35 家生物质发电厂，总计输出绿色电力 79.4 亿千瓦时，使得农民从秸秆销售中获利 32 亿元[8]。使用玉米秸秆炭化粉加工制成的蜂窝炭替代液化气及煤炭也得到了推广应用[9,10]。随着根茬收获机械的推广、生物质资源转化技术的提高，玉米秸秆与根茬的潜在价值将会被发掘出来，并逐渐成为替代化石能源的重要生产资料。秸秆资源的合理利用将会给人类社会带来巨大的经济效益和社会效益。 作为一个农业大国，我国有着丰富的农作物根茬与秸秆来源。玉米更是广泛被种植，从西部的新疆到东南沿海各省市，东北地区黑龙江省到南部海南省均可以种植，可以将其分为六个种植区，即南方的丘陵种植区、西北和青藏高原种植区、西南山地种植区、黄淮海玉米种植区、北方春播玉米种植区[11,12]。从时间上来说，玉米种植面积随着时间推移是不断扩大的。自 20 世纪 80 起，虽然中间个别年份有种植面积所减少，但总体种植面积在持续增长。进入新世纪以后，玉米种植面积连续增加，到 2012 年，玉米种植面积达到 3503 万公顷，占粮食作物种植总面积的 21.44%，产量达到 20561.4万吨[13]。
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1.2 研究现状 我国玉米种植区域广泛，不同地区的耕作模式、种植结构差别较大，常用的玉米根茬处理方式如下：根茬留田腐烂是指收获玉米之后对根茬不做任何处理，在自然条件下任其腐烂。这种原始处理方式对土壤有一定的益处，但也存在一些弊端。研究表明[19-21]，玉米根茬留田处理可以明显增强土壤酶活性，酶活性的增强对提高土壤微生物活性有显著效果，且在玉米生长旺盛时期（播种 60 天）出现最高峰。同时，根茬腐烂之后还可以促进团粒结构形成，改善土壤通透性，增加土壤孔隙度，提升土壤持水保肥能力[22-24]。 虽然根茬留田可以增强土壤酶活性的方式在一定程度上提高了土壤肥力，但是玉米根茬腐烂是一个漫长的过程，受温度、湿度、光照等自然条件影响很大，存在较大的偶然性因素。尤其我国东北地区，玉米收获之后天气转冷，寒冷干燥的天气条件下很难在春播之前腐烂，而在玉米、小麦两季套种的地区，根本没有足够的时间可以让根茬自然腐烂。因此，根茬留田腐烂并不具有普遍的适应性和大范围的推广应用。 (2)根茬焚烧处理 焚烧根茬是指在玉米收获之后将留在地表的茎秆点燃，这种处理方式可以迅速除去地表根茬，但是这种方式仅仅烧掉茎秆外围玉米枯叶，茎秆并未充分燃烧，地表以下的根茬更不可能被烧掉，根茬焚烧不适合作为处理根茬的方法。此外，根茬焚烧弊端在于焚烧对大气的污染[25-28]：燃烧产生大量白色粉末状固体导致空气中的颗粒物含量增加，同时降低空气的能见度，粉末状飘散的白色颗粒物直接影响城市、高速公路、机场等地的能见度。
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第 2 章 根茬切挖装置的参数研究
本章从玉米根茬及其生长的土壤环境入手，首先分析二者物理学特性，旨在获得根茬、土壤的基本参数，同时考虑现有收获机的参数以及使用要求，由此确立切挖装置的设计依据。在此基础上，建立切茬刀和土壤相互作用的数学模型，分析切茬刀切挖机理。其次根据玉米根茬的质量分布和尺寸范围，确定切挖装置的工作深度和宽度。最后分析切挖装置和拖拉机的配置形式及其相关参数，从而确定切挖装置的整体设计参数。
2.1 切挖装置的设计依据
玉米根茬与土壤都是根茬切挖装置的作业对象，所以根茬切挖装置的设计与土壤的物理学性质密切相关，研究耕层土壤和根茬的物理学特性对于根茬切挖装置参数的确定至关重要。 耕层土壤包括固相、液相和气相三部分，其中固相主要包括矿物质和有机质，矿物质中包含大小不同的矿物质颗粒，有机质来自于农作物根茬、秸秆残留物、土壤中的微生物以及人工施用的有机肥等[72]。土壤的物理学性质与含水量、外界环境、黏粒数量、有机质含量密切相关，是多个影响因素综合作用的结果，它是一个多相的、非均质的、分散的、颗粒化的以及多孔的复杂系统[73]。 玉米根茬收获机作业时，根茬切挖装置首先要将土壤破碎，破坏其团粒结构，其次将裹带土壤的玉米根茬从土壤中切割分离出来。
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2.2 切茬装置参数分析
玉米收获后留在土壤中的根茬改变了土壤的原有结构，形成了根茬-土壤复合状态。传统的平面铲工作时只能从土壤底部切割根土复合体，而不能将侧面的根茬切断，同时，由于根土复合体的材料特性发生了改变，不同于单纯的土壤或根茬，对传统平面铲的强度提出新的要求。基于传统平面铲切割根土复合体方面的诸多限制，为了在根茬-土壤复合状态下切割根茬，有必要对根茬-土壤复合体的切割机理进行探究。根茬的切挖方式关系到最终的切割效果和机组的功耗，也关系到后期捡拾器能否将根茬顺利捡拾，如果切割后根茬仍然和土壤交织部分太多，势必降低捡拾器作业效率甚至无法捡拾根茬[77,78]。单一从土壤底面切割的方式会给捡拾器带来更大的捡拾阻力，为了便于捡拾以及控制根茬切割的范围，可以采用环切的方式切割根茬，即沿着机组前进方向上，从根茬的两个侧面利用竖刀将根茬与土壤分离，同时底部用平面刀片切割，如图 2.4 所示。但是两把竖刀安装在底面刀片上的切割方式会在一定程度上造成壅土，在实际作业过程中切茬与壅土是相互影响的，综合考虑各因素影响，可以采取单个竖刀与底刀组合或两把竖刀与底面刀结合的切割方式，最大程度上分割根茬与土壤，便于后期捡拾。
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第 3 章 蝉若虫前足挖掘曲线提取与优化 ....... 31
3.1 金蝉若虫的生物学特征 ..... 31
3.2 金蝉若虫前足表观形态 ..... 32
3.3 前足曲线提取 ....... 33
3.4 本章总结 ........ 40
第 4 章 切茬装置模型建立与结构优化 .... 43
4.1 基于 Solidworks 的设计与分析方法 ....... 43
4.2 切茬装置的模型设计 .......... 45
4.2.1 牵引部件结构模型 ....... 45
4.2.2 切茬部件结构模型 ....... 46
4.3 基于整机模型的优化设计 ......... 48
4.4 关键部件的有限元分析 ...... 52
4.4.1 切茬部件的有限元分析 ...... 52
4.4.2 牵引部件的有限元分析 ...... 55
4.5 本章总结 ........ 58
第 5 章 切茬刀性能试验 ....... 59
5.1 试验设备与方法 .......... 59
5.1.1 试验准备 ......... 59
5.1.2 试验因素设计 ........ 61
5.2 实验结果与分析 .......... 62
5.3 本章总结 ........ 65
第 5 章 切茬刀性能试验
5.1 试验设备与方法
试验目的主要是测试不同刀片的切土性能，并分析切割速度、刃口倾角、仿生元素对切土阻力和功率消耗的影响。因此采用具有 2.5mm 切齿、5mm 切齿和不具有仿生元素的刀片制备样本。试验需要加工的刀片模型如图 5.1 所示。 试验主要考虑具有仿生元素刀片的切土性能，为了能够良好的表达仿生元素，采用 3D 打印方法加工刀片，刀片材料采用 ABS 工程塑料，该材料强度高，韧性好，能够满足实验要求。刀片加工设备采用 Makerbot Replicator 系列 3D 成型设备。 Makerbot Replicator 是美国 Makerbot 公司研发的桌上型 3D 打印机，实验采用 2014年发布的 Replicator 第五代产品进行样品加工，如图 5.2（a）所示。第五代 Makerbot Replicator 可打印体积上比第四代大 11%，打印精度为 100 微米。刀片样本如图 5.2（b）所示，加工的刀片表面质量良好，仿生齿形表达准确，边角无毛刺。
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结论
根茬切挖是玉米根茬收获的首要工作，对玉米根茬收获机的收获质量有着较大影响。本文设计了一种新型的玉米根茬切割装置，并对切茬关键部件进行深入的理论分析和试验研究，得到如下结论：
1、通过对玉米根茬的质量分析发现：玉米根茬的质量 90%分布在 0-150mm 根深范围内，0-100mm 范围根茬质量随着根深的增加增幅较大，100-150mm 质量增加不明显，300mm 以下深度范围内只分布着少量须根；玉米根幅半径在 0-100mm 范围时根茬质量随根幅增加的较快，100mm 之后根茬质量逐渐趋于稳定，根茬 90%的质量集中在根幅半径 100mm 内，根幅半径为 150mm 的范围内约占据根茬总质量的 98%。
2、根据玉米根茬的形态特征确定了竖刀与底部刀片结合的根茬切割方式，其中底部刀片有效刃口长度应大于 160mm，竖刀刃口长度大于 150mm。通过对刃口某一点受力分析得到：刃口与前进方向的夹角小于 62°时能够保证滑切作用。根据现有的机型的和配套拖拉机的参数，设计根茬切挖装置采取对行切挖的方式，切茬刀间距可以根据行距的不同进行调整。
3、观察金蝉若虫生物形态发现其前爪拥有优越的切土能力，可以为切茬刀片仿生学设计提供参考。通过矢量化软件处理得到蝉若虫前爪矢量图，提取出切齿曲线，并利用 Origin 对得到的曲线进行拟合得到其参数方程，求出拟合参数方程的最小平方逼近函数，最终确定切齿的刃口斜率分别为 1.11 和-2.7。
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参考文献(略)
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第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础和动力资源，是制约国民经济发展的重要因素之一。近几十年来，伴随社会的不断进步，世界能源的消耗量急剧增长，不可再生的常规能源面临枯竭的危险，新型能源的开发应用滞后，使能源局势日趋紧张。在能源的消耗中,热能仍然是最主要的消耗形式。例如煤炭、石油等各种燃料的化学能需要先转换成热能，才能进而转换成机械能或电能。因此提高热能利用率,提高能源转换效率可以有效的缓解能源危机。 强化传热是一种能够显著改善传热性能的先进技术，在工业生产中有着十分广泛的应用，已经成为现代传热科学中十分引人注目的研究领域。传热的具体形式主要包括自然对流、强制对流、蒸发和沸腾传热。 图 1.1[1]对比了几种典型的冷却方式的传热能力，可见沸腾较传统的风冷以及单相液体冷却具有较大的优势，沸腾传热效率的高低直接决定着能源转换或利用的效率。沸腾传热因在较小的过热度条件下可以获得极大的传热系数，在核能、航空航天、冶金、制药、电子等技术领域和能源、动力等工业实践中得到了极其迅速的发展，也一直是国内外学者的研究热点。 通过 Nukiyama 曲线[2]可知核态沸腾区域在沸腾换热中有最高的换热效率，因此沸腾传热在工业中的应用主要集中于核态沸腾区。影响沸腾换热性能的主要因素有热通量、饱和压力和工作介质的热物理性质。同时沸腾表面材料的热物理性质，尺寸规模、厚度、表面粗糙度和表面微结构也是影响沸腾换热系数的重要因素[3]。在低热流密度段内随热流密度的增大，过热度急剧增加。在相同的热流密度下，提过沸腾换热系数可以有效减小换热表面的温度，从而避免高温对设备材料的破坏。
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1.2 强化沸腾传热技术研究现状
池沸腾称大容器沸腾，是研究沸腾换热的最基础手段。核态池沸腾是一种成核现象，它包括汽泡的产生、汽泡的生长以及汽泡的脱离 3 个阶段。强化核态池沸腾传热方法的提出和实施也是从提高这 3 个阶段的效率入手的。在工程应用和科学研究中，强化核态沸腾的技术手段可以归纳为以下 3 个方面[4]： （1） 强化表面法。既包括通过物理方法不改变表面性质，又包括通过化学方法改变表面性质的强化方法。这两种方法都可以大幅度增加活性核化沸腾点的密度，在传热温差较小的情况下获得较大的传热通量。该种方法在低品位热能开发利用及电子元件冷却方面有着广泛的应用。 （2） 加入添加剂法。其主要途径是利用颗粒增加汽泡的移动速率，或利用添加剂的物理化学性质改变传热表面的润湿性，提高汽泡的生长速度和脱离频率。这种方法可有效地提高核态沸腾的沸腾滞后现象。 （3） 外加矢量场法。通过外加力场或磁场的方法改善汽泡的沸腾行为。这类方法属于利用流场与外加力场的耦合作用来强化传热。
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1.2.1 表面强化法对沸腾换热影响
Jacob 和 Frittz[5]利用喷砂和机械切削分别制备出具有矩形沟槽的两种表面用于沸腾试验，试验结果显示喷砂所制造出来的沸腾表面比光滑表面增强了约 15%的性能，而矩形切削沟槽沸腾表面较光滑表面增强了约 3 倍的换热性能，其增强沸腾换热性能的作用会随着时间增长而递减。 Kurihara 和 Myers[6]通过对砂纸研磨后的沸腾表面和光滑表面沸腾换热性能进行试验对比，发现有效成核位置的增加是增强沸腾传热系数的主要原因。由砂纸研磨所制造的沸腾表面有效地增大了单位面积内的有效成核位置，这些人造的有效成核位置将会使沸腾的起始过热度低于自然成核位置所需的沸腾起始过热度。 Griffith 和 Wallis 等[7]认为，人造有效成核位置的开口大小决定了沸腾起始所需的过热度，而人造成核位置的几何形状则是决定了其能否成为稳定有效成核位置的重要因素。
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第 2 章 多尺度仿生交错润湿性表面的制备
2.1 几种表面润湿性讨论
在多相流中,气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角即为接触角（Contact angle ,CA）。当固体不能完全被液体覆盖，且液体具有自由界面时，液体并不会在固体表面完全铺展开，而是在其上形成一个液滴，并与固体表面成一角度，即所谓的接触角。 Young’s 方程是界面化学的基本方程之一，也是研究固体表面润湿现象的理论基础。它是建立于理想条件下的方程，即固体表面平滑、组成均匀及各向同性。但在通常条件下，固体表面或有一定得粗糙度或化学组成不均一，因此Young’s 方程只能用作对通常的状况作出定性的指导。对于本文设计加工的微正方柱表面，因为表面或是不平滑的，或是即不平滑表面材料也不均一，因此杨氏方程并不适用。
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2.2 多尺度仿生交错润湿性表面的设计
多尺度交错润湿性表面（图 2.3）是指在不同尺度的分层微结构(正方柱)表面基底的不同位置处制备纳米结构,使微结构表面具有上层亲水下层疏水（或上层疏水下层亲水）的交错润湿性。 本文交错润湿性热功能表面的制备思路为：应用线切割的方法在紫铜基底上加工出不同尺寸的正方柱结构，规定每个微方柱结构的上表面为上层，侧面及底面为下层。分别在上层或下层表面沉积纳米结构来改变由线切割加工后紫铜表面原来的润湿性，使表面具有交错润湿的特性。本文提及的多尺度主要是指每个换热表面上不仅有毫米级的沟槽结构、微米级的由线切割加工工艺决定的表面粗糙度还有纳米级的疏水结构。 沸腾试验件材料为紫铜。紫铜即为铜单质,因其颜色为紫红色而得名，其热导率为 400 W/m·K，导热性能较好。沸腾试验件宏观尺寸分别为长 40 mm 宽 40 mm 高 10 mm。试验件的四条棱边加工有半径为 5 mm 的圆角，以保证和隔热保温模块配合时为面配合，增强密封性。沸腾表面的微正方柱的结构由槽宽、肋宽和深度决定（图 2.4）。
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第 3 章 不同润湿性表面饱和核态池沸腾试验 .......... 27
3.1 沸腾传热基础........ 27
3.2 试验测试系统概述........ 31
3.3 加热模块的设计及相关参数计算原理.... 33
3.4 试验误差分析........ 35
3.5 试验方案及系统可靠性验证....... 36
3.6 试验结果分析....... 40
3.7 汽泡动力学相关分析........... 42
3.8 本章小结........ 50
第 4 章 多尺度仿生交错润湿性表面饱和核态池沸腾试验 ...... 51
4.1 试验方案........ 51
4.2 试验数据分析....... 52
4.2.1 极差分析 ..... 52
4.3 沸腾起始时汽泡成核位置分析.... 54
4.4 本章小结....... 57
第 5 章 多种润湿性表面汽泡生长数值计算 ...... 59
5.1 CLSVOF 方法概述 .... 59
5.1.1 Level set 方法 ...... 59
5.1.2 VOF 方法..... 60
5.2 CFD 前处理 ........ 61
5.3 结果分析........ 64
5.4 本章小结........ 67
第 5 章 多种润湿性表面汽泡生长数值计算
第三章试验说明，相同微结构尺寸下仿生交错润湿性表面具有最优的沸腾换热性能，但其高性能换热机理尚不十分清楚。本章利用 CLSVOF（Coupled Level-Set and Volume Of Fluid）方法对同一微结构尺寸下的四种润湿性表面的汽泡生长情况进行分析（二维），对比光滑表面揭示仿生交错润湿性表面高性能换热机理。
5.1 CLSVOF 方法概述
在计算流体力学领域中，界面分层问题普遍存在。例如明渠的流动、流化床、汽泡的生长、冷凝及燃烧反应等。这些问题既包括水-汽（气）界面，也包括相变或无相变的模型。界面的描述与追踪一直是多相流领域的热点及难点。Level-Set 与 VOF 方法均属于界面捕捉类方法，它们均在欧拉网格下构造，都用一个标量函数描述界面的几何形态，都具有鲁棒的拓扑处理能力。但二者也有较大的区别。首先二者描述界面的方法不同；其次 VOF 方法能够精确地保证质量守恒，而 Level-set 方法则不包括质量守恒方程；第三，Level-Set 方法能够精准的捕获几何信息，能够自动捕捉几何变形。二者的差异见表 5.1。
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结论
（1）受纳米布沙漠甲虫背部交错润湿性结构能够促进质量的传递及微纳米复合结构的启发，设计制备了分层的仿生交错润湿性表面，并通过试验证明了其表面交错润湿。
（2）开展了仿生表面在低热流密度下的饱和核态池沸腾试验，并和其它润湿性表面的换热性能进行对比，发现仿生交错润湿并表面具有更强的沸腾换热性能，微结构尺寸相同时，其沸腾换热系数最大为微结构表面的 1.8 倍，为全纳米结构表面的 1.47 倍。
（3）疏水的纳米结构在饱和核态池沸腾换热中能够促进汽泡的脱离。在微结构的上下层全部覆盖纳米结构并一定能增强沸腾换热性能，微结构尺寸对其亦有较大的影响。两种不同的交错润湿性表面（上层亲水下层疏水或上层疏水下层亲水）的换热性能虽然在试验的两种微结构尺寸下均优于其它表面，但两种尺寸下并不是固定的某种交错润湿性表面换热性能强（第一组试验中上亲下疏表面换热性能最强，第二组试验中上疏下亲表面换热性能最强）。
（4）应用试验优化设计，通过对单一功率下稳定沸腾时的换热系数的极差分析，发现在影响换热性能的四个因素中有无纳米结构对沸腾换热性能影响最大，其次是深度，再次为槽宽及肋宽。
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参考文献(略)
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第 1 章 绪论
1.1 选题目的与意义
随着石油、煤炭、天然气等紧缺矿产资源的不断减少，我国对矿产资源的勘探和开发逐渐开始向深井和复杂地层发展。钻井深度不断加深，地层变得愈加复杂，对钻井设备的要求也会更加严格。在钻井设备中，泥浆泵是不可缺少的部件之一（如图 1.1），深井钻探对泥浆泵使用性能的要求非常严格。为了增大钻头的输出压力，提高岩屑上返能力，在钻井过程中，泥浆泵就需要较高的泵压和排量。为了满足深地层钻井条件的需求，钻井作业急需一种工作稳定、使用寿命长的泥浆泵[1]。 在泥浆泵的使用过程中，人们不断地对它进行研究、改进、完善。因此，泥浆泵技术越来越成熟，泥浆泵的使用范围和功能也更加广泛。输送泥浆、冲刷岩屑、冷却钻头和形成井壁是早期泥浆泵的主要功能。到了 20 世纪 40 年代后期，随着新技术的应用和钻井工艺的改进，出现了井下钻具钻井和喷射式钻井。涡轮钻具的驱动主要依赖泥浆泵，同时泥浆泵的高压泥浆可以辅助破坏岩石。20 世纪 70、80 年代，随着深井和超深井的出现，对泥浆泵的工作压力、使用稳定性提出了更高要求[2][3]。 往复式泥浆泵是现代钻井用泥浆泵中最基本的型式。和其他工业用泵相比，往复式泥浆泵可以在高压环境下工作，还可以循环粘度大、含沙量多的液体，因此在矿产资源开采中得到了十分广泛的应用。 早期在钻井作业中使用的泥浆泵，具有代表性的是双缸双作用活塞泵，这种泥浆泵的优点是稳定性好，缺点是泥浆泵比较笨重、工作压力不稳定。到了 60年代中期，三缸单作用泥浆泵得到了越来越多的使用。三缸单作用泥浆泵比双缸双作用泥浆泵有更好的使用性能，例如流量均匀、泵压高、体积小、工作压力稳定等[4]。三缸单作用泥浆泵经过不断地改进和完善，在钻井作业中使用的越来越多，后来逐渐替代了双缸泵[5]。 在钻井过程中，泥浆泵不断地向井底输送钻井液，为井底的钻具提供动力。泥浆是泥浆泵使用的最主要的钻井液，其具有粘性大、浓度高、含沙量多的特点。泥浆泵一般都在恶劣的环境中运行，所以泥浆泵出现的事故比较多。据统计，泥浆泵常常工作不到 20 小时就出现损坏，因泥浆泵的问题而停止用泵占到了停泵次数的 70%，这表明泥浆泵在很大程度上限制了钻井进度。
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1.2 泥浆泵活塞的研究现状
随着泥浆泵活塞不断地改进，泥浆泵活塞的使用性能也不断提高。在泥浆泵出现的早期，使用的活塞都是整体式活塞（如图 1.3）。整体式泥浆泵活塞结构简单，便于标准化、系列化，具有通用性强的特点[8]。但是，整体式泥浆泵活塞也有自身的缺陷，其橡胶皮碗容易脱落[9]，这主要是由于橡胶皮碗和钢芯的粘结度较低，活塞皮碗在运动时受到连续的交变应力导致的。当活塞在往复运动时，活塞皮碗还可能因为硫化效果差而被撕裂，从而进入钢芯和缸套的间隙中，加快活塞的磨损。整体式泥浆泵活塞因使用寿命短，不能满足现代钻井的需要，逐渐就被淘汰了。为了解决整体式泥浆泵活塞皮碗易脱落、寿命短的问题，人们又研制出了组装式活塞（橡胶皮碗可以从活塞钢芯上拆卸）。组装式泥浆泵活塞（如图 1.4）主要由橡胶皮碗、钢芯、压板、卡簧四部分组成，其中压板和卡簧的作用就是把橡胶皮碗和钢芯牢牢的结合在一起，防止橡胶皮碗与钢芯分离。整体式活塞皮碗的过盈量不可调节，而组装式活塞可以通过调整压板和卡簧的预紧力调节过盈量。组装式活塞加工制造成本较高，但在正常使用情况下，其利用率比整体式活塞要高。有试验数据表明[10]，在组装式活塞中，有 1/3~1/2 的钢芯可以回收，2/3 左右的压板和卡簧可以回收。总的来讲，与整体式活塞相比，组装式活塞更为经济。
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第 2 章 泥浆泵工作原理和泥浆泵活塞的失效形式
2.1 泥浆泵的工作原理
本文选用 BW-160 型三缸单作用泥浆泵为研究对象，该泵可分为液力端和动力端两部分。液力端最主要的功能是输送泥浆，其包括零件主要有：活塞连杆、活塞缸套摩擦副、吸入阀和排出阀。动力端为泥浆泵提供动力，调整活塞的运动速度及运动方向，其包括零件主要有输入轴、曲轴、连杆机构。 泥浆泵完成一个工作循环包含吸入过程和排出过程[44]。当泥浆泵活塞从最右端向左移动时，缸套内的密闭空间会逐渐增大、气压不断降低。在压强差的作用下，将使排出阀关闭、吸入阀开启，泥浆进入缸套内，直到活塞运动到最左端的位置，吸入过程结束；当泥浆泵活塞从最左端向右移动时，缸套内的密闭空间会逐渐减小、气压不断增大，这会使排出阀开启、吸入阀关闭，泥浆从缸套内排出，直到活塞运动到最右端的位置，排出过程结束。泥浆泵就是利用吸入和排出这两个过程不断循环来输送泥浆。图 2.1 为 BW-160 型泥浆泵的工作原理简图，活塞运动时的相位差为 120°。
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2.2 泥浆泵活塞的运动规律
详细了解泥浆泵活塞的运动规律是研究活塞使用性能的前提条件。泥浆泵活塞的使用性能与活塞的运动速度、加速度紧密相关。泥浆泵活塞的速度、加速度对活塞缸套摩擦副的磨损密封情况有很大影响。曲柄连杆机构带动活塞不停地运动，图 2.2 为曲柄连杆机构运动的示意图。 本文主要研究泥浆泵活塞总成中的活塞皮碗，活塞皮碗的受力情况对其使用寿命有着至关重要的影响。对活塞皮碗进行静态受力分析、动态受力分析，可以更加深入的了解活塞的受力分布情况，进而对活塞的改进提供参考依据。图 2.3为活塞缸套摩擦副的示意图[46]。
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第 3 章 仿生条纹形活塞设计加工及耐磨密封试验 .... 21
3.1 仿生条纹形活塞设计 .... 21
3.2 试验方案与方法 .... 22
3.2.1 试验方案 .......... 22
3.2.2 试验方法 .......... 23
3.3 仿生条纹形活塞加工方法 .... 24
3.4 试验数据统计及分析 .... 26
3.5 最优接触面积探究试验及分析 .... 33
第 4 章 标准活塞 ABAQUS 有限元分析 ...... 37
4.1 有限元分析与 ABAQUS 介绍 ...... 37
4.1.1 有限元法的基本原理 ...... 37
4.1.2 ABAQUS 简介 .......... 38
4.2 活塞缸套摩擦副有限元计算 ........ 38
4.3 计算结果与分析 .... 48
第 5 章 仿生条纹形活塞 ABAQUS 有限元分析 ........... 51
5.1 仿生条纹形活塞有限元模型建立 ........ 51
5.2 仿生条纹形活塞有限元模拟分析 ........ 53
5.3 仿生活塞最优条纹数目分析及验证试验 .... 58
5.4 仿生条纹形活塞耐磨密封机理分析 .... 61
第5章 仿生条纹形活塞ABAQUS有限元分析及耐磨密封机理分析
前文中已经对泥浆泵的工作原理及活塞的运动规律进行了分析，也对标准活塞进行了有限元数值模拟分析，得到了活塞与缸套接触表面受力情况。利用有限元软件进行分析可以把复杂的工程问题转变为简单的模型求解问题、减少不必要的试验成本投入、有效地提高工作效率。本章主要是利用计算机对仿生活塞、缸套等各部件建立模型，并对模型进行数值模拟分析，寻找仿生条纹形活塞表面的结构参数对活塞受力的影响规律。在最优接触面积不变时，考虑条纹数目对活塞受力情况的影响，通过分析寻找到仿生条纹形活塞最优的结构参数。然后，对仿生条纹形活塞最优结构参数进行试验验证，并为研究活塞的耐磨密封性能提供理论依据。
5.1 仿生条纹形活塞有限元模型建立
为了对仿生条纹形活塞的耐磨密封效果进行分析，对 9 种仿生条纹形活塞的运动过程也要进行了模拟计算。仿生条纹形活塞与标准活塞的有限元模拟分析唯一的区别就是活塞的建模，根据表 3.2 仿生活塞试验方案，建立 9 种仿生条纹形活塞的模型。为了让有限元模拟分析结果具有对比性，活塞模型进行网格划分时使用智能网格划分，网格密度统一设置为 1.5mm，即 Approximate global size=0.0015（模型建立时单位长度为米）。网格划分完毕后，可以得到本文需要的 9 中仿生条纹形活塞，如图 5.1 所示。
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总结
泥浆泵是钻井设备中的关键部件，对矿产资源的开采起到了非常重要的作用。然而泥浆泵活塞的使用寿命较短，严重制约了泥浆泵的工作效率，影响了钻井速度、提高了钻井成本。本文对泥浆泵工作原理及活塞运动规律进行了分析，研究了活塞的失效形式及其失效原因。依据仿生非光滑耐磨理论，设计了仿生条纹形活塞，探索了仿生条纹形结构对活塞使用寿命的影响，分析了仿生条纹形活塞的耐磨密封机理。 本文的主要工作与结论如下：
1、泥浆泵活塞的失效形式主要包括磨粒磨损失效和挤伤失效，活塞失效的影响因素主要有摩擦热、活塞间隙、泥浆、缸套质量、泵压和冲次。通过对活塞运动规律的推导，得到了活塞的位移、速度方程。
2、依据仿生非光滑耐磨理论，设计了仿生条纹形活塞，进行了仿生活塞耐磨密封试验。试验表明，合理的条纹结构可以提高活塞的使用寿命，最大提高寿命 78.7%，而不合理的条纹结构也会降低活塞的使用寿命，最大降低寿命 63.7%。通过对 9 种活塞使用寿命的极差分析，确定了试验的主次因素 A、B，最优组合A2B2，即条纹宽度为 4.5mm，条纹间距为 5.0mm。研究了仿生活塞接触面积对使用寿命的影响，活塞与缸套最优的接触面积为 73.5%。
3、对标准活塞进行了 ABAQUS 受力分析，泥浆泵活塞唇部的接触应力大于泥浆泵的工作压力，能够阻止泥浆进入活塞缸套摩擦副，表明活塞刚开始工作时密封性良好。而活塞根部的 Mises 应力很大，导致活塞根部容易出现挤伤、磨损严重的现象。
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参考文献(略)
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第 1 章 前 言
1.1 课题研究背景
随着我国社会经济的快速发展，人民生活水平的显著提高，人们对畜禽产品的需求量随之增加，这就导致了畜牧养殖业的迅速发展。随着畜牧养殖业的不断发展，大量的畜禽粪便随之产生。目前我国每年畜禽粪便排放量(湿重)超过3×109t[1]，且利用率仅在20%左右。由于得不到及时有效的处理，大量畜禽粪便废弃物堆放在一起严重污染环境，危及到广大农民的身体健康。另一方面畜禽粪便是我国传统的有机肥料，养分齐全，有机物含量高，适量施用不仅可以改良土壤，还可提高农产品品质与质量。畜禽粪便的无害化，资源化处理和资源综合利用已成为今后我国畜禽粪便处理技术的发展方向，这也必将有利于我国农业可持续发展和农业污染的治理。而堆肥技术作为最有效，最常用的方法，是处理畜禽粪便的一个很好的途径[2～5]。在堆肥过程中堆肥物料的热质传递特性决定着堆肥反应物的发酵速度和效率，从而影响到堆肥产品的质量。因此堆肥过程中的传热传质在堆肥技术领域中是影响堆肥质量的一个重要研究课题。然而在现有的传统堆肥过程中，堆料压实度大、压实效应明显、通透性差及堆料的不均匀性导致堆体空间传热和传质速率变异增大，与堆肥过程堆体传热传质相关的温度、湿度和氧气浓度等各状态变量存在较大的空间梯度，在堆体内分布不均，不利于提高堆肥效率和堆肥产品质量。因此迫切需要高效的堆肥制剂来改善堆肥过程堆体热质传递性能。本试验以牛粪为堆肥原料，木醋液为堆肥添加剂，系统研究木醋液添加对牛粪堆肥过程堆体结构性能、堆体导热性能、温湿度场空间变化及堆体氧气含量扩散等的效果的影响，掌握堆肥过程中木醋液添加对堆肥热质传递各状态变量空间变化影响规律，研究成果可为牛粪堆肥过程热质传递各状态变量的调控，堆肥工艺条件的改进以及堆肥产品的资源化利用提供新的技术途径。
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1.2 畜禽粪便堆肥热质传递现象
温度是影响堆肥进行的关键性因素之一，在堆肥的最初阶段，堆肥物料各个部分的温度基本一样，但是随着堆肥化的进行，堆肥发酵过程微生物会分解有机质从而产生大量的生物热，由于堆肥物料的导热性较差，产生的热量很难及时扩散，同时，在堆肥的过程中，堆体越深堆肥物料压实度越强，多孔性下降，这样更加阻碍了热量的扩散传递，在这种情况下堆肥物料就会形成温度梯度，导致温度急剧上升[6]。畜禽粪便堆肥过程中的热量传递主要包括三个方面：一是在温度梯度下，气体、液体、固体都会以热传导的形式传递热量。二是液态水、水蒸气、空气及其他气体在堆肥物料孔隙内流动，在没有通风的情况下发生的自然对流换热，在有强制通风的情况下发生的强制对流换热，三是由于物料内存在温度梯度，在堆肥物料内的液膜表面会发生液态水的汽化和水蒸气的凝结，从而产生相变换热，在堆肥表面也会产生蒸发现象，继而产生相变换热。畜禽粪便堆肥传质过程可以分为微观和宏观两个过程。在微观过程中微生物分解有机质进行有氧发酵，氧气向基质中微生物细胞的扩散[7]，产生CO2、NH3、CH4等气体，水分以及一些酶与其他代谢产物从细胞的排出等。在宏观过程中，传质过程主要包括：氧气参与有机质分解向堆肥颗粒内的扩散过程，由于分子无规则运动引起的液体的蒸发现象，在没有强制通风的情况下随着空气流动堆肥产生的气体与大气发生的自然对流传质、扩散过程等。由于外部的强制通风而引起的强制对流传质等。内部在温度梯度、浓度梯度、压力梯度作用下的局部传湿等。
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第 2 章 试验材料与方法
2.1 试验材料
棉杆木醋液：由塔里木大学现代农业工程重点实验室生物质热裂解实验装置热解棉杆得到，热解装置如下图 2-1 及图 2-2 所示，将棉杆放入热解装置内，起始温度 20℃，终止温度 500 摄氏度℃，升温速率 7℃/min，保温时间 1h。木醋液成分由塔里木盆地生物资源保护利用兵团重点实验室检测得到。测得棉杆木醋液理化性质见表 2-2。
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2.2 堆肥工艺条件
堆肥在塔里木大学现代农业工程重点实验室进行，试验所用堆肥反应器有效容积为60cm×60cm×60cm 的方体结构，反应装置示意图和实物图分别如下图 2-3 及 2-4 所示。试验采用多点取样法，在如下图 2-5 所示的取样点（堆肥反应器为长方体，故只在其堆肥反应装置对称一侧上部、中部、下部共设置 9 个取样点）放置温度传感器(JCJ500B)及在取样点附近布置气体采集通道，在堆肥装置箱壁外侧同等位置打孔，插入 PVC 管与气体通道相连导出气体进行收集待测。当堆体温度超过 60℃鼓风机通风 30min，分别于堆肥过程的第 1、8、14、21、35、44、55 d进行样品的采集并进行人工翻堆一次，将相同层样品均匀混合为一个样，并保存在 4℃下待测。木醋液是经棉杆、枣枝等生物质利用的主要液体产物[33]。纯天然物质，无毒无害，黄向东[34]研究了竹炭与竹醋液添加到猪粪里面堆肥，能够快速启动堆肥反应并维持较长的高温时间，促进微生物繁殖从而促进有机质降解产热，并在堆肥较低的含水率下仍能保持较高的温度等。颜海龙[35]等人研究了苹果木醋液作用于堆肥对畜禽粪便的臭气（主要是 NH3）降解有明显的效果，从而间接调节堆体温度。木醋液应用在土壤改良方面的研究表明，木醋液结合木炭粉制成的木醋碳粉改良剂对土壤容重和含水量有显著影响，有降低土壤容重和增加含水量的作用[36]。从而改善土壤的通气和透水性[37]，有利于土壤中气体，水分，养分的运输和热量的扩散，除此之外木醋液具有使水分子团变小的功能，增强渗透力，能够使土壤中水分子更容易通过孔隙进行流动，由于堆肥介质是一种类似于土壤的多孔介质[14]，因而木醋液对土壤过的上述效果同样适用于堆肥，通过研究木醋液添加对畜禽粪便堆肥过程中的热质传递调控机理，从而改善堆肥产品质量以及为农牧业剩余物资源化利用提供新的技术途径。
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第 3 章 结果与讨论.....14
3.1 木醋液添加对牛粪堆肥过程传热传质性能的影响...... 14
3.2 堆肥过程热质传递各状态变量之间内在关系........ 25
3.2.1 堆体空间热导率特性变化与温度之间关系..... 25
3.2.2 堆体空间容重变化与水分关联分析..... 26
3.2.3 堆体空间容重变化与氧气含量关系..... 27
3.3 本章小结........ 28
第 4 章 基于层次分析法评价各堆体热质传递效果.........29
4.1 层次分析法简介........ 29
4.2 层次分析法评价各堆肥热质传递效果........ 29
4.3 本章小结........ 36
第 5 章 结论与展望.....37
5.1 结论.... 37
5.2 创新点........ 38
5.3 展望.... 38
第 4 章 基于层次分析法评价各堆体热质传递效果
4.1 层次分析法简介
所谓层次分析法（简称 AHP ），是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标（或准则、约束）的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序（权数）和总排序，以作为目标（多指标）、多方案优化决策的系统方法。是 20 世纪 70 年代初期由美国著名运筹学家、匹兹堡大学萨蒂首次提出来的[49,50]。由于系统、简洁、实用，在社会、经济、科技等许多方面，得到越来越广泛的应用。堆肥过程中热质传递效果实际上是多个参量综合作用的结果，在这里通过层次分析法来评价木醋液添加堆肥 4 种处理下热质传递效果，旨在确定哪种木醋液浓度添加下堆肥的传热传质效果最好，为木醋液作用于堆肥提供参考依据。运用层次分析法评价了木醋液添加 4 种堆肥处理下对堆肥热质传递效果的优劣，通过建立层次结构模型、层次单排序及其一致性检验、层次总排序及其一致性检验得出添加木醋液堆肥处理热质传递效果优于对照处理，2.9%浓度的木醋液处理热质传递效果最好，其次是 1.7%浓度木醋液处理，再次是 0.5%浓度木醋液处理。
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结论
本试验以牛粪为堆肥原料，木醋液为堆肥添加剂，系统研究木醋液添加对牛粪堆肥过程堆体结构性能、导热性能及温湿度场变化与堆体氧气含量扩散等效果的影响，掌握堆肥过程中木醋液添加对堆肥热质传递各状态变量空间变化影响规律及各状态变量之间的内在关系，采用层次分析法评价出木醋液添加各堆肥处理热质传递效果优劣，本实验研究对牛粪堆肥过程中热质传递各状态量的调控及堆肥工艺的改进提供技术支持。本文完成工作并得出以下结论：
1）木醋液添加堆肥过程堆体空间温度总体高于对照处理，堆肥初期升温速率明显高于未添加木醋液的对照处理。堆体每次翻堆后添加木醋液的处理温度上升幅度显著增大，添加木醋液的处理 1#、2#、3#堆肥温度变化曲线空间差异明显小于普通堆肥 CK，其中 3#堆肥温度变化曲线差异最小，其次是 2#与 1#，说明木醋液的添加促进了堆体空间层次热量传递，可缩小堆体空间温度层次差异，达到温度均质化的目的，有利于堆肥的进行。
2）堆肥过程中添加木醋液堆肥处理 1#、2#及 3#容重变化较对照处理明显减小，2#、3#处理容重层次性差异明显减弱，说明木醋液的添加缩小了堆肥空间容重差异，透气性均匀，有利于堆体内部氧气及水分的扩散从而提高堆肥效率改善堆肥产品质量。
3）堆肥初始及高温阶段，添加木醋液的处理堆体空间热导率较普通堆肥 CK 增大，其中 3#堆肥处理总体平均热导率最大，其次是 2#，尤其是在堆肥升温及高温期阶段 3#热导率一直大于其它处理，热导率越大，热量传递越快。
4）将灰色关联理论应用到堆肥湿度场研究上，通过灰色关联度可得出不同木醋液处理方式下，堆体上层渗透对中层堆体水分的补充程度不同；上层与下层和中层与下层的堆体水分的变化态势的接近程度较上层与中层弱，但是相比较而言，添加木醋液的接近程度较好，CK 较差，说明与没有添加木醋液的对照处理相比，木醋液的添加对堆肥过程中堆体水分的调控起到了较好的作用，堆体水分在垂直方向上的变化趋势相对较为缓和，堆体水分空间层次差异减小。1#、2#、3#处理方式上层与中层和中层与下层的堆肥过程堆体水分动态明显相似，正如灰色关联度越大，表明两者的曲线形状越接近，由此可见添加木醋液处理方式对堆肥过程不同层次堆体水分的变化发展态势产生较显著影响。
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参考文献（略）
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第一章 绪 论
1.1 研究的背景和意义
火星作为太阳系中与地球最为相似的星球，一直是深空探测的重点。火星上是否存在水、生命形式以及能否经过改造成为人类的“第二家园”，一直不断激励着人类开展火星探测。自 20 世纪 60 年代以来，人类共发射了 40 颗火星探测器，获得了大量的关于火星整体形态、大气成分结构、地表地貌等数据，极大的丰富了人类对于火星的认识[1]。同时，在今后的深空探测活动中，火星探测将是各国竞争的制高点，2015 年至 2035 年间，各国规划进行的火星探测活动多达 8 次，且今后 20~30 年的火星表面探测任务将侧重于表面环境（包括土壤组成成分等）及近表面环境的探测[1,2]。至今，美国、俄罗斯、印度、日本等都发射了各自相关的火星探测器。因火星与地球距离远，对遥测、自主导航、自主控制、运载火箭动力等都要求较高，长期以来均采用无人探测方式。我国在 2011 年曾借助俄罗斯“福布斯－土壤号” 搭载“萤火一号”火星探测器，后因变轨失败而失败。表层土壤取样分析能够直接揭示火星土壤是否含有水、有机质甚至生命形式等关键信息，在目前成功的火星探测器中，“凤凰号”（Phoenix）、“火星科学实验室”（Mars Science Laboratory）得到了应用。火星地表形态复杂，且在土层中可能含有冻土、石块[3]。这种条件使得采样过程中采样阻力变化不均匀，这对于着陆器\巡视器能量消耗及工作稳定性都产生重要的影响。因此，设计采样阻力小、工作稳定的采样铲对于地外星球采样具有重要意义。在自然界中，许多穴居动物在长期的自然进化过程中，形成了具有优良减磨减阻力学特性的爪趾结构，这种结构便于长期的穴居生活。生活在青藏高原的大型穴居地栖型啮齿类动物喜马拉雅旱獭，适应高原地区特有的气候、土壤条件，具有非常强的掘土本领。旱獭主洞至洞口的道洞约有 2m，个别达到 5m长，而且旱獭洞穴分为冬季洞、夏季洞、临时洞等不同功能的洞穴，洞穴结构十分复杂[4,5]。喜马拉雅旱獭这种掘洞能力对草原生态造成一定的影响。喜马拉雅旱獭爪趾作为掘土运动的直接执行部位，其结构特点对于掘土性能有直接的影响。
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1.2 表取采样器研究现状
探测器采用的表取采样方式主要为挖取和铲取采样。国外进行深空地外星球探测起步早，对于采样装置研制取得丰富的研究成果、并且多次得到实际的应用，主要分为月面表取采样器与火星表取采样器两类。表取采样铲是最先随着月球探测展开的。1967 年 4 月发射的 Surveyor 3 着陆器是美国第一个装有月表取样设备的探测器，Surveyor3 着陆器携带的挖斗型采样铲通过多杆机构进行链接，这种方式能够节省运输空间且能够增大采样半径，但此种机构需要电机驱动力较大，而且结构复杂，稳定性较低，如图 1.2 所示[6]。美国国家航空航天局（NASA）在1975 年发射 Viking 号探测器携带的采样机构在伸缩臂的控制下采样半径可以达到 3m，采样深度最大可达到 10cm，每获取 1cm3的土壤样品消耗的能量约在4~9kJ 之间，如图 1.3 所示[7,8]。2003 年欧洲航天局（ESA）将香港理工大学研制的钳取式的采样机构用于小猎犬 2 号的火星探测任务中，该型采样机构结构简单，最大采样深度约为2cm，如图 1.4 所示[9,10,11]。德国不来梅大学机器人研究所依据蜥蜴运动形式研制出一种仿生月球探测车，该探测车携带一种自动采样铲，能够自动获取 120mm3的样品[12]。但是，该种采样机构并未在火星探测活动中得到实际的应用。
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第二章 喜马拉雅旱獭爪趾形貌分析
2.1 引言
喜马拉雅旱獭（Marmota himalayana Hodgson）具有很强的掘土能力，这种掘土能力是与土壤在长期的相互作用过程中逐渐进化而来的。其爪趾作为直接与土壤相互作用部位，具有典型的爪趾结构，因此对爪趾结构的研究能够为揭示爪趾具有较强掘土能力的原由提供有益的参考。通过对获得的爪趾进行宏观尺寸的测量以及利用体式显微镜、扫描电镜对在自然磨损状态下的趾表面进行观察，得到爪趾典型的结构尺寸参数及细观结构，为研究爪趾/土壤的相互作用机理、提取爪趾的特征结构曲线提供依据。
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2.2 爪趾几何形态的量化分析
本研究采用的爪趾是在西藏拉萨的居民帮助下获得的，爪趾从喜马拉雅旱獭身体剥离后进行了风干处理。喜马拉雅旱獭四肢短而粗，前爪 4 趾，后爪 5 趾；前爪掌较小，后爪掌较大。因喜马拉雅旱獭前爪与后爪主要功能不同。后爪的主要功能是在加速起跑、运动过程中提供加速力；在站立过程中提供对身体的支撑；以及在掘土过程中起到辅助刨土的作用。前爪是其主要的掘土工具，因此，选取喜马拉雅旱獭的前爪作为研究对象。爪趾宏观尺寸主要包括爪趾长度 L（mm）、爪趾厚度 T（mm）和爪趾高度H（mm）。通过测量，分析同一爪上的各趾的尺寸变化规律。由于获得的旱獭爪趾数量有限，仅对获得的 48 只前爪趾进行测量。爪趾外观尺寸利用游标卡尺进行测量，按照各趾在前爪的位置从左至右依次命名为第一趾、第二趾、第三趾、第四趾。各趾在同一爪中的相对位置如图 2.1 所示。
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第三章 爪趾点云提取与曲线拟合分析..... 25
3.1 引言 .... 25
3.2 爪趾点云提取 ........ 25
3.3 爪趾特征点云提取 ..... 27
3.4 特征点的数值拟合 ..... 31
3.5 本章小结 ...... 37
第四章 采样铲仿生设计与仿真分析.... 39
4.1 引言 .... 39
4.2 爪趾与表取采样器的相似性 .... 39
4.2.1 功能相似性分析 .... 39
4.2.2 结构相似性分析 .... 39
4.3 采样铲挖铲仿生设计 ...... 40
4.4 仿真验证分析 ...... 44
4.5 本章小结 ...... 53
第五章 仿生铲实验台验证试验....... 55
5.1 引言 .... 55
5.2 试验前的准备 ........ 55
5.3 试验方案及过程 .... 575
5.4 试验结果与分析 ...... 59
5.5 本章小结 ...... 64
第五章 仿生铲实验台验证试验
5.1 引言
针对第四章设计的仿生采样铲，以采样铲阻力和扭矩为评价指标，在表取采样实验台进行铲取采样试验，分析采样铲与模拟火星壤的相互作用，讨论仿生设计的有效性。
5.2 试验前的准备
5.2.1 模拟火星壤的整备
试验中采用吉林大学研制的模拟火星壤[80]，原料为吉林省辉南县金川镇的孤山红色火山渣，该型模拟火星壤通过颗粒粒径控制使其与已知的探测器着陆点的火星壤力学参数接近[81,82,83]。在进行仿生验证试验前需对模拟火星壤力学特征进行测量。模拟火星壤含水率的测定。土壤含水率对于采样系数具有重要的影响，正常情况下的模拟火星壤中含水率应保证约为 0。因此在土槽中随机选取三个位置 6 次取样采集土壤。将获得土壤样品放置于电热恒温干燥箱中，在 110C°下保持加热 6 个小时。测得的土壤含水率为 0.20%（±0.32%）。
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结论
（1）测量爪趾的宏观结构可知，喜马拉雅旱獭第二趾长度、厚度、高度相比于其余各趾都大，第四趾相对比与其余各趾，其长度、厚度、高度都为最小。结合喜马拉雅旱獭挖土习性，得出前爪第二趾为掘土的主要爪趾。利用体视显微镜和扫描电子显微镜观测爪趾，得出爪趾表面为不光滑表面，趾两侧边缘呈现层状结构；趾表面有片层状的剥落痕迹，且趾轴向上呈现明显的三层分布结构，而且层与层之间的分界十分明显，趾顶端有羽状突出物。
（2）通过三维扫描获取了喜马拉雅旱獭前爪第二趾的特征点云，并在逆向工程软件中对获得的爪趾点云进行数据精简、点云光滑处理等，并利用一定间距的平行平面组截取特征点云，分别获得特征点云，并通过 CAD 软件，获得爪趾的相对应部位的特征点云的点云坐标。并在 Matlab 中对特征点云进行拟合，得出爪趾拟合特征曲线。对特征曲线分析可知，距离趾中心越远，特征曲线拟合方程越不稳定；从曲线曲率分析可知，爪趾内外弧曲线曲率呈现双驼峰变化趋势，即出现曲率先增大后平缓，至曲线水平后又弯曲程度有增大的趋势。
（3）分析喜马拉雅旱獭爪趾与表取采样铲的相似性，并根据爪趾拟合特征曲线和爪趾内外弧曲线曲率变化规律给出仿生表取采样铲设计方法，并依据火星表取采样器采用的基本形式，研制了两类基本类型的仿生表取采样器。
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参考文献（略）
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第一章绪论
1.1油菜轩资源概况
油菜属于十字花科，叶菜类，通过收获油菜籽榨油为种植目的的一年生或越年生草本植物。目前油菜种植主要分布在中国、澳大利亚、加拿大、欧洲等地，属于世界四大油料作物之一，同时也是我国的主要食用油来源。我国有着悠久的油菜种植历史，面积和产量都占了全世界总量的30%左右，居世界第一位。现在我国也逐步发展为甘蓝型油菜的集中产地之一，其中长江流域是油菜的主产区，如图1-1所示。其种植面积大约占全国油菜的2/3，产量占全国总产量的85%以上。解放初期，我国油菜的种植面积为160万力所2，产量约为80万吨。上世纪末，我国的油菜种植面积约为700万;WM2，产量达到830万吨。2004年，油菜种植面积超过了 1000万产量达到了 1318万吨，而且有逐年上升的趋势。我国每年食用油消费市场总量已经超过了 2400万吨。因为我国工业大生产的发展，油菜产量是世界上油料作物中增长最快的，油菜附产品的用途变得越来越广泛，可以制造肥阜、润滑油、油漆以及油墨等工业产品；广泛运用于机械制造、橡胶合成、化学化工、塑料生产、纺织制品、医药制剂等行业；另外，油菜饼柏是良好的动物饲料，我国饲料饼粕缺口约3800万吨[1]。虽然我国有着1000万如|2以上的油菜种植面积，但是由于油菜籽收获、储藏、加工的工艺环节还比较落后，导致全国食用油菜籽油年产量只有1000万吨-1100万吨，食用油的缺口部分只能依赖国外进口，导致食用油市场供求矛盾十分突出，也影响到我国战略安全[2],其中油菜籽的储存中由于霉变产生油菜籽的浪费情况十分严重。由于油菜籽收获正值长江流域霉雨季节，收获的油菜籽含水率在15%?30%，油菜籽粒径为1.27?2.10_，颗粒间间隙小，传热慢，不易散热失水，加之呼吸强度较高，易发热霉变，所以新鲜收获的湿油菜籽必须经过合适的千燥，方能安全储藏。为此，我国现在的油脂加工企业均明确规定了油菜籽入榨水分含量必须在9%以下，有些企业的要求待加工油菜籽在8%以下[4]。
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1.2干燥方式研究现状
真空薄层干燥利用，在大气负压下，水的沸点将低于locrc，较低的干燥温度就能出去物料中的水分。③优缺点：真空薄层干燥优点是不会改变物料的化学成分，不会影响物料的发芽率。缺点是真空薄层干燥的设备成本相对较高。适用于那些热敏性的、价值较高的物料，真空薄层干燥含水率20%左右的物料，一般干燥到含水率8%?9%所需要的时间为30min。真空薄层干燥如图1-2所示。物料中所含水分直接接触高压电场的干燥方式。②原理：利用不均匀的高压电场产生的离子风对物料表面的冲击作用来完成水分脱离的。③优缺点：优点是干燥能耗低、物料不升温、不污染环境、干燥均勻等特点。缺点是物料水分变化特性、干燥模型等研究还不是很系统。例如，物料在高压电场千燥时，施加多大电压的，应用的电场种类，如何控制两电极间距离等规律还待研究者们进一步去探究，以便更好地应用于农业生产[9]。④适用对象：中药材、生物制品、农产品等热敏性物料的干燥。
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第二章油菜轩干燥物理特性研究
2.1初始含水率的测定
2.1.1试验目的
测定新鲜油菜籽的初始含水率范围
2.1.2试验材料及试验设备
试验材料选择型号为湘杂油1631号的双低油菜籽，新鲜油菜好获取后，除杂，放置于3-4°C的冰箱冷藏室中等待试验开展。试验设备如表2-1所示
2. 1.3试验方法
首先对油菜籽的初始含水率进行测定，测定方法根据油料检验国际标准GB/T5497-1985。采用105°C恒重法。样品选取8组，每组lOg新鲜油菜籽。具体操作的方法如下[16]:(1)取干净的空银托盘，将其置于电热恒温鼓风干燥箱中以io5°c (误差为土rc)干燥15min?20min取出，置于干燥器皿内冷却至室温取出。(2)将电子分析天平调零（去皮)，对干燥空银托盘称重。(3)将空招托盘再次放入鼓风干燥箱中干燥15min?20min取出，置于干燥器皿内冷却至室温取出称重。重复以上步骤，烘至前后两次重量差不超过0.005g，空锅托盘即为恒重。(4)用电子分析天平称取试验样品，将烘干至恒重的空错托盘（wo)称取试样油菜籽lOg (wi),称取误差 ±0.005。(5)将装有试样油菜籽的银托盘放入电热恒温鼓风干燥箱内，设定105°C烘干30inin，取出，加盖，置于干燥器皿内冷却至室温，取出称重后，再按以上步骤对装有油菜好进行复烘，每隔30min取出冷却称重一次，供至前后两次重量差不超过0.005g为止，如后一次重量高于前一次重量，以前一次重量计算W2。
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2.2新鲜油菜符静态干燥特性曲线、干燥速率曲线的测绘
试验材料选择型号为湘杂油1631号的双低油菜籽，新鲜油菜轩获取后，除杂，放置于3-4°C的冰箱冷藏室中等待试验幵展。赛多利斯电子分析天平如图2-1所示，通过油菜籽在加热过程中水分的散失，质量的减少，系统每隔O.lmin显示一次当前油菜籽蒸发的湿基含水率来测定物料的失水情况[20]。赛多利斯电子分析天平的烘干时间可以选择两种模式：第一种烘干时间为0.1到99min内自定义，第二种是被烘干物料质量不再发生变化时，烘干自动停止。从图2-2千燥特性曲线和图2-3干燥速率曲线可以得出：该油菜籽的油菜籽样品的初始含水率为28.70%,湿基含水率随干燥的进行不断下降。在干燥温度为105°C时，油菜好的最大干燥速率为0.0634g/g*min干燥速率在开始1.5min有一个上升过程。油菜好105°C静态干燥前3min，近似可以看成油菜籽的匀速干燥阶段，随后转入降速干燥阶段，匀速阶段与降速阶段的转折点的湿基含水率，即临界含水率，从干燥特性曲线图和干燥速率曲线图上可以看出，105°C干燥油菜籽的临界含水率为18%。从干燥特性曲线图可以看出油菜籽在105°C条件下干燥到安全含水率的9%以下的时间为7min。
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第三章油菜籽旋风烘干机设计及零配件选择........20
3.1旋转热风干燥机的工作原理及优点........20
3.1.1旋转热风烘干机三维图........20
3.1.2旋转热风干燥机的工作原理........20
3.3关键部件的设计........22
3.4本章讨论与小结........30
第四章干燥参数对油菜籽旋风干燥过程的影响........32
4.1旋转热风烘干机单因素试验研究........32
4.2油菜籽干燥工艺流程........21
第五章油菜籽旋风干燥工艺参数的优化研究........44
5.1试验材料与方法........44
5.2结果与分析........45
5. 3讨论与小结........49
第五章油菜籽旋风干燥工艺参数的优化研究
引言
第四章中考察了不同的干燥因素分别对油菜好烘干过程的影响，本章在此基础上考察几个影响因素的综合作用，分别以干燥到安全含水率时，所需要的时间和能耗作为评价指标，进行油菜好旋风干燥工艺参数的优化，同时对干燥后油菜籽品质化学成分的测定评价。上一章节的试验研究中，分析了旋风温度、风速和初始含水率对油菜籽干燥的影响规律。我们进一步来优化油菜籽旋风干燥工艺参数，对油菜籽的这三个工艺参数进行正交试验。首先，选取旋风温度（A)，风速(B),初始含水率（C)为三因素，根据单因素试验结果，分别选定三个水平，设计正交试验。具体因素水平见表5-2所示。将导致试验指标在数值上更大的变化，所以极差最大的那一列，就是最主要的因素。根据R值的大小,可以看出，A：旋风温度为最重要的影响因素,其次为B:旋风风速,最后为C:初始含水率。这3个因素对试验评价指标影响的主次关系为:A〉B) C。本试验的指标是时间，指标越小越好。对试验的结果做方差分析十算结果如下表5-4所示。
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总结
1.介绍了油菜杆的物理特性，化学成分组成，测定了新鲜油菜粹的初始含水率，绘制了油菜籽在静态的不同干燥条件下的干燥特性曲线，干燥速率曲线。得出了油菜籽在不同干燥温度下油菜籽的发芽率，外观性状的影响。同时，获得了油菜籽本身的干燥最大温度。
2.根据旋风烘干工艺的原理，制定合理的油菜籽旋风烘干工艺流程。并根据实际干燥试验的需要和试验用油菜籽的物理参数条件，进行油菜籽的旋风烘干机的工作参数理论计算、结构设计、零部件选型。
3.进行了油菜籽旋风烘干参数的研究，主要以旋风温度、旋风风速和初始含水率对油菜籽旋风烘干过程的影响分析。以试验数据结果为依据，绘制油菜好的旋风烘干过程的干燥特性曲线、干燥速率曲线。通过测定油菜籽的挥发性成分指标考察旋风干燥参数对油菜籽干燥品质的影响。
4.在单因素旋风供干试验过程的基础上，研究油菜籽旋风供干工艺参数的优化试验，分别以干燥能耗和干燥实践为评价指标，对试验结果进行分析，并对结果进行优化和验证。
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参考文献（略）
专业农业论文范文精选篇九
第一章绪论
1.1课题研究的目的与意义
中国是世界上最大的烟叶生产国，约占世界总产量的30%多，但烟草生产机械化水平很低，随着国民经济的发展，农民工进城务工增多，使得大量的农田被相对集中起来，大大提高了人均种烟面积，烟农们通过扩大种植规模增加可能的收入，所以执行机械化移栽自然地成为了我国烟草种植发展过程中迫切需要解决的问题[1][2]。积极推动烟草移栽机械化的发展不仅是要解放劳动力，也是为了提高烟草种植的生产效率，更是我们向集约型经济模式发展的重要一步，进行全面地、深入地烟草移栽技术机械化的研究将是中国乃至世界农业发展的重点，现今烟草移栽机设备在市场上己较为常见，但更多的是半自动的烟草移栽机，由于各方面的原因使得实现完全机械化烟草移栽的进程相当缓慢，目前广泛使用的这些半自动移栽机都是依靠人工喂苗[3]，一般以单行人工投苗为主，一般单人投苗速度为40?50株/min,最快可以达到60株/min⑷，但是劳动强度比较大，移栽速度受到限制，工作效率低。为了实现移栽机全自动化，达到降低劳动强度、提高移栽效率的目的，解决送苗问题就成为了当务之急[5]。目前广泛使用的半自动移栽机完成的工作仅仅是将幼苗种植到旱地而已，近些年来，也有不少的自动取苗机构出现但是由于一些技术难题，为这些半自动移栽机配置自动取苗及送苗机构的相关研究偏少。如果能将半自动移栽机升级为全自动移载机，将大大提高烟草自动移载的工作效率，降低劳动强度，节约劳动力，提高移栽效率。目前，国内出现了一些旋转式的取苗机构，但只能实现定点取苗，所以设计一种能适应旋转式取苗机构的送苗机构是关键环节。针对该问题本论文提出的烟草移栽机自动送苗机构及其试验装置的研究，目的是为了实现集自动送苗、取苗及栽植为一体的全自动移栽技术，对推动全自动烟草移栽机技术的发展有一定的作用。
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1.2国内外研究现状
在20世纪初，一些欧洲国家大面积种植蔬菜等经济作物，开发出一些早期的作物移栽设备[12][13]。但这些机具多为半自动机器，仅仅减轻了劳动者肢体的劳动强度，而且速度也受到限制；到20世纪30年代末，己经开发了一种取代人工栽秧的机械，实现了机械化种植；20世纪50年代，欧洲国家开始研究钵苗培育及移栽技术，研制出来了各种半自动移栽机[8];到了 70年代末，B.LHuang等发明了非常适合作物自动移栽的空气整根育苗技术，在此基础上B.k.Huang提出了整个钵苗系统的移栽方案，对精密苗盘播种机和全自动移栽机进行了设计，这种机具对能多种农作物进行移栽，有很好的通用性，但是其体积太大，成本太高，后来H.L.Brewer等人经过多年的研究、改进而设计了箱式移栽机20世纪50年代末60年代初，我国进行旱地栽植技术的研究[16]，在国外移栽技术的基础上研制出棉花营养钵育苗移栽机和甘薯秧苗移栽机；甜菜的裸根苗移栽机在20世纪70年代被研制出来，80年代半自动化蔬菜栽植机被国内研究者研制出来。虽然送苗装置在旱地烟草移栽领域的研究我国基本上处于空白状态，但钵苗移栽机发展至今，己经比较完善，各种类型的钵苗移栽机形成了一系列的产品目前，钵苗移栽机可分为钳夹式、链夹式、吊篮式等，其中，主要有带式送苗、导管送苗和圆盘送苗等钵苗移栽机送苗方式[13][19-24]。
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第二章穴盘苗烟草移栽机送苗机构设计要求分析
2.1穴盘育苗农艺特性
集中育苗，节省育苗场地、能源和种子，穴盘育苗采用一穴一粒，每万株苗煤炭的消耗量是常规育苗的25%至50%，节省能源2/3。穴盘育苗单位面积仅为常规育苗的1/5，大大提高了经济效益。利用工厂化专业化的生产方式来进行穴盘育苗，有利于推广优良品种，减少假冒伪劣种子的危害的扩散，有利于科学管理的规范化，提高育苗质量。此类育苗盘一穴一苗，整齐有序，能更好的适应全自动移栽机自动取苗机构对其进行取苗动作，为更快的实现全自动移栽技术提供了试验条件。
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2.2穴盘规格及物理特性
本课题针对如图2-la、C所示材质的不同规格的两种穴盘设计了送苗机构。如图2-la所示，黑色穴盘苗为塑料制成，材质较软；通过对穴盘的测量与测试，得出穴孔个数为16x8分布，长宽高为：530x280x45mm;烟苗每株平均质量为8.1g，带基质的烟苗平均质量为31g，空穴盘的质量为n0.4g。如图2-lc的穴孔个数为4x5分布，长宽高为：280x200x45mm，烟苗每株平均质量为10.7g，带基质的烟苗平均质量为42.1g，空穴盘的质量为80.5g。
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2.3烟草移栽机自动送苗机构的设计要求
根据以上叙述的穴盘及取苗机构的结构特点，对本课题所需设计的送苗机构进行初步分析，穴盘的穴孔中均有一颗生长良好的烟草幼苗，故送苗机构的主要任务就是在取苗机构进行取苗时，准确的将穴盘的某一个穴孔输送到特定的取苗点。在本课题中，设计将取苗机构固定在移栽机的适当位置处，送苗机构准确的移动穴盘至取苗爪取苗位置，为了防止穴盘在下落过程中与烟草自动移栽机栽植部分、回收机构部分发生干涉，特将穴盘的16穴方向作为横向，8穴方向作为纵向，先横向移动完成一排16个穴孔的送苗作业，然后纵向进给一个穴孔，之后反向横向移动完成下一排16个穴孔的送苗作业，如此往复运动，保证运动轨迹为“弓”字型，直至一个穴盘的送苗作业全部完成。以此为设计基础，将送苗机构的送苗功能转化为横向送苗设计要求和纵向送苗要求。
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第三章移栽机送苗机构及苗盘回收机构设计.........12
3.1送苗机构总体结构........12
3.1.1送苗机构的目标参数........12
3.1.2送苗机构的结构组成........12
3.1.3送苗机构工作原理........13
3.2横向送苗机构设计........14
3.3纵向送苗机构设计........22
3.4苗盘回收机构的设计........26
3.4.1回收机构工作原理........26
3.4.2关键零件的设计........27
3.5本章小节........30
第四章移栽机送苗机构运动学与动力学分析........31
4.1概述........31
4.1.1横向送苗运动学分析........31
4.1.2纵向送苗运动学分析........32
4.1.3运动学仿真分析........35
4.2动力学分析........36
4.3.本章小结........46
第六章烟草移栽机自动送苗机构试验台的设计与试验
6.1试验台的设计
烟草移栽机送苗机构的机架由导轨滑块、支架和行走轮组成，机架的底部安装四个行走轮，导轨固定在支架上，滑块安装在导轨上，其行走动力由电机提供，通过链传动带动机架和取苗机构运动；穴盘支架由送苗板、纵向送苗机构和附件组成，穴盘支架与滑块固定在一起，安装在导轨上，通过电机和导轨滑块的作用，穴盘支架在机架上左右运动，实现横向的往复运动；苗盘回收机构由输送带、电机、托举凸轮等组成，送苗完成后的苗盘均通过苗盘回收机构统一进行回收处理。通过横向、纵向间歇送苗机构的配合，可实现全自动送苗功能，并与取苗机构、回收机构相配合，实现机械化的全自动取苗、送苗、苗盘回收过程。对其进行余量放大，实际选取功率为250w的PC MOTOR鹏丞交流调速电机，其功率和扭矩均能满足横向、纵向送苗机构、取苗机构的要求。通过理论分析和虚拟样机的模拟，基本上完善了整套送苗机构试验台的结构参数，整个试验台长1.5m，宽1.5m,高Im;试验样机由湖南农业大学工学院设计，经过PRO/E建模，运动仿真及分析，再生成CAD图纸进行加工试制，历时两个月完成。如图6-3所示为部分零部件组装实物图。
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结论
本文针对南方烟草移栽的农艺要求设计了一种穴盘苗烟草移栽机送苗机构，要求能根据烟草的物理和农艺要求做到间歇送苗，并与取苗机构配合实现同步取、送苗。用圆柱分度凸轮机构和棘轮机构分别提供横向和纵向间歇运动。并根据分析优化了棘轮机构，实际制作了样机试验台，得出以下结论：
1.对不同规格的穴盘做了一定的研宄，目前运用最广泛的育苗方式为漂浮育苗，其均釆用穴盘苗育苗的方式。由于穴盘材质有所区别，目前使用最多的为聚乙烯泡沫盘和塑料盘，泡沫盘规格为：20><10个穴孔，长宽高为670mmx340mm><55mm。
2.设计了送苗机构及苗盘回收机构，包括送苗机构与取苗机构的运动配合关系，以及与苗盘回收机构的配合关系，确定了苗盘回收机构关键部件的参数：凸轮轮廓半径140mm,凸轮转速30r/min;根据送苗过程中的运动和停歇时间要求、烟草移栽的农艺特性及取苗机构的运动特性，确定了圆柱分度凸轮机构和棘轮机构为本课题的间歇机构，确定了圆柱分度凸轮的运动参数：分割器工位为6,驱动角为270°，分度器输入轴转动360°,输出轴转动60°,动停比为3:1;棘轮机构的主要参数：齿数16,摆杆半径80.5mm，选取传动链条为08B;
3.运用PRO/E软件对送苗机构进行了运动学分析；运用ADAMS软件用扭摆法对棘轮的转动惯量进行了测定，运用MATLAB软件计算出满足送苗时间的不同棘轮齿数的扭矩变化曲线，并得到了峰值。
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参考文献（略）
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第一章 绪论
1.1 选题背景及意义
地面机械，无论是直接与土壤作用的农业机械和挖掘机械，还是在地面行走的军事车辆和工程机械，其触土部件的粘附问题一直是国内外许多学者关注及研究的重要技术问题。尤其是土壤、滩涂、湿地、沼泽、雪地、稀泥等对车轮、履带和作业部件表面的粘附和阻力，严重影响机械的工作效率、使用寿命和作业质量，造成大量能量浪费，严重时甚至使机械无法正常作业[1]。如图1.1所示为镇压滚作业时粘附土壤情况。大量的生产实践表明，土壤粘附问题造成了大量的能源浪费，严重制约着农业及工程领域的发展。在土方工程领域，土壤对挖掘机挖斗、装载机铲斗、自卸车车厢等工作部件的粘附积土量可达其斗(厢)额定容量的20%～50%[2]，降低生产率 30%[3, 4]；在农业工程领域，土壤粘附使犁耕阻力增加30%以上[5, 6]，耕整机械能耗增加 30%～50%，使播种机械减小出苗率 5%～10%[2,7]；在能源工程领域，煤矿矿车和发电厂斗轮机轮斗平均粘煤量可达其额定容量的 40%，降低生产率 30%～47%[8, 9]。粘附问题已经是一个亟待解决的问题，减粘减阻问题已成为农业机械化工程理论与技术研究的重要内容。
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1.2 固体与土壤粘附系统研究
对于土壤粘附问题，人们很早就进行了各种有益的尝试，两千多年前的山西阳城疙瘩犁，是在犁面上铸有凸起疙瘩的犁壁，这种犁的脱土性能特别好，而且在粘性土壤中不粘土。但是对于土壤粘附的理论研究还是始于20世纪20年代。随着科学技术的进步和近一个世纪的发展，人们对于土壤粘附的研究通过不断的积累已有了较为深刻的认识，并取得了一定的进展。针对土壤粘附的研究主要集中在粘附机理、粘附规律和减粘脱土方法与技术三个方面，本工作主要从仿生学的角度出发研究粘附机理及规律，从而发现减粘脱附的方法及技术。土壤粘附系统一般有触土部件、界面、土体三部分组成，是一个多相系统。土壤与触土部件的粘附大多情况属于动态粘附，土壤粘附不仅与构成粘附系统的土壤、固体材料表面性质和界面状态有关，也与系统的力学环境有关。土壤-固体粘附系统是个动态系统。粘附系统界面状态和作用环境是随时间变化的。因此，可以说，在任一瞬间，土壤的粘附特性是粘附系统各因素综合作用的力学效应，且这种力学效应是随时间变化的函数[30]。土壤粘附触土部件能力的大小，通常用粘附力来度量。土壤粘附具有方向性，一般土壤粘附力分为法向粘附力、切向粘附力和剥离粘附力[31,32]。
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第二章 仙姑弹琴蛙体表形貌分析
仙姑弹琴蛙属于脊椎动物门两栖纲无尾目动物，分布在我国云南、四川等地区，多生长在山区静水的池塘旁边，穴居在泥土中。仙姑弹琴蛙的躯体比较肥硕，头部扁平，头部成三角形且头长略大于头宽。雌雄比较容易区分，雄蛙口角后上方各有一个红褐色外声囊；腹部体表非常光滑，背部和腿部有黑褐色的斑纹，背部有少许扁平疣；一般后肢长于前肢，后肢比较发达，后肢用来跳跃和挖洞，后肢有股、胫、跗、跖、趾五部分组成，趾与趾之间有蹼；前肢由上臂、前臂、腕、掌、指五部分组成，指间无蹼，前肢一般用于交配时抱对。仙姑弹琴蛙成蛙的平均长度为雄蛙45mm、雌蛙47mm，重量在8.5g～15.7g，一般生长在海拔900m～1600m的山区的池塘里。研究发现，大多数的雄性仙姑弹琴蛙为了吸引雌性都会自己筑泥窝（如图1.2），与雌蛙在泥窝中交配产卵，卵在泥窝中孵化成蝌蚪。为了使蝌蚪很好的成长，雄性仙姑弹琴蛙一般将泥窝建在水池旁边，泥窝的洞口略高于水池的水面，洞底又低于水池的水面，这样既保证洞内在蝌蚪发育期间长期有水，又避免水量过大淹没泥窝。仙姑弹琴蛙的泥窝形状建造的非常特别，洞口较小，可以用来防御天敌；中间部分较大，可以保证在交配过程有足够的空间，又能满足蝌蚪的生长需求[29]。仙姑弹琴蛙在稀泥中打洞的能力是生物长期进化的结果。通过观察发现，仙姑弹琴蛙能够在泥洞中活动自如，并且体表粘附极少，这一不粘泥的特征可能与仙姑弹琴蛙的体表几何结构和体表液有关。试验中的仙姑弹琴蛙成体采集于四川省峨眉山海拔1300m～1500m的七里坪的池塘附近。
2.1 仙姑弹琴蛙表面的微观特征
土壤洞穴动物体表普遍具有几何结构特征。利用这一特征进行触土部件的减粘减阻的仿生研究表明[62,63]，土壤洞穴动物体表的结构单元形状、尺寸及分布对土壤减粘具有显著的影响。因此，为了得到更多的体表结构信息，对生物的体表形貌研究是必要的。本文工作主要利用体视显微镜和扫描电子显微镜分析仙姑弹琴蛙体表的结构特征，旨在揭示仙姑弹琴蛙体表几何结构对土壤粘附的影响。
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2.2 仙姑弹琴蛙体表的润湿性
润湿是指液体与固体接触过程中，液体沿固体表面扩展的现象。通常是指液体将气体挤压出固体表面，有液-固界面替代气-固界面的过程，属于一种界面流体互换的现象。液体与固体润湿的程度一般用接触角来度量，接触角是指气、液、固三相交界处，分别作气-液和液-固界面的切线，两条切线之间的夹角即为接触角，通常用θ表示(如图2.7所示)。0°＜θ＜90°时，液体在固体表面上有铺展趋势，此时液体对固体表面的附着力大于其内聚力，称为液体润湿固体；θ=0°，称为完全润湿；90°＜θ＜180°时，液体在固体表面上有收缩成球形趋势，此时液体对固体表面的附着力小于其内聚力，称为液体不润湿固体；θ=180°时，称为完全不润湿。
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第三章 仙姑弹琴蛙的三维扫描及处理..... 19
3.1 仙姑弹琴蛙的逆向工程研究 ....... 19
3.2 仙姑弹琴蛙点云的采集 ..... 20
3.3 仙姑弹琴蛙点云处理 ....... 23
3.4 仙姑弹琴蛙三维模型重构 ......... 28
3.5 仙姑弹琴蛙特征曲线提取及分析 ......... 31
3.6 本章小结 ..... 39
第四章 仙姑弹琴蛙的压力特性分析....... 41
4.1 实验设备 ..... 41
4.2 试验条件的确定 ..... 42
4.3 实验结果及分析 ..... 43
4.4 本章小结 ..... 47
第五章 仙姑弹琴蛙体表与土壤的粘附..... 49
5.1 仙姑弹琴蛙粘附特性实验准备 ..... 49
5.2 仙姑弹琴蛙粘附特性试验方案设计 ....... 52
5.3 本章小结 ..... 62
第五章 仙姑弹琴蛙体表与土壤的粘附
5.1 仙姑弹琴蛙粘附特性实验准备
一般来说，土壤洞穴动物经过自然选择进化，体表与土壤的粘附力较金属的小。仙姑弹琴蛙是一种典型的稀泥环境动物，本工作选择以仙姑弹琴蛙为研究对象，由于仙姑弹琴蛙的体积较小，体表产生的粘附力很小，对其测量设备的精度要求较高。目前国内外还没有标准的粘附力测试系统，而且一些单位设计的粘附力测试系统一般只能测量较大的粘附力，无法对弹琴蛙体表这样的微小粘附力进行测量。根据现有的实验条件，本工作选择高泰检测仪器有限公司生产的QT-1186电子拉压力测试系统。但是原有试验机的传感器量程较大，精度较低，不能满足实验要求，因此在原有的测试系统的基础上，将原来量程5kg的‘S’型拉压传感器换为量程为1kg的‘S’型拉压传感器，型号LDCZL-SD，测量精度达到0.02g，满足实验精度要求。试验除采用QT-1186电子拉压力测试系统等主要设备之外，还需要盛放土壤的土盒和用来固定土盒的卡具。此外，由于需要做对比实验，需要加工相应的对比试样，对比试样选用铝试样。
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结论
(1) 利用体视显微镜观察仙姑弹琴蛙的体表结构特征发现，仙姑弹琴蛙体表的不同部位具有尺寸和形状不同的凸包和凹陷结构，这些细、微观结构在一定程度上可以增加仙姑弹琴蛙的体表表面积而提高体表的呼吸能力，此外，一些腺体分布在这些凹陷之中，这些腺体在仙姑弹琴蛙受到周围环境刺激时，会分泌体表液，这些体表液首先存储在腺体镶嵌的凹陷中，可以减少体表表面的水分蒸发速度，使体表始终处于比较湿润的状态，进而降低表皮对稀泥的粘附。此外，这些腺体可以分泌一些色素，仙姑弹琴蛙通过分泌的色素调节体表颜色变化，形成保护色，进而适应周围环境的颜色。色素可以吸收太阳辐射的某些光线，保证其生命活动的健康进行。仙姑弹琴蛙的前爪有四趾，指间无蹼。仙姑弹琴蛙雄蛙在生殖季节期间，雄蛙第一趾基部内侧有一膨大突起，称为婚瘤，一般用于配对时抱对。
(2) 利用蔡司金相显微镜和扫描电子显微镜进一步观察仙姑弹琴蛙不同部位的体表微观形貌，发现不同部位的微观形貌不同。仙姑弹琴蛙头部体表密集分布着凸包，这些凸包大多数成圆形，其半径为20μm—40μm。凸包与凸包之间的间隔较大，间隔距离为20μm—50μm。仙姑弹琴蛙背部体表呈现一些不规则的凸起，凸起与凸起之间形成了与凸起尺寸大小相当的凹陷，这些凸起没有固定的形状，这些凸起的尺寸长度为40μm—70μm，宽度为20μm—40μm，与头部形态，背部凸起排列的凸包较疏松。仙姑弹琴蛙腹部体表的微观单元一般成凸起的多边形结构，多边形结构分布明显，多边形尺寸为40μm—60μm之间，在某些多边形的中间有凹陷，在凹陷内镶嵌着直径为20μm—40μm的腺体结构。仙姑弹琴蛙腿部体表分布着圆形凸包，凸包大小比较均匀，半径尺寸在25μm左右，凸包与凸包之间的间隔较大，间隔距离为40μm—80μm。
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参考文献(略)