農機觸土部件減粘脫附技術研究現狀與展望*

王蓮冀，廖勁楊，胡紅,2，劉露，白鑫，陳春霖

(1.西華大學機械工程學院，成都市，610039；2.西華大學現代農業裝備研究院，成都市，610039)

0 引言

在農業機械實際作業中，土壤粘附是一個較為常見的現象，其所造成的農機觸土部件的減粘脫附問題目前仍困擾著國內外專家學者。早在1833年，舒伯勒等便開始研究土壤的物理性質與土壤粘附的相關性，并測定了當時用來作為耕作工具的木頭和鐵與土壤之間的粘附力[1]。在我國，錢定華[2]從1963年開始研究重粘土對灰鑄鐵以及白口鑄鐵等金屬的粘附性。一些典型的易發生土壤粘附的農業機械有鏵式犁、旋耕機、整地機、松土機、挖坑機、中耕機、圓盤耙、鎮壓器、播種機、栽植機等，這些機械易發生土壤粘附的原因主要是它們的觸土部件都會與土壤充分接觸發生相互作用，如鏵式犁將土壤表層打碎并耕出溝槽，播種機的開溝器需要與土壤接觸開出種溝以保證種子播入土中，挖坑機需要將鉆頭完全插入土壤中進行往復運動等。這些農業機械在實際的作業中都會被土壤粘附問題所困擾。土壤的粘附不僅會影響農業機械的作業質量，還會影響機械的使用壽命。研究表明，農業機械因土壤的粘附作用和摩擦力所消耗的能量占整個生產作業環節的30%～50%[3]。因此，本文在分析了農機觸土部件產生土壤粘附的原因及其對農機作業的影響基礎上，從五個方面對國內外農機觸土部件減粘脫附技術研究現狀進行介紹，以期為該領域相關研究和技術應用提供參考。

1 觸土部件產生土壤粘附原因與影響

1.1 農機觸土部件產生土壤粘附原因

在農業機械實際作業中，土壤粘附是一個對農機作業效率影響較大的因素。資料顯示，土壤與農機觸土部件之間的粘附力實際上是一個動態的組合，與部件材質、運動方向和土壤類型等因素均有關系，其中土壤類型是最主要的影響因素。不同類型土壤的含水率、組成成分、有機質含量等物理性質均不相同，其中土壤含水率是對觸土部件與土壤之間粘附力影響最大的因素。土壤含水率大小可分為塑限和液限，土壤與農機觸土部件之間的粘附力主要分為法向粘附力和切向粘附力[4-8]。

1.1.1 法向粘附力

研究表明，土壤粘附力與土壤濕度的關系基本符合二次拋物線[9]。當土壤濕度在塑限之下時，土壤與金屬接觸，在兩者所構成的界面之間的接觸點非常少，此時土壤含水率比較低，毛細管力以及水的粘滯阻力也基本不存在；當土壤的含水量到達塑限時，土壤在受到壓力后會發生變形，并與機械部件的金屬表面發生化學吸附，與此同時水的粘滯力以及毛細管力也開始出現，共同構成了土壤的粘附力；當土壤的含水率持續增加且達到液限之后，土壤中的水開始成為影響粘附力的主要因素，此時土壤與觸土部件之間的粘附力下降，水分子與觸土部件之間的粘附力增加，總的粘附力開始減少；當土壤含水率持續增加，此時土壤與觸土部件之間的粘附力基本消失，而水分子與觸土部件之間的粘附力也下降，最后只剩下水的粘滯阻力成為土壤的粘附力。如圖1所示，當法向粘附力P大于土壤內聚力C時，觸土部件表面則發生土壤法向粘附。

圖1 法向粘附力示意圖Fig.1 Schematic diagram of normal adhesion force1.農機觸土部件 2.土壤

1.1.2 切向粘附力

切向粘附力與法向粘附力在相同的條件下，大小是近似相等的，在實際作業中，因為還存在著切向摩擦力，所以切向摩擦力加上切向粘附力組合在一起是比法向粘附力更大的[10]。如圖2所示，N為法向正壓力，當農機觸土部件表面所受土壤阻力τ大于土壤的內聚力C時，此時土壤法向粘附和切向粘附共同作用在農機觸土部件上。

圖2 切向粘附力示意圖Fig.2 Schematic diagram of tangential adhesion force

1.2 土壤粘附對農業機械作業影響

農用機械在實際作業中，會有大量土壤粘附在其觸土部件上，對農機作業阻力功耗、作業質量與部件壽命均有較大影響。研究表明，農業機械觸土部件是農機部件中最易發生磨損的部分，約占所有失效部件的80%[11]。

1.2.1 對作業阻力與功耗影響

因為土壤附著在機械部件上，加大了機械的質量，從而使機械在實際作業中會因為自身質量的增加而受到更大的阻力，隨著阻力的增加，機械的功耗也會隨之而增加。在農業機械作業中，克服土壤粘附力以及摩擦力所消耗的能耗占整個生產環節的比例非常大，鏵式犁因土壤粘附會導致耕作阻力增加30%以上[12]，功耗增加30%～50%[13]。

1.2.2 對作業質量影響

土壤對農業機械的粘附會降低其作業質量。土壤粘附在農業機械的觸土部件上，會影響農業機械如旋耕機具和深松機具在其作業后地表的平整度、耕深和耕寬等指標。研究表明，土壤粘附在秸稈粉碎還田機的滅茬粉碎刀上，則會造成秸稈粉碎質量以及滅茬效果下降，并影響后續工作質量[14]；大蒜收獲機作業時，土壤會粘附在大蒜上，隨著作業繼續，所附帶的土壤會堵塞機器并進入收獲箱中，降低收獲率，影響收獲質量[15]。播種機械因土壤粘附，出苗率會降低5%～10%[16]

1.2.3 對農機部件壽命影響

土壤對機械的粘附也會使機械的使用壽命縮短。因為機械工作阻力的增加使機械零部件之間所受到的相互作用力也更大，零件的磨損則會加劇。并且農業機械的工作部件大多為鋼鐵等金屬材料，因此在土壤粘附后還會容易發生生銹，導致增加機械表面之間的磨損，降低使用壽命。

2 農機觸土部件減粘脫附技術研究現狀

隨著科學技術的進步，農機觸土部件的減粘脫附技術已取得一定的成果。目前，國內外主要從表面改形、表面改性、電滲減粘脫附、機械減粘脫附與加熱減粘脫附五個方面進行農機觸土部件設計，并形成了相應的減粘脫附技術。

2.1 表面改形減粘脫附技術

表面改形減粘脫附技術是指通過改變農業機械觸土部件的表面結構形狀，從而達到脫附減粘的目的，仿生法是最常用的一種表面改形技術，其原理是研究典型土壤動物可以適應土壤環境的特點。早在1990年，任露泉[17]團隊就開始利用仿生法進行農機觸土部件研究，發現生物的非光滑表面特征可以良好地達到對土壤的減粘脫附的目的，并表現出良好的耐磨減阻特性。從目前研究來看，蜣螂體表、蚯蚓體表、掘土動物爪趾等部位在農機觸土部件減粘脫附研究方面應用較多。

2.1.1 蜣螂仿生技術

蜣螂的體壁表面具有一些特殊結構，主要是剛毛、凹陷、鞘翅縱溝。圖3為蜣螂的頭部結構，正是這種非光滑的表面結構能夠達到減粘脫附的目的，所以能幫助蜣螂在土壤中自由行動[18]。王立新等[19]通過對蜣螂的研究分析，利用激光重熔技術，在平常使用的普通推土板的表面制備了一種類似于蜣螂表面結構的推土板，相比較于傳統推土板，他們設計的仿生推土板在推土時的阻力減少了18.09%。金俊等受蜣螂體表結構的啟發設計了一種非光滑水田犁壁，并綜合考慮了仿生幾何非光滑結構單元的填充程度、尺寸大小以及排布的方式對犁耕阻力的影響，發現仿生耕犁的減粘脫附性能基本上由其決定。王春華等[20]設計了一種帶有凹坑形非光滑表面結構的齒體，相較于普通的光滑表面的齒體耐磨性能高了3倍左右。

圖3 蜣螂頭部結構Fig.3 Head structure of dung beetle

Soni等[21]將超高分子量聚乙烯材質的突起安裝在犁上面，通過研究五種不同形狀突起的犁在濕度不同的土壤中的行進速度，得出球形突起在各個濕度中均位列第一。Wang等[22]受蜣螂背部的凸面外殼啟發，設計了一種非光滑表面的圓盤開溝器，并設計了正交實驗測驗在不同土壤含水量和不同行進速度下開溝器所受阻力大小，得出了最佳設計參數。

2.1.2 蚯蚓仿生技術

蚯蚓是一種常見的土壤動物，研究發現蚯蚓的主要運動機理是體壁的肌肉的舒張與收縮進而實現在土壤中的運動，蚯蚓的體節以及體表的剛毛一起構成了一種柔性結構(圖4)[23]，此種結構在與土壤的相互作用中，會減輕來自土壤的阻力，并通過類似蚯蚓的體表的單元體之間的相互扭曲變形從而使與其接觸的土壤脫落。賈洪雷等[24]利用蚯蚓的仿生技術設計了一種適合于仿形彈性鎮壓輥的防滑減粘結構。通過一系列試驗確定了各個因素對鎮壓輥滑移率的影響的先后順序：肋條高度、凸起高度、載荷。最后實際的效果可以達到鎮壓輥粘附土壤量比沒有安裝減粘防滑結構可以降低60.1%，滑移率降低54.3%。邱兆美等[25]基于蚯蚓體表的形態特征設計了一種仿生波紋深松鏟(圖5)，將土塊與深松鏟的觸土曲面之間的滑動摩擦變為滾動摩擦，可以減少兩者的接觸時間和面積，從而達到降低阻力的目的。

圖4 蚯蚓體表結構示意圖Fig.4 Surface structure of earthworm

(a)橫向波紋深松鏟

Zhang等[26]受蚯蚓表面粘液的啟發，分析了蚯蚓表面粘液在土壤中的降阻特性，研究得到了一種仿生減阻劑(DRA)，可以覆蓋到農機觸土部件上，從而降低土壤的粘附。

2.1.3 土壤動物爪趾仿生技術

像田鼠、狗獾、鼯鼠等動物擁有良好的掘土能力，主要是因為它們的爪趾特性，比如田鼠具有優良的挖土能力，主要是取決于田鼠的爪趾內部的切削面有著合適的曲率特征，從而能夠達到對土壤減粘脫附的效果。白景峰等設計了一種基于狗獾爪趾的仿生深松鏟(圖6)，在相同耕作深度和耕作速度下，耕作阻力比通用深松鏟低17.87%。

圖6 多項式曲線型仿生深松鏟Fig.6 Polynomial curve bionic sub-soiling shovel

望紅浩[27]通過對田鼠爪趾的內輪廓曲線的分析，設計了一種基于田鼠爪趾的高效推土板的觸土曲面，試驗表明準線形式是影響推土板工作性能的主要因素，當準線形式為田鼠爪趾仿生型時，推土板的減阻性能最好，擺線型和圓弧型次之。馬云海等[28]基于狗獾右前爪中趾設計了一種挖掘機的仿生斗齒，其入土阻力相比于80型斗齒降低了12%左右。

2.1.4 國內外表面改形減粘脫附技術對比分析

在對比國內外表面改形減粘脫附技術后，發現國內研究主要集中在對某一機械觸土部件的表面形狀進行改造，對于仿生技術的研究也多數停留在模仿表面形狀。國外對于仿生學的研究則更加深入，在仿生結構設計的同時，會分析土壤動物的運動機理，研究其降阻特性，得到能夠覆蓋于觸土部件表面的減阻劑，提高減粘脫附能力。

2.2 表面改性減粘脫附技術

表面改性技術是指對材料的表面進行特殊處理的技術，常見的有滲碳、表面涂層法等。表面改性技術在農業機械上的應用是將觸土部件的表面采用一些特殊材料進行涂層[29]，從而達到減粘脫附降低阻力的目的。有一些特殊涂層還可以防止機械表面的腐蝕，降低磨損。

賈賢等[30]通過電鏡對土壤動物體表的典型特征的觀察，研制出的觸土部件復合涂層，在特定磨料的情況下能夠形成類似與土壤動物體表的典型特征，具有顯著的減粘脫附功能。

徐德生等[31]制備了一種WC/Cu非光滑涂層，當土壤顆粒與金屬發生摩擦時，WC顆粒在涂層表面可以形成凸起使摩擦由滑動變為滾動，從而既提高了觸土部件的耐磨性又可以減粘降阻。

Salokhe等[32]研究了一種觸土部件有搪瓷涂層的牽引式挖掘機，并將其與無涂層的挖掘機在平均濕度為21.6%的土壤中進行試驗，在四個前進速度下，經過涂層后的挖掘機需求功率均較低。

Marani等[33]研制了一種納米涂層板，相較于鋼材，由于其良好的疏水性，土壤對納米涂層板的粘附力更小。Barzegar等[34]利用金屬的摩擦特性設計了一種超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)涂層覆蓋在耙齒上，并設計實驗驗證了在4%和18%含水率下經過涂層的耙齒的牽引力顯著降低。

在對比國內外表面改性減粘脫附技術后，發現國內目前對于農機觸土部件表面涂層減粘的研究較少，也缺少在各種農機觸土部件上的實際作業試驗。國外對于利用表面改性技術減少土壤粘附的研究則較為重視，與材料工程相互結合，研制出了各種新型材料，優化了觸土部件，并設計了相關試驗驗證了在農機觸土部件上的減粘效果。

2.3 電滲減粘脫附技術

電滲脫粘減附技術是指在農業機械作業時，在土壤中插入金屬的電極，然后再通入直流電，土壤中的水分就會從電極的陽極流向陰極，產生電滲現象，從而降低農業機械工作時的土壤的含水率，進而降低土壤粘性。

肖宇豪等[35]研發了一種電滲裝置，可以在不同含水率下測量土壤粘附力值，試驗結果表明：(1)粘附力的值會隨著含水率的增加而出現先變大然后再變小，最后趨于穩定的趨勢;(2)隨著電滲程度的逐漸加強，土壤的粘附情況會減弱。陳秉聰等[36]研制了一種非光滑表面的電滲輪腳，經過試驗表明可以明顯降低土壤對輪腳的粘附。

Ren等[37]研制了一種非光滑表面的電滲極板，當正負極面積比為1∶9時，可獲得最佳減粘效果，并在裝載鏟上進行了非光滑表面電滲試驗，電壓為12 V，電流為0.12 A時，可以較低能耗降低粘土附著力。Dai等[38]發現蠐螬在土壤中可以自由前進，在研究后發現蠐螬在移動時存在動作電位，因此能有效降低土壤的粘附力。

在對比國內外電滲減粘脫附技術后，發現國內目前缺少對于電滲減粘機理的研究，還停留在試驗電滲的減粘效果。國外對于電滲減粘的研究則是從生物仿生技術方面受到啟發，研究了蠐螬在土壤中的動作電位，并設計了在裝載鏟上的試驗，得出了電滲減粘的最佳電壓和電流。

2.4 機械減粘脫附技術

機械減粘脫附技術是指通過在農業機械上添加一個或多個機構或者直接改變機械結構，實現農機觸土部件減粘脫附的目的，嚴曉麗等設計了一種鑿形深松鏟，通過正交實驗的方法研究了各個參數對鑿形深松鏟的土壤粘附量及所受阻力的影響，從而確定了一套最實用的結構參數。他們還設計了兩種半軸型和掘齒型的鏟頭，半軸型鏟頭結構如圖7所示，與標準型的鑿形深松鏟頭進行了對比試驗，得出半軸型鏟頭的黏土減少量和阻力減少率最高。

圖7 半軸型鏟頭Fig.7 Half shaft shovel head

倪利偉[39]對農業機械中最常用的觸土部件推土板的觸土面準線進行了研究，各種準線形式的推土板如圖8所示。

圖8 各種準線形式的推土板Fig.8 Bulldozer plates of various alignment forms

通過建模仿真了各個準線形式，也設計了正交實驗分析了各個準線形式下推土板所受到的工作阻力以及土壤的粘附情況。得到的結論是準線形式以及切削角對耕作機械的推土板的工作性能都會有影響，其中準線形式對農業機械的減粘脫附性能的影響要比切削角影響更大。準線形式對推土板減粘脫附性能的影響大小依次為漸開線、擺線型、圓弧型及直線型。Sun等[40]設計了六種深松鏟結構并運用離散元模型測試了它們在五種深度土壤中的工作情況，得出了最優解。

2.4.1 機械刮削裝置

機械刮削裝置是指在農業機械上安裝一個刮削機構，在機械進行實際作業時，能夠刮掉一定量的土壤，從而達到脫附降阻的目的。刮削裝置的原理較為簡單，關鍵是安裝在機械的哪一部位。王福杰等[41]設計了一種1GLF-1.8型綠肥翻青機，在機架后梁上安裝了由刮土刀片和刮土刀柄組成的刮土裝置，刮土刀柄與翻青機工作的側刀之間設置有10～15 mm的間隙，以保證側刀的順利轉動和翻青機的正常工作。劉宏俊等[42]設計了一種機械式的減粘降阻鎮壓裝置，并在其中設計了刮削板等機械結構，并與傳統的鎮壓裝置進行了對比試驗，確定了所設計機構的減粘脫附的性能。為適應各種不同土壤黏重環境下的滅茬整地作業，美國一家公司所生產的2330系列深松機就設置有刮土裝置。

2.4.2 振動脫附裝置

振動脫附是指機械的某些部件通過振動將粘附在觸土部件上的土壤抖落，原理是利用了土壤的慣性以及破壞土壤與農機觸土部件的粘附界面。Wang等[43]在振動法的檢驗過程中，發現當土壤含水率在38.7%，機械振動率在60～100 Hz之間時，土壤從板上分離出來的效果最為明顯。

孫亞朋等[44]研究分析了深松鏟的振頻、振幅、前進速度三個工作參數對農機作業阻力和振動情況的影響，得到對阻力的影響大小依次為：振幅，振頻，前進速度，對振動情況的影響依次為：振幅，振頻，前進速度，使機械所受阻力和振動均較小的最優組合是振幅21 mm、振頻4.2 Hz、前進速度3.4 km/h。張軍昌等[45]設計了一種入土角可以改變的自激式的1SZ-190振動深松整地機(圖9)，通過安裝一種具有特定預緊力的彈簧，使深松鏟發生振動。由于彈簧的柔性則會使振動所產生的能量對機械本身的影響降低。并且由于此裝置的入土角可以改變，可以使深松鏟一直工作在最合適的角度范圍。經過對ISZ-190型深松整地機的試驗確定了此種深松鏟的減粘脫附性能的良好。

圖9 1SZ-190型深松整地機Fig.9 1SZ-190 sub-soiling and soil preparation machine

Shahgoli等[46]采用了一種偏心軸來連接鑿式深松鏟，相較于未振動的深松鏟在振幅、前進速度、振動頻率方面均有優化，且工作阻力降低了15%以上。美國一家公司生產的SS1300型深松機則是使用各種類型的彈性元件因受力不均勻等因素產生的自激振動，來帶動深松鏟等工作部件發生振動，從而減少土壤粘附。

2.4.3 國內外機械減粘脫附技術分析對比

在對比國內外機械減粘脫附技術后，發現國內在此項技術上發展較為全面，取得了一定成果，但相較于國外較為成熟的公司，缺少各種機械減粘脫附技術的綜合應用。美國某公司所生產的2330系列深松機就同時裝有刮土裝置和振動脫附裝置。

2.5 加熱減粘脫附技術

加熱是一種能夠減弱機械部件與物料發生粘附界面的法向和切向的粘附力的方法，主要是通過加熱來破壞接觸面的水膜，減少張力，從而降低粘附力。

程超等[47]構建了含水量較高的水稻等細小物料與金屬抖動板表面發生粘附的界面模型，然后再分析出水膜是形成粘附界面的重要原因。最后再通過試驗驗證了在不同溫度下(分別為30 ℃、40 ℃、50 ℃)金屬抖動板的抗粘脫附能力會隨著金屬板的溫度增高而變強。Kokoshin等[48]從土壤的理化性質方面研究了工作體表面溫度對土壤粘附程度的影響，并通過計算得出了影響規律，當挖掘機鏟斗的接觸面溫度達到120 ℃～140 ℃時，土壤粘附力最小。

在對比國內外加熱減粘脫附技術后，發現國內目前缺少從土壤理化性質方面來降低土壤粘性的研究。國外的研究則更注重從土壤的理化性質入手，得出觸土部件表面溫度對土壤粘附情況的影響規律，從源頭上降低土壤的粘性。

3 存在問題

通過上述對國內外農業機械減粘脫附技術研究現狀的分析發現，這一技術的關鍵是如何消減土壤的粘性以及如何增加觸土部件的脫附性能。在系統地對比了國內外農機觸土部件減粘脫附技術的研究現狀后(表1)，發現目前國內此技術仍存在著一些不足。

表1 國內外減粘脫附技術研究特點對比Tab.1 Comparison of research characteristics of debonding technology at home and abroad

1)相較于國外，缺少綜合性研究：國外一些成熟的公司推出的農機產品都是綜合了較多研究成果的，實際作業能力較強。國內目前較多對于農機觸土部件減粘脫附技術的研究則局限于單一方面，缺少綜合性研究。

2)相較于國外，缺少對土壤粘附機理的研究：國內目前對農機減粘脫附技術的研究忽視了從土壤的粘附機理這一重要方向對土壤的粘性進行消減，對觸土部件的金屬材料、作業土壤類型等方面的研究也較少。

3)相較于國外，缺少高準確性的測試設備：國外目前對農機觸土部件減粘脫附技術的研究所需要的實驗數據都來自專用的測試設備，技術的實用性都得到了大量準確數據的驗證。國內目前對農機觸土部件減粘脫附技術的研究則缺少結合農藝和機藝要求的測試設備的檢驗。

4 展望

農業機械觸土部件減粘脫附技術對于現代農業的發展是至關重要的。因此進一步加深對農機觸土部件減粘脫附技術的研究尤為重要。

4.1 加強學科交叉融合，增強觸土部件脫附性能

農業機械觸土部件的減粘脫附技術涉及了多學科的知識，比如仿生技術會涉及到生物；土壤結構和性質會涉及到化學；機械的結構力學會涉及到物理。在生物方面，應加深對土壤動物的運動特征的分析和對土壤動物在運動過程中對土壤減粘特性的規律的研究；在化學方面，應加深對土壤性質和金屬材料的研究；在物理方面，應加深對觸土部件和土壤之間粘附界面受力情況的研究。

因此加強各個學科之間的交叉融合，可以讓解決土壤粘附問題有更多的方式，可以創造出更多新型的技術，從而增強農業機械觸土部件的脫附性能。

4.2 加強土壤粘性消減技術研究

目前，國內外對農機觸土部件減粘脫附的研究局限于觸土部件設計方面，而少有從土壤本身理化特性方面進行突破。因此在農業機械觸土部件減粘脫附技術的研究中，應加強土壤粘性消減技術的研究，從根本上改變粘性土壤的理化性質，綜合采用秸稈精細粉碎還田、適當深松、生物綠肥施用、減粘劑施用、摻沙法等措施，試驗得到土壤粘性消減技術方案，從源頭上解決農機觸土部件土壤粘附的問題。

4.3 加強多參數測試設備開發

在研究農業機械觸土部件減粘脫附過程中，測試儀器和測試方法是非常重要的基礎，由于在農業機械減粘脫附技術的試驗中存在較多參數，比如土壤含水率和顆粒大小、緊實度、有機質含量等，且這些因素都會影響土壤粘附力的大小，因此要研發出更多的新型測試設備，結合當地農藝要求和土壤性質，并與表面工程技術相互結合，達到能夠適應各種復雜條件下的測試要求，滿足農機觸土部件減粘脫附技術的研究需要。

5 結語

近年來，隨著農業機械的不斷發展，國內農機觸土部件減粘脫附技術已經取得了較多的進展，但在農機觸土部件的實際作業中，土壤的粘附問題仍未得到較好的解決。主要原因還是缺乏對于農機觸土部件的土壤粘附問題的深入研究以及當前農機觸土部件減粘脫附技術尚未形成系統性的成果。本文在系統地對國內外農機觸土部件減粘脫附技術的研究現狀進行對比分析后，提出了目前國內主要存在的問題在于缺少綜合性研究、對土壤粘附機理的研究以及高準確性的測試設備。針對國內現存問題，提出了加強學科交叉融合、加強土壤粘性消減技術研究以及加強多參數測試設備開發的建議，以期進一步推動國內農機觸土部件減粘脫附技術的提高。