农机触土部件减粘脱附技术研究现状与展望*

王莲冀，廖劲杨，胡红,2，刘露，白鑫，陈春霖

(1.西华大学机械工程学院，成都市，610039；2.西华大学现代农业装备研究院，成都市，610039)

0 引言

在农业机械实际作业中，土壤粘附是一个较为常见的现象，其所造成的农机触土部件的减粘脱附问题目前仍困扰着国内外专家学者。早在1833年，舒伯勒等便开始研究土壤的物理性质与土壤粘附的相关性，并测定了当时用来作为耕作工具的木头和铁与土壤之间的粘附力[1]。在我国，钱定华[2]从1963年开始研究重粘土对灰铸铁以及白口铸铁等金属的粘附性。一些典型的易发生土壤粘附的农业机械有铧式犁、旋耕机、整地机、松土机、挖坑机、中耕机、圆盘耙、镇压器、播种机、栽植机等，这些机械易发生土壤粘附的原因主要是它们的触土部件都会与土壤充分接触发生相互作用，如铧式犁将土壤表层打碎并耕出沟槽，播种机的开沟器需要与土壤接触开出种沟以保证种子播入土中，挖坑机需要将钻头完全插入土壤中进行往复运动等。这些农业机械在实际的作业中都会被土壤粘附问题所困扰。土壤的粘附不仅会影响农业机械的作业质量，还会影响机械的使用寿命。研究表明，农业机械因土壤的粘附作用和摩擦力所消耗的能量占整个生产作业环节的30%～50%[3]。因此，本文在分析了农机触土部件产生土壤粘附的原因及其对农机作业的影响基础上，从五个方面对国内外农机触土部件减粘脱附技术研究现状进行介绍，以期为该领域相关研究和技术应用提供参考。

1 触土部件产生土壤粘附原因与影响

1.1 农机触土部件产生土壤粘附原因

在农业机械实际作业中，土壤粘附是一个对农机作业效率影响较大的因素。资料显示，土壤与农机触土部件之间的粘附力实际上是一个动态的组合，与部件材质、运动方向和土壤类型等因素均有关系，其中土壤类型是最主要的影响因素。不同类型土壤的含水率、组成成分、有机质含量等物理性质均不相同，其中土壤含水率是对触土部件与土壤之间粘附力影响最大的因素。土壤含水率大小可分为塑限和液限，土壤与农机触土部件之间的粘附力主要分为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，土壤粘附力与土壤湿度的关系基本符合二次抛物线[9]。当土壤湿度在塑限之下时，土壤与金属接触，在两者所构成的界面之间的接触点非常少，此时土壤含水率比较低，毛细管力以及水的粘滞阻力也基本不存在；当土壤的含水量到达塑限时，土壤在受到压力后会发生变形，并与机械部件的金属表面发生化学吸附，与此同时水的粘滞力以及毛细管力也开始出现，共同构成了土壤的粘附力；当土壤的含水率持续增加且达到液限之后，土壤中的水开始成为影响粘附力的主要因素，此时土壤与触土部件之间的粘附力下降，水分子与触土部件之间的粘附力增加，总的粘附力开始减少；当土壤含水率持续增加，此时土壤与触土部件之间的粘附力基本消失，而水分子与触土部件之间的粘附力也下降，最后只剩下水的粘滞阻力成为土壤的粘附力。如图1所示，当法向粘附力P大于土壤内聚力C时，触土部件表面则发生土壤法向粘附。

图1 法向粘附力示意图Fig.1 Schematic diagram of normal adhesion force1.农机触土部件 2.土壤

1.1.2 切向粘附力

切向粘附力与法向粘附力在相同的条件下，大小是近似相等的，在实际作业中，因为还存在着切向摩擦力，所以切向摩擦力加上切向粘附力组合在一起是比法向粘附力更大的[10]。如图2所示，N为法向正压力，当农机触土部件表面所受土壤阻力τ大于土壤的内聚力C时，此时土壤法向粘附和切向粘附共同作用在农机触土部件上。

图2 切向粘附力示意图Fig.2 Schematic diagram of tangential adhesion force

1.2 土壤粘附对农业机械作业影响

农用机械在实际作业中，会有大量土壤粘附在其触土部件上，对农机作业阻力功耗、作业质量与部件寿命均有较大影响。研究表明，农业机械触土部件是农机部件中最易发生磨损的部分，约占所有失效部件的80%[11]。

1.2.1 对作业阻力与功耗影响

因为土壤附着在机械部件上，加大了机械的质量，从而使机械在实际作业中会因为自身质量的增加而受到更大的阻力，随着阻力的增加，机械的功耗也会随之而增加。在农业机械作业中，克服土壤粘附力以及摩擦力所消耗的能耗占整个生产环节的比例非常大，铧式犁因土壤粘附会导致耕作阻力增加30%以上[12]，功耗增加30%～50%[13]。

1.2.2 对作业质量影响

土壤对农业机械的粘附会降低其作业质量。土壤粘附在农业机械的触土部件上，会影响农业机械如旋耕机具和深松机具在其作业后地表的平整度、耕深和耕宽等指标。研究表明，土壤粘附在秸秆粉碎还田机的灭茬粉碎刀上，则会造成秸秆粉碎质量以及灭茬效果下降，并影响后续工作质量[14]；大蒜收获机作业时，土壤会粘附在大蒜上，随着作业继续，所附带的土壤会堵塞机器并进入收获箱中，降低收获率，影响收获质量[15]。播种机械因土壤粘附，出苗率会降低5%～10%[16]

1.2.3 对农机部件寿命影响

土壤对机械的粘附也会使机械的使用寿命缩短。因为机械工作阻力的增加使机械零部件之间所受到的相互作用力也更大，零件的磨损则会加剧。并且农业机械的工作部件大多为钢铁等金属材料，因此在土壤粘附后还会容易发生生锈，导致增加机械表面之间的磨损，降低使用寿命。

2 农机触土部件减粘脱附技术研究现状

随着科学技术的进步，农机触土部件的减粘脱附技术已取得一定的成果。目前，国内外主要从表面改形、表面改性、电渗减粘脱附、机械减粘脱附与加热减粘脱附五个方面进行农机触土部件设计，并形成了相应的减粘脱附技术。

2.1 表面改形减粘脱附技术

表面改形减粘脱附技术是指通过改变农业机械触土部件的表面结构形状，从而达到脱附减粘的目的，仿生法是最常用的一种表面改形技术，其原理是研究典型土壤动物可以适应土壤环境的特点。早在1990年，任露泉[17]团队就开始利用仿生法进行农机触土部件研究，发现生物的非光滑表面特征可以良好地达到对土壤的减粘脱附的目的，并表现出良好的耐磨减阻特性。从目前研究来看，蜣螂体表、蚯蚓体表、掘土动物爪趾等部位在农机触土部件减粘脱附研究方面应用较多。

2.1.1 蜣螂仿生技术

蜣螂的体壁表面具有一些特殊结构，主要是刚毛、凹陷、鞘翅纵沟。图3为蜣螂的头部结构，正是这种非光滑的表面结构能够达到减粘脱附的目的，所以能帮助蜣螂在土壤中自由行动[18]。王立新等[19]通过对蜣螂的研究分析，利用激光重熔技术，在平常使用的普通推土板的表面制备了一种类似于蜣螂表面结构的推土板，相比较于传统推土板，他们设计的仿生推土板在推土时的阻力减少了18.09%。金俊等受蜣螂体表结构的启发设计了一种非光滑水田犁壁，并综合考虑了仿生几何非光滑结构单元的填充程度、尺寸大小以及排布的方式对犁耕阻力的影响，发现仿生耕犁的减粘脱附性能基本上由其决定。王春华等[20]设计了一种带有凹坑形非光滑表面结构的齿体，相较于普通的光滑表面的齿体耐磨性能高了3倍左右。

图3 蜣螂头部结构Fig.3 Head structure of dung beetle

Soni等[21]将超高分子量聚乙烯材质的突起安装在犁上面，通过研究五种不同形状突起的犁在湿度不同的土壤中的行进速度，得出球形突起在各个湿度中均位列第一。Wang等[22]受蜣螂背部的凸面外壳启发，设计了一种非光滑表面的圆盘开沟器，并设计了正交实验测验在不同土壤含水量和不同行进速度下开沟器所受阻力大小，得出了最佳设计参数。

2.1.2 蚯蚓仿生技术

蚯蚓是一种常见的土壤动物，研究发现蚯蚓的主要运动机理是体壁的肌肉的舒张与收缩进而实现在土壤中的运动，蚯蚓的体节以及体表的刚毛一起构成了一种柔性结构(图4)[23]，此种结构在与土壤的相互作用中，会减轻来自土壤的阻力，并通过类似蚯蚓的体表的单元体之间的相互扭曲变形从而使与其接触的土壤脱落。贾洪雷等[24]利用蚯蚓的仿生技术设计了一种适合于仿形弹性镇压辊的防滑减粘结构。通过一系列试验确定了各个因素对镇压辊滑移率的影响的先后顺序：肋条高度、凸起高度、载荷。最后实际的效果可以达到镇压辊粘附土壤量比没有安装减粘防滑结构可以降低60.1%，滑移率降低54.3%。邱兆美等[25]基于蚯蚓体表的形态特征设计了一种仿生波纹深松铲(图5)，将土块与深松铲的触土曲面之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，可以减少两者的接触时间和面积，从而达到降低阻力的目的。

图4 蚯蚓体表结构示意图Fig.4 Surface structure of earthworm

(a)横向波纹深松铲

Zhang等[26]受蚯蚓表面粘液的启发，分析了蚯蚓表面粘液在土壤中的降阻特性，研究得到了一种仿生减阻剂(DRA)，可以覆盖到农机触土部件上，从而降低土壤的粘附。

2.1.3 土壤动物爪趾仿生技术

像田鼠、狗獾、鼯鼠等动物拥有良好的掘土能力，主要是因为它们的爪趾特性，比如田鼠具有优良的挖土能力，主要是取决于田鼠的爪趾内部的切削面有着合适的曲率特征，从而能够达到对土壤减粘脱附的效果。白景峰等设计了一种基于狗獾爪趾的仿生深松铲(图6)，在相同耕作深度和耕作速度下，耕作阻力比通用深松铲低17.87%。

图6 多项式曲线型仿生深松铲Fig.6 Polynomial curve bionic sub-soiling shovel

望红浩[27]通过对田鼠爪趾的内轮廓曲线的分析，设计了一种基于田鼠爪趾的高效推土板的触土曲面，试验表明准线形式是影响推土板工作性能的主要因素，当准线形式为田鼠爪趾仿生型时，推土板的减阻性能最好，摆线型和圆弧型次之。马云海等[28]基于狗獾右前爪中趾设计了一种挖掘机的仿生斗齿，其入土阻力相比于80型斗齿降低了12%左右。

2.1.4 国内外表面改形减粘脱附技术对比分析

在对比国内外表面改形减粘脱附技术后，发现国内研究主要集中在对某一机械触土部件的表面形状进行改造，对于仿生技术的研究也多数停留在模仿表面形状。国外对于仿生学的研究则更加深入，在仿生结构设计的同时，会分析土壤动物的运动机理，研究其降阻特性，得到能够覆盖于触土部件表面的减阻剂，提高减粘脱附能力。

2.2 表面改性减粘脱附技术

表面改性技术是指对材料的表面进行特殊处理的技术，常见的有渗碳、表面涂层法等。表面改性技术在农业机械上的应用是将触土部件的表面采用一些特殊材料进行涂层[29]，从而达到减粘脱附降低阻力的目的。有一些特殊涂层还可以防止机械表面的腐蚀，降低磨损。

贾贤等[30]通过电镜对土壤动物体表的典型特征的观察，研制出的触土部件复合涂层，在特定磨料的情况下能够形成类似与土壤动物体表的典型特征，具有显著的减粘脱附功能。

徐德生等[31]制备了一种WC/Cu非光滑涂层，当土壤颗粒与金属发生摩擦时，WC颗粒在涂层表面可以形成凸起使摩擦由滑动变为滚动，从而既提高了触土部件的耐磨性又可以减粘降阻。

Salokhe等[32]研究了一种触土部件有搪瓷涂层的牵引式挖掘机，并将其与无涂层的挖掘机在平均湿度为21.6%的土壤中进行试验，在四个前进速度下，经过涂层后的挖掘机需求功率均较低。

Marani等[33]研制了一种纳米涂层板，相较于钢材，由于其良好的疏水性，土壤对纳米涂层板的粘附力更小。Barzegar等[34]利用金属的摩擦特性设计了一种超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)涂层覆盖在耙齿上，并设计实验验证了在4%和18%含水率下经过涂层的耙齿的牵引力显著降低。

在对比国内外表面改性减粘脱附技术后，发现国内目前对于农机触土部件表面涂层减粘的研究较少，也缺少在各种农机触土部件上的实际作业试验。国外对于利用表面改性技术减少土壤粘附的研究则较为重视，与材料工程相互结合，研制出了各种新型材料，优化了触土部件，并设计了相关试验验证了在农机触土部件上的减粘效果。

2.3 电渗减粘脱附技术

电渗脱粘减附技术是指在农业机械作业时，在土壤中插入金属的电极，然后再通入直流电，土壤中的水分就会从电极的阳极流向阴极，产生电渗现象，从而降低农业机械工作时的土壤的含水率，进而降低土壤粘性。

肖宇豪等[35]研发了一种电渗装置，可以在不同含水率下测量土壤粘附力值，试验结果表明：(1)粘附力的值会随着含水率的增加而出现先变大然后再变小，最后趋于稳定的趋势;(2)随着电渗程度的逐渐加强，土壤的粘附情况会减弱。陈秉聪等[36]研制了一种非光滑表面的电渗轮脚，经过试验表明可以明显降低土壤对轮脚的粘附。

Ren等[37]研制了一种非光滑表面的电渗极板，当正负极面积比为1∶9时，可获得最佳减粘效果，并在装载铲上进行了非光滑表面电渗试验，电压为12 V，电流为0.12 A时，可以较低能耗降低粘土附着力。Dai等[38]发现蛴螬在土壤中可以自由前进，在研究后发现蛴螬在移动时存在动作电位，因此能有效降低土壤的粘附力。

在对比国内外电渗减粘脱附技术后，发现国内目前缺少对于电渗减粘机理的研究，还停留在试验电渗的减粘效果。国外对于电渗减粘的研究则是从生物仿生技术方面受到启发，研究了蛴螬在土壤中的动作电位，并设计了在装载铲上的试验，得出了电渗减粘的最佳电压和电流。

2.4 机械减粘脱附技术

机械减粘脱附技术是指通过在农业机械上添加一个或多个机构或者直接改变机械结构，实现农机触土部件减粘脱附的目的，严晓丽等设计了一种凿形深松铲，通过正交实验的方法研究了各个参数对凿形深松铲的土壤粘附量及所受阻力的影响，从而确定了一套最实用的结构参数。他们还设计了两种半轴型和掘齿型的铲头，半轴型铲头结构如图7所示，与标准型的凿形深松铲头进行了对比试验，得出半轴型铲头的黏土减少量和阻力减少率最高。

图7 半轴型铲头Fig.7 Half shaft shovel head

倪利伟[39]对农业机械中最常用的触土部件推土板的触土面准线进行了研究，各种准线形式的推土板如图8所示。

图8 各种准线形式的推土板Fig.8 Bulldozer plates of various alignment forms

通过建模仿真了各个准线形式，也设计了正交实验分析了各个准线形式下推土板所受到的工作阻力以及土壤的粘附情况。得到的结论是准线形式以及切削角对耕作机械的推土板的工作性能都会有影响，其中准线形式对农业机械的减粘脱附性能的影响要比切削角影响更大。准线形式对推土板减粘脱附性能的影响大小依次为渐开线、摆线型、圆弧型及直线型。Sun等[40]设计了六种深松铲结构并运用离散元模型测试了它们在五种深度土壤中的工作情况，得出了最优解。

2.4.1 机械刮削装置

机械刮削装置是指在农业机械上安装一个刮削机构，在机械进行实际作业时，能够刮掉一定量的土壤，从而达到脱附降阻的目的。刮削装置的原理较为简单，关键是安装在机械的哪一部位。王福杰等[41]设计了一种1GLF-1.8型绿肥翻青机，在机架后梁上安装了由刮土刀片和刮土刀柄组成的刮土装置，刮土刀柄与翻青机工作的侧刀之间设置有10～15 mm的间隙，以保证侧刀的顺利转动和翻青机的正常工作。刘宏俊等[42]设计了一种机械式的减粘降阻镇压装置，并在其中设计了刮削板等机械结构，并与传统的镇压装置进行了对比试验，确定了所设计机构的减粘脱附的性能。为适应各种不同土壤黏重环境下的灭茬整地作业，美国一家公司所生产的2330系列深松机就设置有刮土装置。

2.4.2 振动脱附装置

振动脱附是指机械的某些部件通过振动将粘附在触土部件上的土壤抖落，原理是利用了土壤的惯性以及破坏土壤与农机触土部件的粘附界面。Wang等[43]在振动法的检验过程中，发现当土壤含水率在38.7%，机械振动率在60～100 Hz之间时，土壤从板上分离出来的效果最为明显。

孙亚朋等[44]研究分析了深松铲的振频、振幅、前进速度三个工作参数对农机作业阻力和振动情况的影响，得到对阻力的影响大小依次为：振幅，振频，前进速度，对振动情况的影响依次为：振幅，振频，前进速度，使机械所受阻力和振动均较小的最优组合是振幅21 mm、振频4.2 Hz、前进速度3.4 km/h。张军昌等[45]设计了一种入土角可以改变的自激式的1SZ-190振动深松整地机(图9)，通过安装一种具有特定预紧力的弹簧，使深松铲发生振动。由于弹簧的柔性则会使振动所产生的能量对机械本身的影响降低。并且由于此装置的入土角可以改变，可以使深松铲一直工作在最合适的角度范围。经过对ISZ-190型深松整地机的试验确定了此种深松铲的减粘脱附性能的良好。

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

Shahgoli等[46]采用了一种偏心轴来连接凿式深松铲，相较于未振动的深松铲在振幅、前进速度、振动频率方面均有优化，且工作阻力降低了15%以上。美国一家公司生产的SS1300型深松机则是使用各种类型的弹性元件因受力不均匀等因素产生的自激振动，来带动深松铲等工作部件发生振动，从而减少土壤粘附。

2.4.3 国内外机械减粘脱附技术分析对比

在对比国内外机械减粘脱附技术后，发现国内在此项技术上发展较为全面，取得了一定成果，但相较于国外较为成熟的公司，缺少各种机械减粘脱附技术的综合应用。美国某公司所生产的2330系列深松机就同时装有刮土装置和振动脱附装置。

2.5 加热减粘脱附技术

加热是一种能够减弱机械部件与物料发生粘附界面的法向和切向的粘附力的方法，主要是通过加热来破坏接触面的水膜，减少张力，从而降低粘附力。

程超等[47]构建了含水量较高的水稻等细小物料与金属抖动板表面发生粘附的界面模型，然后再分析出水膜是形成粘附界面的重要原因。最后再通过试验验证了在不同温度下(分别为30 ℃、40 ℃、50 ℃)金属抖动板的抗粘脱附能力会随着金属板的温度增高而变强。Kokoshin等[48]从土壤的理化性质方面研究了工作体表面温度对土壤粘附程度的影响，并通过计算得出了影响规律，当挖掘机铲斗的接触面温度达到120 ℃～140 ℃时，土壤粘附力最小。

在对比国内外加热减粘脱附技术后，发现国内目前缺少从土壤理化性质方面来降低土壤粘性的研究。国外的研究则更注重从土壤的理化性质入手，得出触土部件表面温度对土壤粘附情况的影响规律，从源头上降低土壤的粘性。

3 存在问题

通过上述对国内外农业机械减粘脱附技术研究现状的分析发现，这一技术的关键是如何消减土壤的粘性以及如何增加触土部件的脱附性能。在系统地对比了国内外农机触土部件减粘脱附技术的研究现状后(表1)，发现目前国内此技术仍存在着一些不足。

表1 国内外减粘脱附技术研究特点对比Tab.1 Comparison of research characteristics of debonding technology at home and abroad

1)相较于国外，缺少综合性研究：国外一些成熟的公司推出的农机产品都是综合了较多研究成果的，实际作业能力较强。国内目前较多对于农机触土部件减粘脱附技术的研究则局限于单一方面，缺少综合性研究。

2)相较于国外，缺少对土壤粘附机理的研究：国内目前对农机减粘脱附技术的研究忽视了从土壤的粘附机理这一重要方向对土壤的粘性进行消减，对触土部件的金属材料、作业土壤类型等方面的研究也较少。

3)相较于国外，缺少高准确性的测试设备：国外目前对农机触土部件减粘脱附技术的研究所需要的实验数据都来自专用的测试设备，技术的实用性都得到了大量准确数据的验证。国内目前对农机触土部件减粘脱附技术的研究则缺少结合农艺和机艺要求的测试设备的检验。

4 展望

农业机械触土部件减粘脱附技术对于现代农业的发展是至关重要的。因此进一步加深对农机触土部件减粘脱附技术的研究尤为重要。

4.1 加强学科交叉融合，增强触土部件脱附性能

农业机械触土部件的减粘脱附技术涉及了多学科的知识，比如仿生技术会涉及到生物；土壤结构和性质会涉及到化学；机械的结构力学会涉及到物理。在生物方面，应加深对土壤动物的运动特征的分析和对土壤动物在运动过程中对土壤减粘特性的规律的研究；在化学方面，应加深对土壤性质和金属材料的研究；在物理方面，应加深对触土部件和土壤之间粘附界面受力情况的研究。

因此加强各个学科之间的交叉融合，可以让解决土壤粘附问题有更多的方式，可以创造出更多新型的技术，从而增强农业机械触土部件的脱附性能。

4.2 加强土壤粘性消减技术研究

目前，国内外对农机触土部件减粘脱附的研究局限于触土部件设计方面，而少有从土壤本身理化特性方面进行突破。因此在农业机械触土部件减粘脱附技术的研究中，应加强土壤粘性消减技术的研究，从根本上改变粘性土壤的理化性质，综合采用秸秆精细粉碎还田、适当深松、生物绿肥施用、减粘剂施用、掺沙法等措施，试验得到土壤粘性消减技术方案，从源头上解决农机触土部件土壤粘附的问题。

4.3 加强多参数测试设备开发

在研究农业机械触土部件减粘脱附过程中，测试仪器和测试方法是非常重要的基础，由于在农业机械减粘脱附技术的试验中存在较多参数，比如土壤含水率和颗粒大小、紧实度、有机质含量等，且这些因素都会影响土壤粘附力的大小，因此要研发出更多的新型测试设备，结合当地农艺要求和土壤性质，并与表面工程技术相互结合，达到能够适应各种复杂条件下的测试要求，满足农机触土部件减粘脱附技术的研究需要。

5 结语

近年来，随着农业机械的不断发展，国内农机触土部件减粘脱附技术已经取得了较多的进展，但在农机触土部件的实际作业中，土壤的粘附问题仍未得到较好的解决。主要原因还是缺乏对于农机触土部件的土壤粘附问题的深入研究以及当前农机触土部件减粘脱附技术尚未形成系统性的成果。本文在系统地对国内外农机触土部件减粘脱附技术的研究现状进行对比分析后，提出了目前国内主要存在的问题在于缺少综合性研究、对土壤粘附机理的研究以及高准确性的测试设备。针对国内现存问题，提出了加强学科交叉融合、加强土壤粘性消减技术研究以及加强多参数测试设备开发的建议，以期进一步推动国内农机触土部件减粘脱附技术的提高。