農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附技術(shù)研究現(xiàn)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都市，610039；2.西華大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究院，成都市，610039)

0 引言

在農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)際作業(yè)中，土壤粘附是一個(gè)較為常見的現(xiàn)象，其所造成的農(nóng)機(jī)觸土部件的減粘脫附問題目前仍困擾著國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者。早在1833年，舒伯勒等便開始研究土壤的物理性質(zhì)與土壤粘附的相關(guān)性，并測(cè)定了當(dāng)時(shí)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(guó)，錢定華[2]從1963年開始研究重粘土對(duì)灰鑄鐵以及白口鑄鐵等金屬的粘附性。一些典型的易發(fā)生土壤粘附的農(nóng)業(yè)機(jī)械有鏵式犁、旋耕機(jī)、整地機(jī)、松土機(jī)、挖坑機(jī)、中耕機(jī)、圓盤耙、鎮(zhèn)壓器、播種機(jī)、栽植機(jī)等，這些機(jī)械易發(fā)生土壤粘附的原因主要是它們的觸土部件都會(huì)與土壤充分接觸發(fā)生相互作用，如鏵式犁將土壤表層打碎并耕出溝槽，播種機(jī)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(jī)需要將鉆頭完全插入土壤中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)等。這些農(nóng)業(yè)機(jī)械在實(shí)際的作業(yè)中都會(huì)被土壤粘附問題所困擾。土壤的粘附不僅會(huì)影響農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)質(zhì)量，還會(huì)影響機(jī)械的使用壽命。研究表明，農(nóng)業(yè)機(jī)械因土壤的粘附作用和摩擦力所消耗的能量占整個(gè)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)的30%～50%[3]。因此，本文在分析了農(nóng)機(jī)觸土部件產(chǎn)生土壤粘附的原因及其對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)的影響基礎(chǔ)上，從五個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，以期為該領(lǐng)域相關(guān)研究和技術(shù)應(yīng)用提供參考。

1 觸土部件產(chǎn)生土壤粘附原因與影響

1.1 農(nóng)機(jī)觸土部件產(chǎn)生土壤粘附原因

在農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)際作業(yè)中，土壤粘附是一個(gè)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)效率影響較大的因素。資料顯示，土壤與農(nóng)機(jī)觸土部件之間的粘附力實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)態(tài)的組合，與部件材質(zhì)、運(yùn)動(dòng)方向和土壤類型等因素均有關(guān)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(jī)質(zhì)含量等物理性質(zhì)均不相同，其中土壤含水率是對(duì)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(nóng)機(jī)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(guān)系基本符合二次拋物線[9]。當(dāng)土壤濕度在塑限之下時(shí)，土壤與金屬接觸，在兩者所構(gòu)成的界面之間的接觸點(diǎn)非常少，此時(shí)土壤含水率比較低，毛細(xì)管力以及水的粘滯阻力也基本不存在；當(dāng)土壤的含水量到達(dá)塑限時(shí)，土壤在受到壓力后會(huì)發(fā)生變形，并與機(jī)械部件的金屬表面發(fā)生化學(xué)吸附，與此同時(shí)水的粘滯力以及毛細(xì)管力也開始出現(xiàn)，共同構(gòu)成了土壤的粘附力；當(dāng)土壤的含水率持續(xù)增加且達(dá)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(shí)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(dāng)土壤含水率持續(xù)增加，此時(shí)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(dāng)法向粘附力P大于土壤內(nèi)聚力C時(shí)，觸土部件表面則發(fā)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(nóng)機(jī)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(shí)際作業(yè)中，因?yàn)檫€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(dāng)農(nóng)機(jī)觸土部件表面所受土壤阻力τ大于土壤的內(nèi)聚力C時(shí)，此時(shí)土壤法向粘附和切向粘附共同作用在農(nóng)機(jī)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(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)影響

農(nóng)用機(jī)械在實(shí)際作業(yè)中，會(huì)有大量土壤粘附在其觸土部件上，對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)阻力功耗、作業(yè)質(zhì)量與部件壽命均有較大影響。研究表明，農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件是農(nóng)機(jī)部件中最易發(fā)生磨損的部分，約占所有失效部件的80%[11]。

1.2.1 對(duì)作業(yè)阻力與功耗影響

因?yàn)橥寥栏街跈C(jī)械部件上，加大了機(jī)械的質(zhì)量，從而使機(jī)械在實(shí)際作業(yè)中會(huì)因?yàn)樽陨碣|(zhì)量的增加而受到更大的阻力，隨著阻力的增加，機(jī)械的功耗也會(huì)隨之而增加。在農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)中，克服土壤粘附力以及摩擦力所消耗的能耗占整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的比例非常大，鏵式犁因土壤粘附會(huì)導(dǎo)致耕作阻力增加30%以上[12]，功耗增加30%～50%[13]。

1.2.2 對(duì)作業(yè)質(zhì)量影響

土壤對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的粘附會(huì)降低其作業(yè)質(zhì)量。土壤粘附在農(nóng)業(yè)機(jī)械的觸土部件上，會(huì)影響農(nóng)業(yè)機(jī)械如旋耕機(jī)具和深松機(jī)具在其作業(yè)后地表的平整度、耕深和耕寬等指標(biāo)。研究表明，土壤粘附在秸稈粉碎還田機(jī)的滅茬粉碎刀上，則會(huì)造成秸稈粉碎質(zhì)量以及滅茬效果下降，并影響后續(xù)工作質(zhì)量[14]；大蒜收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，土壤會(huì)粘附在大蒜上，隨著作業(yè)繼續(xù)，所附帶的土壤會(huì)堵塞機(jī)器并進(jìn)入收獲箱中，降低收獲率，影響收獲質(zhì)量[15]。播種機(jī)械因土壤粘附，出苗率會(huì)降低5%～10%[16]

1.2.3 對(duì)農(nóng)機(jī)部件壽命影響

土壤對(duì)機(jī)械的粘附也會(huì)使機(jī)械的使用壽命縮短。因?yàn)闄C(jī)械工作阻力的增加使機(jī)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(huì)加劇。并且農(nóng)業(yè)機(jī)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(huì)容易發(fā)生生銹，導(dǎo)致增加機(jī)械表面之間的磨損，降低使用壽命。

2 農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，農(nóng)機(jī)觸土部件的減粘脫附技術(shù)已取得一定的成果。目前，國(guó)內(nèi)外主要從表面改形、表面改性、電滲減粘脫附、機(jī)械減粘脫附與加熱減粘脫附五個(gè)方面進(jìn)行農(nóng)機(jī)觸土部件設(shè)計(jì)，并形成了相應(yīng)的減粘脫附技術(shù)。

2.1 表面改形減粘脫附技術(shù)

表面改形減粘脫附技術(shù)是指通過改變農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件的表面結(jié)構(gòu)形狀，從而達(dá)到脫附減粘的目的，仿生法是最常用的一種表面改形技術(shù)，其原理是研究典型土壤動(dòng)物可以適應(yīng)土壤環(huán)境的特點(diǎn)。早在1990年，任露泉[17]團(tuán)隊(duì)就開始利用仿生法進(jìn)行農(nóng)機(jī)觸土部件研究，發(fā)現(xiàn)生物的非光滑表面特征可以良好地達(dá)到對(duì)土壤的減粘脫附的目的，并表現(xiàn)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(dòng)物爪趾等部位在農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附研究方面應(yīng)用較多。

2.1.1 蜣螂仿生技術(shù)

蜣螂的體壁表面具有一些特殊結(jié)構(gòu)，主要是剛毛、凹陷、鞘翅縱溝。圖3為蜣螂的頭部結(jié)構(gòu)，正是這種非光滑的表面結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到減粘脫附的目的，所以能幫助蜣螂在土壤中自由行動(dòng)[18]。王立新等[19]通過對(duì)蜣螂的研究分析，利用激光重熔技術(shù)，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(jié)構(gòu)的推土板，相比較于傳統(tǒng)推土板，他們?cè)O(shè)計(jì)的仿生推土板在推土?xí)r的阻力減少了18.09%。金俊等受蜣螂體表結(jié)構(gòu)的啟發(fā)設(shè)計(jì)了一種非光滑水田犁壁，并綜合考慮了仿生幾何非光滑結(jié)構(gòu)單元的填充程度、尺寸大小以及排布的方式對(duì)犁耕阻力的影響，發(fā)現(xiàn)仿生耕犁的減粘脫附性能基本上由其決定。王春華等[20]設(shè)計(jì)了一種帶有凹坑形非光滑表面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)Fig.3 Head structure of dung beetle

Soni等[21]將超高分子量聚乙烯材質(zhì)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(jìn)速度，得出球形突起在各個(gè)濕度中均位列第一。Wang等[22]受蜣螂背部的凸面外殼啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種非光滑表面的圓盤開溝器，并設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)測(cè)驗(yàn)在不同土壤含水量和不同行進(jìn)速度下開溝器所受阻力大小，得出了最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.1.2 蚯蚓仿生技術(shù)

蚯蚓是一種常見的土壤動(dòng)物，研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)理是體壁的肌肉的舒張與收縮進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在土壤中的運(yùn)動(dòng)，蚯蚓的體節(jié)以及體表的剛毛一起構(gòu)成了一種柔性結(jié)構(gòu)(圖4)[23]，此種結(jié)構(gòu)在與土壤的相互作用中，會(huì)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(shù)設(shè)計(jì)了一種適合于仿形彈性鎮(zhèn)壓輥的防滑減粘結(jié)構(gòu)。通過一系列試驗(yàn)確定了各個(gè)因素對(duì)鎮(zhèn)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(shí)際的效果可以達(dá)到鎮(zhèn)壓輥粘附土壤量比沒有安裝減粘防滑結(jié)構(gòu)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(tài)特征設(shè)計(jì)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(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，可以減少兩者的接觸時(shí)間和面積，從而達(dá)到降低阻力的目的。

圖4 蚯蚓體表結(jié)構(gòu)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(fā)，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(nóng)機(jī)觸土部件上，從而降低土壤的粘附。

2.1.3 土壤動(dòng)物爪趾仿生技術(shù)

像田鼠、狗獾、鼯鼠等動(dòng)物擁有良好的掘土能力，主要是因?yàn)樗鼈兊淖χ禾匦?，比如田鼠具有?yōu)良的挖土能力，主要是取決于田鼠的爪趾內(nèi)部的切削面有著合適的曲率特征，從而能夠達(dá)到對(duì)土壤減粘脫附的效果。白景峰等設(shè)計(jì)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(xiàng)式曲線型仿生深松鏟Fig.6 Polynomial curve bionic sub-soiling shovel

望紅浩[27]通過對(duì)田鼠爪趾的內(nèi)輪廓曲線的分析，設(shè)計(jì)了一種基于田鼠爪趾的高效推土板的觸土曲面，試驗(yàn)表明準(zhǔn)線形式是影響推土板工作性能的主要因素，當(dāng)準(zhǔn)線形式為田鼠爪趾仿生型時(shí)，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(shè)計(jì)了一種挖掘機(jī)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(guó)內(nèi)外表面改形減粘脫附技術(shù)對(duì)比分析

在對(duì)比國(guó)內(nèi)外表面改形減粘脫附技術(shù)后，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)研究主要集中在對(duì)某一機(jī)械觸土部件的表面形狀進(jìn)行改造，對(duì)于仿生技術(shù)的研究也多數(shù)停留在模仿表面形狀。國(guó)外對(duì)于仿生學(xué)的研究則更加深入，在仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，會(huì)分析土壤動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)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(shù)

表面改性技術(shù)是指對(duì)材料的表面進(jìn)行特殊處理的技術(shù)，常見的有滲碳、表面涂層法等。表面改性技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用是將觸土部件的表面采用一些特殊材料進(jìn)行涂層[29]，從而達(dá)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(jī)械表面的腐蝕，降低磨損。

賈賢等[30]通過電鏡對(duì)土壤動(dòng)物體表的典型特征的觀察，研制出的觸土部件復(fù)合涂層，在特定磨料的情況下能夠形成類似與土壤動(dòng)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(dāng)土壤顆粒與金屬發(fā)生摩擦?xí)r，WC顆粒在涂層表面可以形成凸起使摩擦由滑動(dòng)變?yōu)闈L動(dòng)，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(jī)，并將其與無涂層的挖掘機(jī)在平均濕度為21.6%的土壤中進(jìn)行試驗(yàn)，在四個(gè)前進(jìn)速度下，經(jīng)過涂層后的挖掘機(jī)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(duì)納米涂層板的粘附力更小。Barzegar等[34]利用金屬的摩擦特性設(shè)計(jì)了一種超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)涂層覆蓋在耙齒上，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在4%和18%含水率下經(jīng)過涂層的耙齒的牽引力顯著降低。

在對(duì)比國(guó)內(nèi)外表面改性減粘脫附技術(shù)后，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)目前對(duì)于農(nóng)機(jī)觸土部件表面涂層減粘的研究較少，也缺少在各種農(nóng)機(jī)觸土部件上的實(shí)際作業(yè)試驗(yàn)。國(guó)外對(duì)于利用表面改性技術(shù)減少土壤粘附的研究則較為重視，與材料工程相互結(jié)合，研制出了各種新型材料，優(yōu)化了觸土部件，并設(shè)計(jì)了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證了在農(nóng)機(jī)觸土部件上的減粘效果。

2.3 電滲減粘脫附技術(shù)

電滲脫粘減附技術(shù)是指在農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)時(shí)，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(huì)從電極的陽極流向陰極，產(chǎn)生電滲現(xiàn)象，從而降低農(nóng)業(yè)機(jī)械工作時(shí)的土壤的含水率，進(jìn)而降低土壤粘性。

肖宇豪等[35]研發(fā)了一種電滲裝置，可以在不同含水率下測(cè)量土壤粘附力值，試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)粘附力的值會(huì)隨著含水率的增加而出現(xiàn)先變大然后再變小，最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì);(2)隨著電滲程度的逐漸加強(qiáng)，土壤的粘附情況會(huì)減弱。陳秉聰?shù)萚36]研制了一種非光滑表面的電滲輪腳，經(jīng)過試驗(yàn)表明可以明顯降低土壤對(duì)輪腳的粘附。

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

在對(duì)比國(guó)內(nèi)外電滲減粘脫附技術(shù)后，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)目前缺少對(duì)于電滲減粘機(jī)理的研究，還停留在試驗(yàn)電滲的減粘效果。國(guó)外對(duì)于電滲減粘的研究則是從生物仿生技術(shù)方面受到啟發(fā)，研究了蠐螬在土壤中的動(dòng)作電位，并設(shè)計(jì)了在裝載鏟上的試驗(yàn)，得出了電滲減粘的最佳電壓和電流。

2.4 機(jī)械減粘脫附技術(shù)

機(jī)械減粘脫附技術(shù)是指通過在農(nóng)業(yè)機(jī)械上添加一個(gè)或多個(gè)機(jī)構(gòu)或者直接改變機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附的目的，嚴(yán)曉麗等設(shè)計(jì)了一種鑿形深松鏟，通過正交實(shí)驗(yàn)的方法研究了各個(gè)參數(shù)對(duì)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(shí)用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。他們還設(shè)計(jì)了兩種半軸型和掘齒型的鏟頭，半軸型鏟頭結(jié)構(gòu)如圖7所示，與標(biāo)準(zhǔn)型的鑿形深松鏟頭進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，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(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械中最常用的觸土部件推土板的觸土面準(zhǔn)線進(jìn)行了研究，各種準(zhǔn)線形式的推土板如圖8所示。

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

通過建模仿真了各個(gè)準(zhǔn)線形式，也設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)分析了各個(gè)準(zhǔn)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(jié)論是準(zhǔn)線形式以及切削角對(duì)耕作機(jī)械的推土板的工作性能都會(huì)有影響，其中準(zhǔn)線形式對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的減粘脫附性能的影響要比切削角影響更大。準(zhǔn)線形式對(duì)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(shè)計(jì)了六種深松鏟結(jié)構(gòu)并運(yùn)用離散元模型測(cè)試了它們?cè)谖宸N深度土壤中的工作情況，得出了最優(yōu)解。

2.4.1 機(jī)械刮削裝置

機(jī)械刮削裝置是指在農(nóng)業(yè)機(jī)械上安裝一個(gè)刮削機(jī)構(gòu)，在機(jī)械進(jìn)行實(shí)際作業(yè)時(shí)，能夠刮掉一定量的土壤，從而達(dá)到脫附降阻的目的。刮削裝置的原理較為簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是安裝在機(jī)械的哪一部位。王福杰等[41]設(shè)計(jì)了一種1GLF-1.8型綠肥翻青機(jī)，在機(jī)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(jī)工作的側(cè)刀之間設(shè)置有10～15 mm的間隙，以保證側(cè)刀的順利轉(zhuǎn)動(dòng)和翻青機(jī)的正常工作。劉宏俊等[42]設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式的減粘降阻鎮(zhèn)壓裝置，并在其中設(shè)計(jì)了刮削板等機(jī)械結(jié)構(gòu)，并與傳統(tǒng)的鎮(zhèn)壓裝置進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，確定了所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的減粘脫附的性能。為適應(yīng)各種不同土壤黏重環(huán)境下的滅茬整地作業(yè)，美國(guó)一家公司所生產(chǎn)的2330系列深松機(jī)就設(shè)置有刮土裝置。

2.4.2 振動(dòng)脫附裝置

振動(dòng)脫附是指機(jī)械的某些部件通過振動(dòng)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(nóng)機(jī)觸土部件的粘附界面。Wang等[43]在振動(dòng)法的檢驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤含水率在38.7%，機(jī)械振動(dòng)率在60～100 Hz之間時(shí)，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(jìn)速度三個(gè)工作參數(shù)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)阻力和振動(dòng)情況的影響，得到對(duì)阻力的影響大小依次為：振幅，振頻，前進(jìn)速度，對(duì)振動(dòng)情況的影響依次為：振幅，振頻，前進(jìn)速度，使機(jī)械所受阻力和振動(dòng)均較小的最優(yōu)組合是振幅21 mm、振頻4.2 Hz、前進(jìn)速度3.4 km/h。張軍昌等[45]設(shè)計(jì)了一種入土角可以改變的自激式的1SZ-190振動(dòng)深松整地機(jī)(圖9)，通過安裝一種具有特定預(yù)緊力的彈簧，使深松鏟發(fā)生振動(dòng)。由于彈簧的柔性則會(huì)使振動(dòng)所產(chǎn)生的能量對(duì)機(jī)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(jīng)過對(duì)ISZ-190型深松整地機(jī)的試驗(yàn)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(jī)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(dòng)的深松鏟在振幅、前進(jìn)速度、振動(dòng)頻率方面均有優(yōu)化，且工作阻力降低了15%以上。美國(guó)一家公司生產(chǎn)的SS1300型深松機(jī)則是使用各種類型的彈性元件因受力不均勻等因素產(chǎn)生的自激振動(dòng)，來帶動(dòng)深松鏟等工作部件發(fā)生振動(dòng)，從而減少土壤粘附。

2.4.3 國(guó)內(nèi)外機(jī)械減粘脫附技術(shù)分析對(duì)比

在對(duì)比國(guó)內(nèi)外機(jī)械減粘脫附技術(shù)后，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)在此項(xiàng)技術(shù)上發(fā)展較為全面，取得了一定成果，但相較于國(guó)外較為成熟的公司，缺少各種機(jī)械減粘脫附技術(shù)的綜合應(yīng)用。美國(guó)某公司所生產(chǎn)的2330系列深松機(jī)就同時(shí)裝有刮土裝置和振動(dòng)脫附裝置。

2.5 加熱減粘脫附技術(shù)

加熱是一種能夠減弱機(jī)械部件與物料發(fā)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(gòu)建了含水量較高的水稻等細(xì)小物料與金屬抖動(dòng)板表面發(fā)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(yàn)驗(yàn)證了在不同溫度下(分別為30 ℃、40 ℃、50 ℃)金屬抖動(dòng)板的抗粘脫附能力會(huì)隨著金屬板的溫度增高而變強(qiáng)。Kokoshin等[48]從土壤的理化性質(zhì)方面研究了工作體表面溫度對(duì)土壤粘附程度的影響，并通過計(jì)算得出了影響規(guī)律，當(dāng)挖掘機(jī)鏟斗的接觸面溫度達(dá)到120 ℃～140 ℃時(shí)，土壤粘附力最小。

在對(duì)比國(guó)內(nèi)外加熱減粘脫附技術(shù)后，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)目前缺少從土壤理化性質(zhì)方面來降低土壤粘性的研究。國(guó)外的研究則更注重從土壤的理化性質(zhì)入手，得出觸土部件表面溫度對(duì)土壤粘附情況的影響規(guī)律，從源頭上降低土壤的粘性。

3 存在問題

通過上述對(duì)國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)械減粘脫附技術(shù)研究現(xiàn)狀的分析發(fā)現(xiàn)，這一技術(shù)的關(guān)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(tǒng)地對(duì)比了國(guó)內(nèi)外農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附技術(shù)的研究現(xiàn)狀后(表1)，發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)此技術(shù)仍存在著一些不足。

表1 國(guó)內(nèi)外減粘脫附技術(shù)研究特點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Comparison of research characteristics of debonding technology at home and abroad

1)相較于國(guó)外，缺少綜合性研究：國(guó)外一些成熟的公司推出的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品都是綜合了較多研究成果的，實(shí)際作業(yè)能力較強(qiáng)。國(guó)內(nèi)目前較多對(duì)于農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附技術(shù)的研究則局限于單一方面，缺少綜合性研究。

2)相較于國(guó)外，缺少對(duì)土壤粘附機(jī)理的研究：國(guó)內(nèi)目前對(duì)農(nóng)機(jī)減粘脫附技術(shù)的研究忽視了從土壤的粘附機(jī)理這一重要方向?qū)ν寥赖恼承赃M(jìn)行消減，對(duì)觸土部件的金屬材料、作業(yè)土壤類型等方面的研究也較少。

3)相較于國(guó)外，缺少高準(zhǔn)確性的測(cè)試設(shè)備：國(guó)外目前對(duì)農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附技術(shù)的研究所需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都來自專用的測(cè)試設(shè)備，技術(shù)的實(shí)用性都得到了大量準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)目前對(duì)農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附技術(shù)的研究則缺少結(jié)合農(nóng)藝和機(jī)藝要求的測(cè)試設(shè)備的檢驗(yàn)。

4 展望

農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件減粘脫附技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展是至關(guān)重要的。因此進(jìn)一步加深對(duì)農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附技術(shù)的研究尤為重要。

4.1 加強(qiáng)學(xué)科交叉融合，增強(qiáng)觸土部件脫附性能

農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件的減粘脫附技術(shù)涉及了多學(xué)科的知識(shí)，比如仿生技術(shù)會(huì)涉及到生物；土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)會(huì)涉及到化學(xué)；機(jī)械的結(jié)構(gòu)力學(xué)會(huì)涉及到物理。在生物方面，應(yīng)加深對(duì)土壤動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特征的分析和對(duì)土壤動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)土壤減粘特性的規(guī)律的研究；在化學(xué)方面，應(yīng)加深對(duì)土壤性質(zhì)和金屬材料的研究；在物理方面，應(yīng)加深對(duì)觸土部件和土壤之間粘附界面受力情況的研究。

因此加強(qiáng)各個(gè)學(xué)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(chuàng)造出更多新型的技術(shù)，從而增強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件的脫附性能。

4.2 加強(qiáng)土壤粘性消減技術(shù)研究

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附的研究局限于觸土部件設(shè)計(jì)方面，而少有從土壤本身理化特性方面進(jìn)行突破。因此在農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件減粘脫附技術(shù)的研究中，應(yīng)加強(qiáng)土壤粘性消減技術(shù)的研究，從根本上改變粘性土壤的理化性質(zhì)，綜合采用秸稈精細(xì)粉碎還田、適當(dāng)深松、生物綠肥施用、減粘劑施用、摻沙法等措施，試驗(yàn)得到土壤粘性消減技術(shù)方案，從源頭上解決農(nóng)機(jī)觸土部件土壤粘附的問題。

4.3 加強(qiáng)多參數(shù)測(cè)試設(shè)備開發(fā)

在研究農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件減粘脫附過程中，測(cè)試儀器和測(cè)試方法是非常重要的基礎(chǔ)，由于在農(nóng)業(yè)機(jī)械減粘脫附技術(shù)的試驗(yàn)中存在較多參數(shù)，比如土壤含水率和顆粒大小、緊實(shí)度、有機(jī)質(zhì)含量等，且這些因素都會(huì)影響土壤粘附力的大小，因此要研發(fā)出更多的新型測(cè)試設(shè)備，結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求和土壤性質(zhì)，并與表面工程技術(shù)相互結(jié)合，達(dá)到能夠適應(yīng)各種復(fù)雜條件下的測(cè)試要求，滿足農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附技術(shù)的研究需要。

5 結(jié)語

近年來，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附技術(shù)已經(jīng)取得了較多的進(jìn)展，但在農(nóng)機(jī)觸土部件的實(shí)際作業(yè)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(duì)于農(nóng)機(jī)觸土部件的土壤粘附問題的深入研究以及當(dāng)前農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附技術(shù)尚未形成系統(tǒng)性的成果。本文在系統(tǒng)地對(duì)國(guó)內(nèi)外農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比分析后，提出了目前國(guó)內(nèi)主要存在的問題在于缺少綜合性研究、對(duì)土壤粘附機(jī)理的研究以及高準(zhǔn)確性的測(cè)試設(shè)備。針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)存問題，提出了加強(qiáng)學(xué)科交叉融合、加強(qiáng)土壤粘性消減技術(shù)研究以及加強(qiáng)多參數(shù)測(cè)試設(shè)備開發(fā)的建議，以期進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)觸土部件減粘脫附技術(shù)的提高。