南疆沙土摩擦學(xué)特征研究＊

姚強(qiáng)，郭展宏

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300）

新疆地貌可簡(jiǎn)單概括為“三山夾兩盆”，從北至南分別是阿爾泰山脈、準(zhǔn)噶爾盆地、天山山脈、塔里木盆地、昆侖山脈，天山以北簡(jiǎn)稱“北疆”，天山以南簡(jiǎn)稱“南疆”。南疆屬于典型溫帶大陸性氣候，蒸發(fā)量大，降水量少，多年年均降水量為170.6 mm。南疆中部為塔里木盆地，塔里木盆地中部為塔克拉瑪干沙漠，沙漠面積約占盆地面積的3/5。塔里木河為中國(guó)最長(zhǎng)的內(nèi)陸河，貫穿塔里木盆地，水源主要是冰雪融水，也是南疆主要灌溉用水來源[1]。

南疆農(nóng)業(yè)依托水源發(fā)展，屬于典型的綠洲農(nóng)業(yè)類型，農(nóng)業(yè)區(qū)主要分布于天山南麓與塔里木盆地之間。南疆緯度高，年均日照時(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差大，有利于農(nóng)作物進(jìn)行光合作用以及糖分積累，適宜干果類作物的生長(zhǎng)，是中國(guó)主要的高品質(zhì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地。南疆土壤含水量低，作物生長(zhǎng)依賴灌溉澆水，長(zhǎng)此以往，土壤下層鹽分向地表析出，造成地表土壤板結(jié)。對(duì)此，在作物耕作前的耕地作業(yè)至關(guān)重要[2]。

耕地作業(yè)時(shí)改良土壤結(jié)構(gòu)是保證農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的重要一環(huán)。但農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件在耕作中會(huì)受到土壤的摩擦磨損、沖擊和腐蝕，觸土部件的磨損形式以二體磨料磨損為主，即在部件表面由外界磨?；蛘咦陨韯兟漕w粒沿切向或垂直運(yùn)動(dòng)造成的材料損失[3]。在耕作時(shí)的摩擦副中，觸土部件為人造物，各方面因素較易掌控。土壤是在自然和人為等成土因素復(fù)雜的相互作用下形成的[4]，成分復(fù)雜，其中包括各種固相、氣相、液相物質(zhì)，在實(shí)際耕作中各種物質(zhì)相互耦合作用，對(duì)觸土部件造成難以預(yù)估的磨損，且各地區(qū)實(shí)際磨損情況皆有不同。南疆地區(qū)土壤含沙量高，多年來隨著對(duì)沙漠向耕地的改造，觸土部件在沙土中磨損現(xiàn)象始終伴隨且逐漸增多。故針對(duì)南疆沙土的摩擦學(xué)研究具有重大意義，可為含沙量高環(huán)境中的機(jī)械部件摩擦磨損研究提供理論基礎(chǔ)。

本研究針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件在南疆沙土中的磨損問題，提出了基于摩擦學(xué)的耕地沙土分析法，對(duì)土壤含水率、沙粒硬度、pH 值、鹽分進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)不同粒徑顆粒進(jìn)行觀測(cè)拍照，使用MATLAB 的圖像處理，獲得圖像顆粒數(shù)與顆粒面積，從而總結(jié)出南疆沙土的基本特征。

1 樣品采集和分析方法

本研究采用阿拉爾周邊團(tuán)場(chǎng)耕地土壤樣品，取樣點(diǎn)靠近塔克拉瑪干沙漠，是近年來由沙漠改造成的耕地，土壤含沙量高。使用五點(diǎn)采樣法，設(shè)置一塊耕地4 個(gè)頂點(diǎn)與對(duì)角線交點(diǎn)為取樣點(diǎn)，從地表開始每隔10 cm 深度取樣，分別取0～60 cm 不同深度的土樣，每個(gè)耕深取3 個(gè)誤差土樣，共取90 個(gè)土樣，每個(gè)土樣質(zhì)量在100～200 g。

常用的室內(nèi)土壤含水率測(cè)定方法有烘干法、酒精燃燒法、比重法、碳化鈣氣壓法。本研究參考GB 7833—87，使用遠(yuǎn)紅外快速干燥箱YHG-500-BS，設(shè)定溫度為105 ℃，將土樣烘干至恒重。在此溫度下土樣有機(jī)質(zhì)不會(huì)因受熱而產(chǎn)生熱裂解，但有機(jī)質(zhì)與礦物質(zhì)中的自由水、結(jié)晶水會(huì)被全部排出，該方法適用于黏質(zhì)土、粉質(zhì)土、沙質(zhì)土、沙礫土、有機(jī)質(zhì)土和凍土類的含水率測(cè)定。

本研究參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 872—2019 、 JG/T 463—2014，使用刻痕法對(duì)沙粒硬度進(jìn)行測(cè)量。沙粒硬度指標(biāo)為莫氏硬度，又譯為摩氏硬度，指利用礦物之間相對(duì)刻劃硬度來劃分礦物硬度的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是1812 年由德國(guó)礦物學(xué)家腓特烈·摩斯提出的。

土壤pH 值由土壤溶液中的氫離子和氫氧根離子質(zhì)量濃度決定。常用的土壤pH 值測(cè)定方法有電位法、比色法。本研究參考GB 7859—87，使用精密pH 值試紙，對(duì)土壤pH 值進(jìn)行測(cè)定。取少許土壤搗碎后放在白色瓷盤中，滴入幾滴土壤混合指示劑，直至土壤全部濕潤(rùn)，且有少量剩余，搖晃瓷盤，使指示劑與土壤充分作用，靜置1 min，和標(biāo)準(zhǔn)比色卡比色，即得出土壤pH 值。

土壤鹽分是土壤中所有金屬或者銨根離子與酸根結(jié)合的化合物的質(zhì)量占干土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，主要成分是氯鹽、硫酸鹽、碳酸鹽。按溶于水的難易程度可分為易溶鹽、中溶鹽、難溶鹽。易溶鹽主要成分是氯化鈉、芒硝等，中溶鹽主要成分是石膏，難溶鹽主要成分是碳酸鈣等。土壤中鹽分，特別是易溶鹽的含量及類型對(duì)土的物理、水理、力學(xué)性質(zhì)影響較大。本研究采用干殘?jiān)|(zhì)量法對(duì)總鹽進(jìn)行測(cè)定，對(duì)土壤樣品加水浸泡，使用濾紙過濾不可溶的顆粒。利用坩堝和酒精燈，對(duì)土壤溶液加熱烘干，得到可溶鹽的質(zhì)量。

常用的土壤顆粒分級(jí)方法有離心法、自然沉淀法、篩分法、庫爾特全自動(dòng)顆粒粒徑分析、顯微鏡法、馬爾文激光粒度測(cè)量、顆粒計(jì)數(shù)器分析、電感應(yīng)法[5-6]。本研究參考GB/T 21524—2008，使用標(biāo)準(zhǔn)土壤篩，選定篩徑規(guī)格為0～0.2 mm、0.2～0.6 mm、0.6～1.0 mm、1.0～1.6 mm、1.6～2.5 mm、2.5 mm 以上，分離土壤顆粒。該方法可根據(jù)試驗(yàn)需求，對(duì)篩徑進(jìn)行選擇，分離所需粒徑準(zhǔn)確且效率高。篩分完成后，通過稱重記錄下每層標(biāo)準(zhǔn)篩中顆粒質(zhì)量，并由此求得不同粒徑顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

土壤顆粒分級(jí)結(jié)束后，使用放大倍數(shù)220 倍的光學(xué)顯微鏡對(duì)顆粒樣品進(jìn)行拍照觀測(cè)。利用MATLAB 軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)圖片中土壤顆粒計(jì)數(shù)與平均面積計(jì)算，首先，對(duì)圖片進(jìn)行灰度和濾波處理，以提高圖片中土壤顆粒與背景的分辨率。其次，使用“Otsu” 方法對(duì)圖片進(jìn)行分割，再將切割后的灰度圖轉(zhuǎn)換成二值圖，以便后期進(jìn)行計(jì)數(shù)與面積計(jì)算。再次，獲取圖片中土壤顆粒像素點(diǎn)數(shù)量，計(jì)算得出土壤顆粒面積。調(diào)用函數(shù)獲得圖像數(shù)量，獲得土壤顆粒區(qū)域的長(zhǎng)徑和短徑。最后，通過尋找土壤顆粒區(qū)域的重心數(shù)，即可統(tǒng)計(jì)出土壤顆粒的個(gè)數(shù)。調(diào)用函數(shù)用來存放每個(gè)黑色連通區(qū)域的面積，累加每個(gè)分割圖后計(jì)算出黑色區(qū)域的總面積。計(jì)算顆?？偯娣e與上述顆粒數(shù)的比值，即可獲得土壤顆粒的平均大小，對(duì)土壤顆粒進(jìn)行大小評(píng)估。

2 結(jié)果分析

取5 個(gè)取樣點(diǎn)在不同深度的含水率、pH 值、鹽分的平均值，如表1 所示。所采土樣總體含水率范圍在0.56%～17.93%，土壤表層因日照強(qiáng)烈，含水量極低，但隨深度的增加，含水率增加，且不同深度含水量差距較大，可見南疆沙土保水性差，水分難靠土壤自身吸水性向地表運(yùn)動(dòng)，使得南疆農(nóng)業(yè)用水以灌溉為主。土壤含水率將影響土壤粘附力，隨土壤中含水率在豎直方向的變化，農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件在豎直方向的被粘附情況也不相同。所采土樣pH 值范圍在6. 9 ～7.8，采樣點(diǎn)耕地土壤為偏向中性、弱堿性土壤，且各取樣點(diǎn)隨深度增加，pH 值變化不大。所采土樣鹽分含量范圍在0.10～0.25 g/kg，隨深度的變化，鹽分含量減小，可見由長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)灌溉澆水，鹽分因質(zhì)量濃度差向上析出，造成地表鹽分累積，加重地表鹽堿化。地表水分受日照蒸發(fā)，鹽分結(jié)晶，造成土壤板結(jié)，增加土壤堅(jiān)實(shí)度，使得耕作時(shí)農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件受到的摩擦阻力增加，加劇部件磨損。

表1 各深度土壤含水率、pH 值、鹽分平均值

取5 個(gè)取樣點(diǎn)在不同深度的土壤不同粒徑的平均質(zhì)量占比百分?jǐn)?shù)，如表2 所示。在各取樣點(diǎn)同一深度的同一粒徑范圍的土壤顆粒質(zhì)量占比大致相同，粒徑在0.2 mm 以下的顆粒質(zhì)量占比為84.51%～87.20 %，粒徑在0.2～2.5 mm 的顆粒質(zhì)量占比為12.28%～15.49%，粒徑2.5 mm 以上的顆粒質(zhì)量占比為4.12%～6.82%。土壤含沙量較高，說明土壤風(fēng)化程度高，土壤發(fā)育微弱。

表2 各深度土壤粒徑質(zhì)量占比值單位：%

對(duì)不同粒徑的土壤顆粒特征進(jìn)行觀測(cè)拍照，如圖1所示。粒徑在0.6 mm 以下的土壤顆粒為單粒沙粒，形狀不規(guī)則，且有尖銳棱角。粒徑在0.6～2.5 mm 的土壤顆粒為土壤團(tuán)聚體，由尺寸差距較大的沙粒與有機(jī)質(zhì)組成，有機(jī)質(zhì)主要由農(nóng)作物殘茬與動(dòng)物、微生物殘?bào)w組成，且隨土壤團(tuán)聚體粒徑增加，有機(jī)質(zhì)組成越復(fù)雜，尺寸差別越大。粒徑在2.5 mm 以上的土壤顆粒為土塊和農(nóng)作物殘茬，尺寸差距較大，在本研究不進(jìn)行尺寸測(cè)定。

測(cè)得土壤為沙質(zhì)土壤，相關(guān)研究表明，在大田實(shí)驗(yàn)中沙土對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件的磨損最為嚴(yán)重[7]。對(duì)單粒沙粒使用刻痕法，測(cè)量沙粒硬度。其原理為：在試樣表面用已知不同硬度的標(biāo)準(zhǔn)礦石刻劃，硬度從低到高，當(dāng)試樣表面剛到不能產(chǎn)生明顯劃痕時(shí)，以標(biāo)準(zhǔn)礦石的硬度值作為試樣的莫氏硬度值。測(cè)得沙粒的莫式硬度為7 級(jí)，硬度較高，與石英硬度相當(dāng)。

通過MATLAB 軟件平臺(tái)對(duì)土壤顆粒圖片進(jìn)行預(yù)處理。依次進(jìn)行灰度化、中值濾波處理，利用“Otsu”方法調(diào)用graythresh 函數(shù)，獲得最佳閾值，進(jìn)行全局閾值分割處理。經(jīng)函數(shù)im2bw 將灰度圖轉(zhuǎn)化為二值圖，取反后，可進(jìn)行土壤顆粒個(gè)數(shù)和面積計(jì)算。首先調(diào)用函數(shù)bwlabel 計(jì)算二值圖中圖像矩陣的連通區(qū)域個(gè)數(shù)，其次調(diào)用函數(shù)Area 計(jì)算出每個(gè)連通區(qū)域中像素個(gè)數(shù)。通過調(diào)用函數(shù)num=size(area)統(tǒng)計(jì)像素總數(shù)。函數(shù)answer(1,1:num(2))=area(1:end)用來存放每個(gè)黑色連通區(qū)域的面積，函數(shù)cumsum(answer)累加其中數(shù)組中的值計(jì)算出黑色區(qū)域的總面積。為得到圖片中土壤顆粒的個(gè)數(shù)，系統(tǒng)識(shí)別圖片中調(diào)用函數(shù)bwlabel 將圖像連通圖的數(shù)量賦給矩陣L，regionprops(L)來測(cè)量標(biāo)注矩陣中每個(gè)標(biāo)注區(qū)域的屬性，返回每個(gè)標(biāo)注區(qū)域長(zhǎng)度的值賦給數(shù)組stats，調(diào)用函數(shù)Centroid 得到每個(gè)區(qū)域的重心，根據(jù)統(tǒng)計(jì)每個(gè)連通圖的重心數(shù)。

在一張圖片上對(duì)粒徑較小的土壤顆?？梢淮芜M(jìn)行多顆測(cè)量，但在粒徑較大的土壤顆粒中，一次進(jìn)行單顆測(cè)量，如圖1 所示。本研究對(duì)每個(gè)粒徑區(qū)間觀測(cè)5 個(gè)土壤顆粒，獲取總面積、顆粒數(shù)量及土壤顆粒平均面積，總面積除以顆粒數(shù)量，以獲取不同粒徑區(qū)間土壤顆粒的平均面積，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤顆粒的參數(shù)化表征。

具體實(shí)現(xiàn)方法為：

%%清除所有數(shù)據(jù)

clear;close all;

Ⅰ=imread('e:1.jpg'); %讀入原彩色圖片

Ⅰ1=rgb2gray();%將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像

Ⅰ2=medfilt2(Ⅰ1);%對(duì)灰度圖像進(jìn)行3×3 鄰域的二維中值濾波

level=graythresh(Ⅰ2);%尋找灰度圖像的最佳閾值

Ⅰ3=im2bw(Ⅰ2，level);%"Otsu"法閾值分割圖像，并進(jìn)行二值化處理

Ⅰ3=1-Ⅰ3;%對(duì)二值化圖像進(jìn)行取反

L=bwlabel(Ⅰ3，8);%尋找二值圖中矩陣的連通區(qū)域，計(jì)算圖像內(nèi)顆粒的總面積

sta=regionprops(L，'Area'，'BoundingBox');

area=[sta.Area];%記錄圖中像素的個(gè)數(shù)。

boundingBox=[sta.BoundingBox];

num= size(area);%記錄像素總數(shù)

answer(1，1:num(2))=area(1:end);

p=cumsum(answer);%計(jì)算連通區(qū)域總面積。

hold on;

str=sprintf('顆粒總面積為%d ':p(end));

[L，n]=bwlabel(Ⅰ3，8);%計(jì)算圖片中顆粒數(shù)。

stats=regionprops(L);

Cen=cat(1 ，stats.Centroid);%計(jì)算連通區(qū)域的重心個(gè)數(shù)。

hold on;

plot(Cen(:，1 )，Cen(:，2)，'r+');

str= sprintf('土壤顆粒共有%d 顆';n);

num=p(end);

str= sprintf('土壤顆粒平均面積為%d'，num/n);

對(duì)分級(jí)后不同粒徑區(qū)域的土壤顆粒進(jìn)行觀測(cè)計(jì)算，獲得總面積、顆粒數(shù)、平均面積數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示。

表3 各級(jí)別土壤顆粒處理后結(jié)果

3 討論

農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件的磨損主要由土壤磨料磨損造成，沙粒的粒徑、形狀、硬度對(duì)摩擦副的影響密切。但在耕作的同時(shí)，土壤中的其他成分對(duì)部件的磨損也有影響，土壤含水率影響土壤粘附阻力，pH 值的高低與鹽分含量決定部件遭受腐蝕程度。除此之外，農(nóng)機(jī)的工況也影響觸土部件的磨損。

天然顆粒之間形狀與尺寸是極不規(guī)則的，難以區(qū)分顆粒之間的界限。使用MATLAB 軟件對(duì)土壤顆粒圖片進(jìn)行處理與分析，可較好獲取土壤顆粒的參數(shù)，對(duì)土壤磨料進(jìn)行參數(shù)化表征。但土壤顆粒之間難以避免粘連的情況，在進(jìn)行圖像分割時(shí)難以保證準(zhǔn)確率，在本研究中未對(duì)圖像分割開展詳細(xì)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，在土壤顆粒未出現(xiàn)粘連的情況下，可較好判斷土壤顆粒數(shù)目及面積，對(duì)天然土壤顆粒進(jìn)行參數(shù)表征。

4 結(jié)論

針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件在南疆沙土中的磨損問題，提出了基于摩擦學(xué)的耕地沙土分析法。采取田間不同耕深土樣，采用烘干法獲取土壤含水率，刻痕法測(cè)定沙粒硬度，比色法測(cè)定土壤pH 值，干殘?jiān)|(zhì)量法測(cè)定鹽分含量，篩分法分離土壤顆粒。使用MATLAB軟件對(duì)土壤顆粒的數(shù)目和面積進(jìn)行參數(shù)化分析。從摩擦學(xué)的角度為研究農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件在南疆沙土環(huán)境中的適應(yīng)性提供相關(guān)基本參數(shù)。