土方机械减粘脱土技术研究概况

谭明锋，林 博，张 丽，陈远航，宾彦杰

（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州545007）

0 引言

土壤粘附是土方机械作业普遍存在的问题，如挖掘机、装载机、推土机，在粘湿的土壤作业时，工作装置极易粘土，特别是工作装置与粘土的接触面以转角处粘附最为严重。粘土不仅加速金属表面腐蚀，而且将大大影响工程机械的作业效率，有资料表明，土方工程机械作业，粘湿土壤对铲斗、挖斗自卸车斗内的粘附量可达额定铲装量的20%～50%[1]，从而减少其有效装载量，降低作业生产率达30%[2，3]。不仅如此，粘土还增大了铲土的阻力，加大铲土装置的磨损，增加了能耗。因此解决土方机械粘土问题对于增效节能意义重大。

1 土壤粘附机理

粘附机理的研究是进入20世纪才开始受到关注。研究者从不同的角度对土壤的粘附特性进行了分析与研究，形成了许多不同的粘附机理。

1.1 水分张力理论

Fountaine[4]提出假设并利用特殊装置对土壤粘附特性做了深入的研究，提出了水分张力理论的土壤粘附机理。他认为土壤与其它材料接触界面会形成连续或不连续的水膜，材料表面的粘附力便是界面的水膜面积和水张力的乘积。进一步地，钱定华等[5]建立了土壤对金属表面粘附的理论模型，提出五层界面理论。他认为该粘附模型是由五层结构组成，将土壤从金属表面拉开的粘附力大小取决于五层中强度最弱的那一层。并从自由能角度分析，层间破坏只能发生在液体层，因此粘附力的大小取决于水的表面张力、水膜的面积与厚度等。

张际先等[6]从分子间作用力和能量的角度分析了土壤粘附机理，他们认为水与固体材料表面接触时，两者的分子间作用力使得邻面水的键合结构增加，粘附系统能量降低。然而，界面水膜仍为高能层，“高能层”的能量降低越多，将粘附界面分开所需的粘附力就越大。

1.2 毛细管粘附机理

R.E.Baier等[7]最先提出了毛细管粘附机理，秋山丰和横井肇[8]在其基础上进一步完善了此粘附机理。他们将土壤简化为球状颗粒堆积结构，分析了粘附力与土壤颗粒半径、材料表面接触角、毛细管力之间的关系，认为毛细管作用力才是土壤粘附的主要原因。进一步地，Vaybakov等[9-10]提出了土壤粘附的合力理论，他们认为土壤粘附力由几种力的综合作用构成，包括分子间力、弯月面的毛细管力、土壤液的粘滞阻力、液体薄膜“楔开”压力、空气负压等。在不同的粘附体系下，上述几种力对粘附力的贡献是不同的，但通常情况下，毛细管力对土壤粘附贡献最大。

1.3 吸附理论

丛茜等[11]认为土壤粘附力与触土部件表面特性、土壤表面性质、土壤水的特性有关。触土部件常用材料为过渡金属，亚稳态结构的金属极易吸附表面有负电荷的湿土壤，轨道的重叠形成弱配位作用力即化学吸附力，同时还存在弱的物理吸附力，但化学吸附是土壤粘附主要原因。

2 土壤粘附的影响因素

土壤粘附机理的不断完善，加深了人们对土壤粘附本质的认识，有力地推进了土方机械的土壤粘附的研究。土壤粘附发生在触土部件与土壤的接触面，粘附的严重程度通过粘附力的大小来度量，粘附力具有方向性，垂直接触界面的拉脱力为法向粘附力，界面相互滑动方向的阻力为切向粘附力。触土部件的土壤粘附力的大小与触土部件的表面特性、土壤水含量、土壤特性及外界条件有关。

2.1 土壤水含量

土方机械触土部件粘土问题与水是密切相关的。土壤含水量变化可导致粘附力5～10倍的增加[10]。含水量太低，界面难以形成水膜，粘附力很小。随着含水量的增加，形成的水膜面积越来越大，弯月面引起的水分张力增加，粘附力增加。含水量进一步的增加，水膜厚度增加，毛细弯月面消失，多余的自由水在界面处起到润滑作用，粘附力降低。粘附力与含水量的关系符合抛物线的变化规律[12]。

2.2 土壤特性

土壤的矿物成分、胶体含量、表面吸附的离子、颗粒尺寸和比表面积等均影响到粘附力的大小。伊利蒙脱石为主的土壤就比长石、石英为主的土壤粘附严重；土壤胶体含量越多，其吸附离子的数量越多，形成的静电引力越大，粘附力也越大；土壤颗粒比表面积不同，粘附力也不一样，通常比表面积越大的，粘附越严重[13]。

另外，土壤表面吸附离子的不同对土壤粘附性也不一样。K+、Na+使得土壤具有很大的溶胀作用，导致粘附力增大，而Ca2+、Fe3+、Al3+离子不及一价离子的溶胀能力大，粘附力偏低。除此以外，土壤的PH值、土壤有机质均影响土壤粘附力[14]。

2.3 触土部件材料

触土部件材料以及表面特性，如表面光洁度、表面形貌、表面张力、亲疏水性等均影响土壤的粘附。常见的触土部件材料为铁，亲水性强、表面张力大，很容易粘附粘土，倘若在其上覆盖一层疏水性很弱粘土的粘附力。另外，表面光洁度越高，金属与土壤之间形成水膜的面积越大，导致附着力越好即粘附力越大。触土部件表面形貌凹凸不平，会影响毛细管力的形成，从而大大削弱粘附力。

2.4 触土部件与土壤相对速度

铲装作业的速度也会对土壤粘附产生影响。试验表明，土壤-触土部件相对滑动速度增大，切向粘附力减小。因为土壤与触土部件表面接触，接触时间太短，土壤来不及变形，毛细管力难以在短时间内形成，因此土壤的粘附也不会很大。实际作业条件下，底层的的积土若未能完全清理干净，时间久了粘附力很大，清理极为困难。

2.5 触土部件与土壤接触面温度

土壤和触土部件之间的接触表面温度增加，则接触界面的土壤含水量越低，使得水膜面积减少，同时，温度升高也会引起水的表面张力降低，两者均使得土壤粘附力降低。

2.6 土壤粘附正压力

土壤粘附与土壤正压力是紧密相关的。土壤是可变形的，正压力越大，土壤与触土部件的接触面积越大，滑动阻力增加，土壤越不容易脱粘；正压力增加，土壤压的越密实，土壤结构的剪切破坏难度增加，不容易脱落。

3 减粘脱土技术研究进展

国内外研究工作者通过长期的理论与试验研究，已经开发了多种脱附减阻技术，包括磁化法、电渗法、振动法、表面改形、表面改性、加热法、界面润滑法及仿生减粘等多各种脱土方法，具体可归结为结构改装、表面改性及仿生脱粘三大类。

3.1 结构改装

结构改装是目前最常见的减粘脱土方法，具体做法就是对触土部件进行结构改装或安装辅助件（如振动器、加热的壳体、刮板等）来达到减粘脱土的功效。

3.1.1 外加磁场法

对触土部件外加磁场，可降低土壤保水能力和土壤的比表面积，从而达到减粘脱土的功效。韩国政等[15]采用非电量电测技术和先进的测试仪器测量了普通犁铧和磁性犁铧的土壤粘附特性，结果表明磁性犁铧的阻力较普通犁铧降低15%以上，磁性犁铧改变了界面土壤粘附的特性导致阻力的降低。

3.1.2 电渗法

电渗法是以触土部件与土壤为电极，当接入足够的电压，土壤中的水便会向粘附界面迁移，使土壤-触土部件界面上的水膜增厚，以致毛细管力消失，最终达到减粘降阻的目的。倘电压太低，电渗减粘效果便不明显[16]。

3.1.3 振动法

在垂直于土壤-固体接触平面方向上施加振动载荷，在振源周围的振动场内，土壤颗粒受振动波的影响也作相应的振动。振动的土壤颗粒很难在触土部件的表面压实，同时，空气和水也移动到接触界面，增加界面润滑减少界面粘附。X.L.Wang[17]等研究了振动对土壤粘附的影响，当机械触土部件的振动频率在60 Hz～100 Hz时，减粘效果明显。

3.1.4 加热法

对粘附界面加热，可减少界面土壤含水量，同时水受热表面张力下降，从而大大减少土壤的粘附。另外加热产生的热气可以产生气膜效应，起到隔离土壤与触土部件的接触，进一步减少土壤的粘附。加热减粘技术主要是在触土部件旁安装了加热的壳体，壳体内充入热水或热气，通过热传导来对触土部件上的土壤加热来达到土壤减粘的作用[15]。

3.1.5 清土刮板法

通过在触土部件上安装刮板，刮板的运动轨迹与触土部件内表面一致，刮板移动过程中强制将粘附的积土挂掉，以达到减少土壤的粘附的目的。王永申等[18]研制了刮板式自清矿车，该带孔刮板形状尺寸与车厢底部一致，矿车利用刮板与车底的错位，在矿车启动与停车过程中，通过惯性实现刮板的往复切削粘土。

3.1.6 表面改形

表面改形是改变触土部件的表面形貌，通过减小与土壤的实际接触面积，使界面水膜不连续或造成应力集中而减少粘附。

3.2 表面改性

表面改性是改变触土部件的表面特性，使其具有强的憎水性，达到减粘脱土的效果。

3.2.1 界面润滑法

界面润滑法有充气润滑和充液润滑。通过向土壤与触土部件之间的界面不断注入气体或液体，使接触界面形成气体或液体润滑层，减少了土壤与触土部件表面的直接接触面积，达到减小粘附力的作用。张淑敏等[19]研究了气体润滑对推土板模型的减粘作用，测试了充气压力、充气流量以及土壤含水量对推土板粘附阻力的影响。

3.2.2 表面涂覆

贾贤等[20]在推土板上涂覆聚合物涂层，对比研究了PA41010、EP1及45#钢三种表面材料，PA41010脱土减阻效果最好，减粘降阻率达25.76%。涂层涂覆在犁壁上，对比研究了PA41010、EP1和35#钢，也是PA41010脱土减阻效果最好，减粘降阻率达35.88%。

3.3 仿生减粘

传统的减粘脱土方法虽然有一定的效果，但仍非理想的方法。如，加热带来能源的消耗，振动导致疲劳加速破坏，表面涂覆低表面能高分子材料，耐磨性难以满足要求且成本偏高。20世纪90年代后，仿生学的研究与发展，为减粘脱土带来新的思路—仿生减粘。

孙世元[21]等依据土壤动物蠕动变形的脱土机理，设计了一种仿生铲斗，内有柔性内衬。挖掘测试表明，仿生钢布兜式铲斗粘土量较少，而普通铲斗随着挖掘次数增加，粘土越来越多，第五次土壤粘附量达铲斗的1/3。

通过对土壤动物体壁观察发现，蚯蚓运动过程中体节的直径变化很大，可产生很大的变形，同时不断的挠动，对减粘脱土极为有利。依据此原理，任露泉[22]等设计了弹性大变形的仿生挠性铲斗，相比较普通铲斗，降低粘土量达59.4%。

殷涌光[23]等通过仿生原理设计了装载机的积土清除装置，类似人与动物口腔内部的舌头，并将此积土装置安装在装载机铲斗上。研究表明，未安装积土清除装置的铲斗，积土量达17.6%，安装有积土清除装置的铲斗，积土量仅0.6%，大大降低了积土量，提高了作业效率。

李建桥[24]等对犁壁用钢的脱土性进行了研究，根据土壤动物触土部位Si含量较高的特性，采用合金化的方法，合理加入Si达到最佳的降粘效果，并在不明显提高成本的条件下，降阻率相比白口铸铁提高一倍，耐磨性提高近一半。

3.4 新型减粘材料的开发与应用

佟金等[25]对PTFE基的复合材料的粘附行为进行了研究，通过在PTFE树脂中添加10%～20%的Al2O3后相比于未加Al2O3的PTFE，水在复合材料表面的前进接触角增加，对土壤的减粘作用有利。

4 结束语

粘附机理研究的不断发展，大大促进了减粘脱土技术在地面机械的应用。传统的减粘脱土技术在一定程度上解决了土方机械的粘土问题，但效果十分有限。仿生减粘技术的出现为减粘脱土提供了新的思路，但仍有许多技术问题需要解决。事实上，减粘脱土是多种减粘技术的协同作用，因此，新型减粘材料的开发与应用，势将成为必然，复合的减粘技术将成为未来最有效、最实用的解决土方机械粘土问题的手段，这方面的研究具有重要的应用前景。