基于土粒与含水率变化规律的触土部件黏附特性研究

摘要 为研究土壤干燥过程中触土部件与土壤之间的黏附特性变化，以16 种不同颗粒直径与含水率的湿土壤为试验材料，先进行金属板（65Mn 钢）斜坡滑落试验，测量土壤颗粒直径、含水率高低与金属触土部件之间的黏附力大小关系，然后利用显微镜装置观察土壤样品的微观结构以及干燥过程中土壤与金属板的黏附现象。结果显示，含水率为30%、40% 的土壤在金属表面上滑落后产生的“痕迹”比含水率为10%、20% 的土壤更为明显。其中，含水率30%、颗粒直径10～50 μm 的土壤具有最大黏附力，在土壤干燥前后，颗粒直径、俯视周长和俯视面积的差异随含水率和颗粒直径的增加而增大；干燥过程中，颗粒之间的间隙逐渐减小，某些颗粒出现“扩散”“收缩”等现象，部分颗粒会发生相对位移，其中30% 含水率，颗粒直径为10～50 μm 的相对位移最大，为13.78μm。随含水率的增加，土壤黏附力先增大后减小；随着颗粒的减小，土壤黏附力逐渐增大，含水率在30% 以下，干燥前后颗粒位移量越大，土壤黏附力越强。结果表明，含水率为30%、颗粒直径在10～50 μm 范围内的土壤表现出最强黏附力，并在干燥过程中呈现出颗粒相对位移最大的现象。

关键词 触土部件； 黏附特性； 土壤干燥； 土壤含水率； 农机改良

中图分类号 S152.9 文献标识码 A 文章编号 1000-2421（2024）01-0258-09

随着农业机械化的发展，提高农业机械的效率和节能性已成为亟需解决的问题［1-2］。因此，研究触土部件与不同颗粒直径和含水率的土壤之间的黏附特性具有重要的理论与实际意义［2］。

减阻脱附大多通过降低土壤与金属触土部件界面之间的黏附力来提高脱土性能［3］。从触土部件界面分析，主要有4 点：①表面改性［3-4］；②机械减阻脱附［5］；③改善黏附界面条件［6］；④仿生物减阻［7］。除界面因素外，土壤本身因素对黏附性能也有影响。在土壤颗粒直径方面，Shaikh 等［8］研究了黏土、壤土和不同含水率的土壤对界面黏附力的变化规律。Jiang等［9］研究表明，土壤黏附力与含水率、颗粒直径和固体界面条件有关。在土壤含水率方面，Huang等［10］研究了土壤含水率对接触面的摩擦和黏附的影响。Yang 等［11］研究了含水率、温度、固结时间等与界面黏附力之间的关系。在对土壤的作业方式方面，张国忠等［12］研究表明，随着法向拉拔、切向速度的增加，黏附力增大；随着水田空间深度的增加，黏附力先增大后减小。

上述研究对土壤黏附特性改善有一定的效果，但目前针对土壤干燥过程中黏附情况的研究甚少。因此，有必要从宏观和微观角度探究土壤颗粒结构和含水率对于触土部件与土壤之间黏附特性的影响。本研究首先通过宏观斜坡试验测量土壤颗粒直径、含水率及土壤与金属触土部件之间的黏附力，再利用显微镜装置对土壤样品进行微观结构观察，探讨土壤颗粒直径和含水率对触土部件之间黏附力的影响，旨在为农机触土部件的节能改良研究提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 土样制备

土壤样品采集自安徽农业大学校内农萃园（31°86′N，117°27′E，亚热带季风气候）。土壤中随机取20 份样本，测定其平均土壤物理参数。利用环刀法［13］测定容重，结果为1.36 g/cm3。采取土壤表层土，利用烘干法［14］测定土壤含水率，结果为3.72%。不同颗粒直径的土壤占比是先利用标准分样检验筛（上海言锦丝网加工厂）筛分，再测量各级样品的质量并计算比值得到。根据国际土壤分类标准，质地为砂土及壤质砂土［15］。其中，黏粒（＜0.002 mm）占比3.62%，粉砂粒（0.002～0.02 mm）占7.64%，砂粒（0.02～2 mm）占88.74%。将原始土壤利用分样筛振动仪调试50 min，共筛选到4 种不同颗粒直径的试验土壤，分别记作S1（10～50 μm］、S2（50～75 μm］、S3（75～100 μm］、S4（100～250 μm］，再分别加水均匀搅拌混合至含水率为10％、20％、30％、40％（分别记作W1、W2、W3、W4）的湿土壤，共得到16 种不同颗粒直径及含水率组合的试验土壤。