土方機械減粘脫土技術研究概況

譚明鋒，林 博，張 麗，陳遠航，賓彥杰

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

土壤粘附是土方機械作業普遍存在的問題，如挖掘機、裝載機、推土機，在粘濕的土壤作業時，工作裝置極易粘土，特別是工作裝置與粘土的接觸面以轉角處粘附最為嚴重。粘土不僅加速金屬表面腐蝕，而且將大大影響工程機械的作業效率，有資料表明，土方工程機械作業，粘濕土壤對鏟斗、挖斗自卸車斗內的粘附量可達額定鏟裝量的20%～50%[1]，從而減少其有效裝載量，降低作業生產率達30%[2，3]。不僅如此，粘土還增大了鏟土的阻力，加大鏟土裝置的磨損，增加了能耗。因此解決土方機械粘土問題對于增效節能意義重大。

1 土壤粘附機理

粘附機理的研究是進入20世紀才開始受到關注。研究者從不同的角度對土壤的粘附特性進行了分析與研究，形成了許多不同的粘附機理。

1.1 水分張力理論

Fountaine[4]提出假設并利用特殊裝置對土壤粘附特性做了深入的研究，提出了水分張力理論的土壤粘附機理。他認為土壤與其它材料接觸界面會形成連續或不連續的水膜，材料表面的粘附力便是界面的水膜面積和水張力的乘積。進一步地，錢定華等[5]建立了土壤對金屬表面粘附的理論模型，提出五層界面理論。他認為該粘附模型是由五層結構組成，將土壤從金屬表面拉開的粘附力大小取決于五層中強度最弱的那一層。并從自由能角度分析，層間破壞只能發生在液體層，因此粘附力的大小取決于水的表面張力、水膜的面積與厚度等。

張際先等[6]從分子間作用力和能量的角度分析了土壤粘附機理，他們認為水與固體材料表面接觸時，兩者的分子間作用力使得鄰面水的鍵合結構增加，粘附系統能量降低。然而，界面水膜仍為高能層，“高能層”的能量降低越多，將粘附界面分開所需的粘附力就越大。

1.2 毛細管粘附機理

R.E.Baier等[7]最先提出了毛細管粘附機理，秋山豐和橫井肇[8]在其基礎上進一步完善了此粘附機理。他們將土壤簡化為球狀顆粒堆積結構，分析了粘附力與土壤顆粒半徑、材料表面接觸角、毛細管力之間的關系，認為毛細管作用力才是土壤粘附的主要原因。進一步地，Vaybakov等[9-10]提出了土壤粘附的合力理論，他們認為土壤粘附力由幾種力的綜合作用構成，包括分子間力、彎月面的毛細管力、土壤液的粘滯阻力、液體薄膜“楔開”壓力、空氣負壓等。在不同的粘附體系下，上述幾種力對粘附力的貢獻是不同的，但通常情況下，毛細管力對土壤粘附貢獻最大。

1.3 吸附理論

叢茜等[11]認為土壤粘附力與觸土部件表面特性、土壤表面性質、土壤水的特性有關。觸土部件常用材料為過渡金屬，亞穩態結構的金屬極易吸附表面有負電荷的濕土壤，軌道的重疊形成弱配位作用力即化學吸附力，同時還存在弱的物理吸附力，但化學吸附是土壤粘附主要原因。

2 土壤粘附的影響因素

土壤粘附機理的不斷完善，加深了人們對土壤粘附本質的認識，有力地推進了土方機械的土壤粘附的研究。土壤粘附發生在觸土部件與土壤的接觸面，粘附的嚴重程度通過粘附力的大小來度量，粘附力具有方向性，垂直接觸界面的拉脫力為法向粘附力，界面相互滑動方向的阻力為切向粘附力。觸土部件的土壤粘附力的大小與觸土部件的表面特性、土壤水含量、土壤特性及外界條件有關。

2.1 土壤水含量

土方機械觸土部件粘土問題與水是密切相關的。土壤含水量變化可導致粘附力5～10倍的增加[10]。含水量太低，界面難以形成水膜，粘附力很小。隨著含水量的增加，形成的水膜面積越來越大，彎月面引起的水分張力增加，粘附力增加。含水量進一步的增加，水膜厚度增加，毛細彎月面消失，多余的自由水在界面處起到潤滑作用，粘附力降低。粘附力與含水量的關系符合拋物線的變化規律[12]。

2.2 土壤特性

土壤的礦物成分、膠體含量、表面吸附的離子、顆粒尺寸和比表面積等均影響到粘附力的大小。伊利蒙脫石為主的土壤就比長石、石英為主的土壤粘附嚴重；土壤膠體含量越多，其吸附離子的數量越多，形成的靜電引力越大，粘附力也越大；土壤顆粒比表面積不同，粘附力也不一樣，通常比表面積越大的，粘附越嚴重[13]。

另外，土壤表面吸附離子的不同對土壤粘附性也不一樣。K+、Na+使得土壤具有很大的溶脹作用，導致粘附力增大，而Ca2+、Fe3+、Al3+離子不及一價離子的溶脹能力大，粘附力偏低。除此以外，土壤的PH值、土壤有機質均影響土壤粘附力[14]。

2.3 觸土部件材料

觸土部件材料以及表面特性，如表面光潔度、表面形貌、表面張力、親疏水性等均影響土壤的粘附。常見的觸土部件材料為鐵，親水性強、表面張力大，很容易粘附粘土，倘若在其上覆蓋一層疏水性很弱粘土的粘附力。另外，表面光潔度越高，金屬與土壤之間形成水膜的面積越大，導致附著力越好即粘附力越大。觸土部件表面形貌凹凸不平，會影響毛細管力的形成，從而大大削弱粘附力。

2.4 觸土部件與土壤相對速度

鏟裝作業的速度也會對土壤粘附產生影響。試驗表明，土壤-觸土部件相對滑動速度增大，切向粘附力減小。因為土壤與觸土部件表面接觸，接觸時間太短，土壤來不及變形，毛細管力難以在短時間內形成，因此土壤的粘附也不會很大。實際作業條件下，底層的的積土若未能完全清理干凈，時間久了粘附力很大，清理極為困難。

2.5 觸土部件與土壤接觸面溫度

土壤和觸土部件之間的接觸表面溫度增加，則接觸界面的土壤含水量越低，使得水膜面積減少，同時，溫度升高也會引起水的表面張力降低，兩者均使得土壤粘附力降低。

2.6 土壤粘附正壓力

土壤粘附與土壤正壓力是緊密相關的。土壤是可變形的，正壓力越大，土壤與觸土部件的接觸面積越大，滑動阻力增加，土壤越不容易脫粘；正壓力增加，土壤壓的越密實，土壤結構的剪切破壞難度增加，不容易脫落。

3 減粘脫土技術研究進展

國內外研究工作者通過長期的理論與試驗研究，已經開發了多種脫附減阻技術，包括磁化法、電滲法、振動法、表面改形、表面改性、加熱法、界面潤滑法及仿生減粘等多各種脫土方法，具體可歸結為結構改裝、表面改性及仿生脫粘三大類。

3.1 結構改裝

結構改裝是目前最常見的減粘脫土方法，具體做法就是對觸土部件進行結構改裝或安裝輔助件（如振動器、加熱的殼體、刮板等）來達到減粘脫土的功效。

3.1.1 外加磁場法

對觸土部件外加磁場，可降低土壤保水能力和土壤的比表面積，從而達到減粘脫土的功效。韓國政等[15]采用非電量電測技術和先進的測試儀器測量了普通犁鏵和磁性犁鏵的土壤粘附特性，結果表明磁性犁鏵的阻力較普通犁鏵降低15%以上，磁性犁鏵改變了界面土壤粘附的特性導致阻力的降低。

3.1.2 電滲法

電滲法是以觸土部件與土壤為電極，當接入足夠的電壓，土壤中的水便會向粘附界面遷移，使土壤-觸土部件界面上的水膜增厚，以致毛細管力消失，最終達到減粘降阻的目的。倘電壓太低，電滲減粘效果便不明顯[16]。

3.1.3 振動法

在垂直于土壤-固體接觸平面方向上施加振動載荷，在振源周圍的振動場內，土壤顆粒受振動波的影響也作相應的振動。振動的土壤顆粒很難在觸土部件的表面壓實，同時，空氣和水也移動到接觸界面，增加界面潤滑減少界面粘附。X.L.Wang[17]等研究了振動對土壤粘附的影響，當機械觸土部件的振動頻率在60 Hz～100 Hz時，減粘效果明顯。

3.1.4 加熱法

對粘附界面加熱，可減少界面土壤含水量，同時水受熱表面張力下降，從而大大減少土壤的粘附。另外加熱產生的熱氣可以產生氣膜效應，起到隔離土壤與觸土部件的接觸，進一步減少土壤的粘附。加熱減粘技術主要是在觸土部件旁安裝了加熱的殼體，殼體內充入熱水或熱氣，通過熱傳導來對觸土部件上的土壤加熱來達到土壤減粘的作用[15]。

3.1.5 清土刮板法

通過在觸土部件上安裝刮板，刮板的運動軌跡與觸土部件內表面一致，刮板移動過程中強制將粘附的積土掛掉，以達到減少土壤的粘附的目的。王永申等[18]研制了刮板式自清礦車，該帶孔刮板形狀尺寸與車廂底部一致，礦車利用刮板與車底的錯位，在礦車啟動與停車過程中，通過慣性實現刮板的往復切削粘土。

3.1.6 表面改形

表面改形是改變觸土部件的表面形貌，通過減小與土壤的實際接觸面積，使界面水膜不連續或造成應力集中而減少粘附。

3.2 表面改性

表面改性是改變觸土部件的表面特性，使其具有強的憎水性，達到減粘脫土的效果。

3.2.1 界面潤滑法

界面潤滑法有充氣潤滑和充液潤滑。通過向土壤與觸土部件之間的界面不斷注入氣體或液體，使接觸界面形成氣體或液體潤滑層，減少了土壤與觸土部件表面的直接接觸面積，達到減小粘附力的作用。張淑敏等[19]研究了氣體潤滑對推土板模型的減粘作用，測試了充氣壓力、充氣流量以及土壤含水量對推土板粘附阻力的影響。

3.2.2 表面涂覆

賈賢等[20]在推土板上涂覆聚合物涂層，對比研究了PA41010、EP1及45#鋼三種表面材料，PA41010脫土減阻效果最好，減粘降阻率達25.76%。涂層涂覆在犁壁上，對比研究了PA41010、EP1和35#鋼，也是PA41010脫土減阻效果最好，減粘降阻率達35.88%。

3.3 仿生減粘

傳統的減粘脫土方法雖然有一定的效果，但仍非理想的方法。如，加熱帶來能源的消耗，振動導致疲勞加速破壞，表面涂覆低表面能高分子材料，耐磨性難以滿足要求且成本偏高。20世紀90年代后，仿生學的研究與發展，為減粘脫土帶來新的思路—仿生減粘。

孫世元[21]等依據土壤動物蠕動變形的脫土機理，設計了一種仿生鏟斗，內有柔性內襯。挖掘測試表明，仿生鋼布兜式鏟斗粘土量較少，而普通鏟斗隨著挖掘次數增加，粘土越來越多，第五次土壤粘附量達鏟斗的1/3。

通過對土壤動物體壁觀察發現，蚯蚓運動過程中體節的直徑變化很大，可產生很大的變形，同時不斷的撓動，對減粘脫土極為有利。依據此原理，任露泉[22]等設計了彈性大變形的仿生撓性鏟斗，相比較普通鏟斗，降低粘土量達59.4%。

殷涌光[23]等通過仿生原理設計了裝載機的積土清除裝置，類似人與動物口腔內部的舌頭，并將此積土裝置安裝在裝載機鏟斗上。研究表明，未安裝積土清除裝置的鏟斗，積土量達17.6%，安裝有積土清除裝置的鏟斗，積土量僅0.6%，大大降低了積土量，提高了作業效率。

李建橋[24]等對犁壁用鋼的脫土性進行了研究，根據土壤動物觸土部位Si含量較高的特性，采用合金化的方法，合理加入Si達到最佳的降粘效果，并在不明顯提高成本的條件下，降阻率相比白口鑄鐵提高一倍，耐磨性提高近一半。

3.4 新型減粘材料的開發與應用

佟金等[25]對PTFE基的復合材料的粘附行為進行了研究，通過在PTFE樹脂中添加10%～20%的Al2O3后相比于未加Al2O3的PTFE，水在復合材料表面的前進接觸角增加，對土壤的減粘作用有利。

4 結束語

粘附機理研究的不斷發展，大大促進了減粘脫土技術在地面機械的應用。傳統的減粘脫土技術在一定程度上解決了土方機械的粘土問題，但效果十分有限。仿生減粘技術的出現為減粘脫土提供了新的思路，但仍有許多技術問題需要解決。事實上，減粘脫土是多種減粘技術的協同作用，因此，新型減粘材料的開發與應用，勢將成為必然，復合的減粘技術將成為未來最有效、最實用的解決土方機械粘土問題的手段，這方面的研究具有重要的應用前景。