觸土類施工作業裝置減黏脫附技術研究概況

李強 陳志凱 關婷婷 王井 徐秀杰

摘 要： 觸土類機械設備在面向土類介質作業時易發生機具黏附問題，特別是以旋挖鉆機為典型代表的密閉空間施工作業裝置，其作業具有介質含水量大、成分復雜和高壓力等特征，導致土類介質對機具黏附尤為嚴重。介紹了觸土類機械設備作業機具土壤黏附機理及影響因素，詳細描述了國內外觸土類機械設備作業裝置減黏脫附的研究進展，并對觸土類機械設備減黏脫附研究進行了展望。

關鍵詞：土壤黏附；減黏脫附；仿生減黏；觸土類機械

中圖分類號：S156.2文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）12-0016-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.12.003

0 引言

旋挖鉆、雙輪銑、水平定向鉆等是面向土類介質的典型作業裝備，其作業裝置的可靠性是作業效率、施工質量等的關鍵影響因素，在面向土壤與巖石典型地下施工介質時，施工介質對作業裝置的黏附導致工作阻力大、作業效率低和施工質量差等問題，是影響地下施工質量、鉆銑效率的主要因素之一[1-3]。根據裝置和施工工況，其黏附可分為兩類情況：一是對筒狀、箱體結構機具內表面黏附，如旋挖鉆筒鉆；二是對盤狀、板狀結構機具外表面黏附，如雙輪銑銑輪。據現場施工不完全統計，黏濕土壤對筒鉆黏附的影響導致其有效容積使用率60% 左右，重黏附土壤介質低于40%，降低作業效率，增加能耗，延遲施工進度。另一方面，黏土增加了觸土部件的阻力，加劇磨損失效，并且需進行機具抖動、碰撞脫附，對減速機、馬達、機具整體可靠性等造成損害[4-6]。因此，解決觸土類機械設備黏附有利于提高施工質量和作業效率。

1 土類介質黏附機理

1.1 水分張力理論

在土壤黏附領域的研究引用最多的是Fountaine 水分張力理論，也稱作水膜理論[7]。團聚的土壤固體顆粒對水的吸附力、水膜壓力差Laplace 及鍵合力等是水分張力的主要作用因素，并且隨土壤含水量的變化而波動。為進一步研究水分張力與土壤黏著力的關系，利用設計的水分張力測定裝置進行測試發現，水分張力隨土壤含水率增加而降低，在過飽和含水量時土壤水分張力為零。針對黏土、砂土的水分張力變化趨勢差異，提出土壤與其他材料接觸界面會出現連續或非連續水膜兩種接觸狀態， 而土壤黏附力值即為水分張力與接觸界面水膜面積的乘積。MCFARLANE J S等[8] 認為，表面張力對土壤黏附力起到重要作用，利用開發的黏附力測定裝置對黏附力進行測量，結果顯示，黏附力值約9.8×10?9N。

錢定華等[9] 基于熱力學角度，針對土壤對金屬材料的黏附試驗提出了5 層界面理論，即金屬層、金屬表面?水界面層、水膜層、土壤表面?水界面層和土壤層，如圖1 所示。該理論認為，基于表面能量觀點出發，5 層模型破壞的發生取決于強度最弱的水膜層，即克服因水膜層而引起的金屬表面和土壤表面之間的吸引張力，因此土壤黏附力值的大小取決于水膜的厚度、連續性、接觸面積及水膜張力。

1.2 毛細管黏附理論

毛細管黏附理論中，固、液、氣3 相界面分子相互作用，土壤內部水發揮主要作用，BAIER R E 等[10]最先提出毛細管黏附觀點，FISHER R A[11]、秋山豐等[12] 進一步對該觀點進行研究完善。認為土壤作為無數顆粒組成的統一體，本質上為顆粒物的堆積，因此將土壤等效為均勻的球狀顆粒，探討了土壤球狀顆粒半徑、固體材料表面接觸角與毛細管力之間的關系。當水膜厚度一定時，土壤黏附力隨顆粒半徑的增大而減小，隨接觸角增大而減小。

1.3 合力模型理論

有研究人員認為，土壤黏附力是由多種力共同作用的結果，土壤結構由土壤顆粒及其團聚物、土壤內部水、空氣組成。在土壤與金屬表面接觸時，微觀接觸點產生分子間引力，土壤本身帶有大量的負電荷，吸引土壤內部水溶液中的正離子形成雙電層，它對顆粒表面吸附正離子，金屬表面形成靜電引力，土壤與金屬表面接觸形成的水膜張力、未形成足夠水膜而產生的黏滯阻力及界面外水膜與孔隙水溶液化學勢差產生的破開力。不同的表界面黏附體系、不同的內部條件，各分力發揮的作用不同。后續的研究認為界面處的空氣負壓也是黏附力值不可或缺的一部分[13]。

1.4 分子模型理論

張際先等[14] 從界面自由能的角度對土壤黏附機理進行了分析。土壤自由水分子與固體材料表面發生鍵和時，定義的界面高能量黏附水膜層能量降低，在水膜層厚度足夠時，破壞發生在界面水膜中心層的自由水，大小取決于水分子的內聚作用力。水膜層厚度不足時，定義的界面高能量黏附水膜層能量低于自由水能量，增加土壤黏附作用力，受黏附水膜層狀態、土壤類型、固體材料對黏附水膜層分子的作用決定。

1.5 其他理論

上述理論和學說推動了土壤黏附的研究發展，但在某些具體領域仍缺乏一定的延伸。任露泉[15]、叢茜等[16]、賈賢等[17] 和肖居鵬等[18] 圍繞土壤屬性、接觸體材料、黏附界面和試驗條件等方面對土壤黏附機理進行探索與研究，并衍生出仿生減黏的技術門類，解決了系列農業機械、地面機械的黏附問題，推動了理論與實踐的結合，其意義重大。

2 土類介質黏附影響因素

土類介質的黏附發生在觸土部件與土壤的接觸界面，即由土壤界面、水膜層和觸土部件材料界面構成黏附系統，其影響也取決于上述3 個方面。另外，黏附系統外部環境，如外部施加作用力、溫度等也是影響的關鍵因素。

2.1 土壤物理屬性

土壤的礦物質成分、粒徑分布、質地及含水量等對土壤黏附力均產生影響。第一，以蒙脫石為主的土壤，可塑性、內聚力和黏著性都較高，對接觸物黏附嚴重，蒙脫石“三明治”結構模型如圖2 所示。第二，土壤顆粒<0.01 mm 時具有明顯的吸水性和黏結性，并且越細小，CaO、MgO 和K2O 等含量越多，對應的黏附力越高。第三，土壤分為砂土、壤土和黏土3 大類，對應不同地域土壤質地不同，其黏附性能不一，黏土黏粒含量較高，黏結附著性較強，相對于砂土、壤土有較強的黏附性。第四，土壤含水量決定了水膜層的形成厚度，間接影響土壤黏附力值。

2.2 界面水膜層

水膜厚度和接觸形式是影響黏附力值的主要因素。在水膜厚度極低時，界面處接觸主要為斷續的固?固接觸形式，黏附力較?。浑S水膜厚度增加，形成的水膜仍不連續，破開力、空氣負壓等發揮作用，導致黏附力降低或增加；水膜厚度增加到足以在界面處形成連續水膜，表面張力等導致黏附力增大；水膜厚度足夠時多余的自由水不發揮黏附作用，黏附力維持在一定值上下波動。

2.3 觸土部件材料

觸土部件材料固有的親水或憎水特性是重要的影響因素。觸土類機械設備材質多為鐵，親水性較強，表面接觸角較小，極易發生土類介質黏附，因此相對其他材料其黏附力較高。另外，材料的表面粗糙程度也產生影響，光潔度越高，受空氣負壓、接觸面積、水膜連續性等影響，黏附力越高，表面凹凸不平則相對削弱黏附力。

2.4 外部環境

土壤的可塑性及界面水膜厚度的波動對黏附力大小產生影響。一是外部作用力在正向施加值增加時，土壤內部越緊實，觸土面積增加，越不容易剝離。二是環境溫度增加使得接觸界面溫度增加，降低土壤含水量，使得水膜形成厚度降低和接觸面積減小，同時表面張力也會下降，綜合作用導致黏附力下降。三是溫度在低于自由水的凝固點發生結冰等現象時，也會對界面黏附力產生影響。

3 減黏脫附技術研究現狀

針對土類介質黏附帶來的作業效率降低、施工質量下降和產品壽命缺失等諸多問題，國內外研究人員做了大量的理論與試驗研究工作，以期解決土類介質黏附，實現高效脫附的行業難題，推動產業高質量、綠色低碳發展。

3.1 機械減黏技術

機械減黏脫附技術即在面向土類介質施工的作業機具、觸土部件上添加脫附裝置或設計脫附結構，達到土類介質脫離的方法。

3.1.1 振動式減黏

振動脫附是使原有觸土部件區域變更為具有一定彈性的裝置，或者利用設備操作屬性高頻率振動的方式，實現黏附介質與觸土部件剝離的方法。劉宏俊等[19] 針對鎮壓作業時，土壤黏附嚴重、牽引阻力大等問題，設計了一種機械式減黏降阻鎮壓裝置，在彈簧剛度40 N/mm、刮削角30°、前進速度7 km/h 時，土壤黏附量43.24 g，比傳統裝置土壤黏附量降低34.8%。徐工基礎公司生產的旋挖鉆機，針對黏附工況增加了高頻振蕩裝置，高頻振蕩激振力120 Hz 以上，旋挖鉆筒鉆減黏效果明顯。振動減黏技術在一定程度上具備減黏效果，但造成了設備壽命降低、噪聲污染增加等系列問題。

3.1.2 加壓式減黏

加壓式脫附多借助液體、氣體通過加壓擠出的方式，在裝置觸土部件表面設置微孔，并通過氣道或流道連接到設備本身或外置裝置進行的一種脫附形式。該方法首次在蘇聯推土機產品上使用，在推土機推土板優化設置排氣孔形成氣簾實現界面分離，并于20 世紀60 年代進入我國。張淑敏等[20] 以132.3 kW 推土機的推土鏟作為原型，采用梅花形均布充氣孔形式進行試驗驗證，結果顯示，當含水量由20％增至25％時，減阻率增加較快，并且隨含水量增大減阻效果明顯。

3.1.3 加熱式減黏

加熱式減黏是對觸土部件進行加熱，實現接觸界面水膜的表面張力等作用力下降，從而減小黏附系統的黏附力，實現減黏脫附的目的。程超等[21] 針對水稻收獲機械物料抖動開展加熱減黏研究，加熱能有效抑制濕黏水稻物料黏附在金屬抖動板表面， 當溫度50 °C 時，鍍鋅板和不銹鋼板的脫附率分別達到61.8%和61.3%，并采用較低溫加熱、較高強度振動的方案，實現脫附率超過65%。

3.2 表面工程減黏技術

通過改變觸土類部件土壤接觸界面的性質或形貌，達到減黏脫附的效果，其方式主要有化學刻蝕、噴砂、激光，以及等離子堆焊、表面機加和涂覆憎水性材料等，相關技術具備一定的減黏效果，但隨著時間的積累其減黏性能大打折扣。

3.2.1 表面改性

觸土部件多為親水性的鋼鐵材質，在其表面涂覆或鑲嵌憎水性材料，可以有效降低土類介質對金屬部件的黏附，如超高分子鏈聚乙烯、鋁基疏水涂層和環氧樹脂等。BARZEGAR M 等[22] 為減少犁鏵工具的土壤黏附，在犁鏵上涂覆超高分子鏈聚乙烯涂層進行表面改性，在含水量4% 和18% 的土類介質中，對比未涂覆犁鏵均表現出明顯的減黏效果，如圖3 所示。上述超疏水涂層的存在一定程度上對減少土類介質黏附發揮重要作用，但伴隨觸土機械惡劣的使用工況，出現耐用性不足、減黏效果下降的問題，其他金屬基疏水材料亦存在減黏效果不足、成本過高問題。

3.2.2 表面改形

通過改變觸土機械部件整體或局部的界面形貌，減少與土類介質的接觸面積，并實現黏附界面的斷續，增加接觸界面空隙，使得接觸界面水膜張力減少、空氣負壓降低等實現黏附力減小[23]。研究人員通過在農業機械馬鈴薯收獲機、犁鏵等產品的觸土部件上，焊接不同形貌的結構，減少了土壤與犁壁的接觸面積，從而避免了土壤黏附、降低了作業阻力、提高了作業質量[20，24-28]。上海三一重工股份有限公司[29] 設計的具有減黏土功能的挖掘機挖斗，在脫土件上焊接制備多個間隔排布的凸起，在工作時破壞土壤與鏟斗主體的表面之間形成的水膜，尤其是在土壤濕度較大時，有效減少土壤在鏟斗主體內壁上的黏附程度，提高鏟斗主體有效容積及工作效率。

3.3 仿生減黏技術

物競天擇、適者生存是自然界的生存法則，生物經過千萬年的進化，以最合理的生物體結構、功能和最小的能量消耗，實現對環境的適應性。相比較傳統的觸土部件表面工程減黏技術，仿生減黏技術意義深遠。

3.3.1 生物體結構仿生減黏

生物體結構仿生減黏技術主要是研究自然界中生物體表特征，如蜣螂、蜥蜴、甲殼蟲、蠐螬、鯊魚和荷葉[30-32] 等的體表有減阻、減黏和抗黏附等特性，如圖4 所示。吉林大學工程仿生實驗室針對地面機械脫附減阻的實際需求，運用單元體仿生理論與技術，結合地面機械類型差異、觸土作業部件規律和結構特點，制定了不同類型仿生產品開發的基本原則，研制的多種仿生減黏降阻部件，已在農業、建筑、礦山和電力等多種機械上應用。如基于竹鼠牙齒結構特征綜合土類介質成核現象設計了一種仿生挖掘鏟，改變入土段為五邊形平面結構，并在升土段的正面設有基于土類堆積成核現象而設計的棱條結構，有效地降低了馬鈴薯收獲過程中挖掘鏟阻力大、土類介質黏附嚴重等不良影響。

3.3.2 生物體功能仿生減黏

相對于生物體結構仿生，功能仿生主要是利用生物體自身特性實現減黏降阻，如蚯蚓體表存在生物電系統，通過對周圍土壤水的吸附到達體表進而形成水膜，實現自身在泥土中自由鉆入且不帶黏土的功能，又稱作電滲法減黏[33]。侯磊[34] 開展了仿生微電滲的技術研究，在多次作業循環下減黏效果明顯。叢茜等[35]研究了影響電滲減黏效率的因素，并搭建了電滲能耗與土體黏附力的關系模型。

3.3.3 耦合仿生減黏

隨著進化的持續，生物體進化過程中逐步出現了多種功能協同的事實，如穿山甲的背鱗與爪趾的協同作用，荷葉表面的微納織構與自身憎水性綜合作用，以及蚯蚓自身體表生物電系統與柔性軀體配合等，生物體兩個或兩個以上的不同部位或不同特征耦合作用，發揮出了脫附減阻、耐磨抗黏的功能特性[36-37]。耦合仿生減黏技術的應用，對于高效、高質減黏降阻與脫附研究發揮了重要作用。徐工集團基于仿生減黏原理在觸土類機械設備部件上做了大量研究工作，其利用屎殼郎頭部凸起耐磨與減黏降阻特性，并進一步結合蚯蚓生物電系統，對旋挖鉆機、冷再生設備等產品進行減黏技術提升，研發出了高效減黏產品，相關技術實現脫附阻力降低50% 以上，效率提升2 倍以上。

4 減黏技術對比分析

上述各類觸土部件減黏降阻技術各有優缺點，表1分別列出了相關技術特征。

行業上普遍應用的人工和機具抖動/碰撞機械式減黏方式，效率低、清理難度大及清理不徹底。另一方面，機具碰撞噪聲大，對減速機、馬達及設備整體壽命損害嚴重，通過外加裝置功能的方式則存在工況匹配性的問題。表面改性或改形的方式實現減黏，在面對復雜工況時，一方面持久性、減黏效果均不能滿足高效脫附的需求，另一方面在復雜構件如截割頭、板齒等適應性尚需提升。

相比較而言，仿生減黏技術進一步提高減黏效果與脫附效率，通過借助生物體表功能屬性、結構特征，不需要對原有機械產品做大規模改變，即可實現減黏脫附效果。

5 結束語

黏附機理的研究與減黏技術的發展，一定程度上解決了土方、農業、建筑機械等產品黏附問題，推動了行業發展，但發揮的作用、效果有限。其作用發揮一方面取決于技術本身，另一方面取決于不同工況機械產品自身構型和使用工況，單一減黏技術應用過程中“天花板”現象顯著，復合化、智能化、數字化將是現場實際黏附問題的必要手段和未來減黏技術發展的主流方向。

（1）考慮到觸土類機械設備的使用特點與低附加值經濟特性，對觸土部件進行設計端改進，并結合傳統意義上的表面改形或生物體結構仿生減黏技術，如旋挖鉆機設置開合式，并對其內部制備仿蜣螂凸點的仿生單元體；挖掘機鏟斗改變后曲率形式并結合穿山甲背部紋理制備仿生單元體。

（2）對于超高附加值、超高減黏或無黏附的需求，應基于耦合仿生減黏技術，從生物體表結構分析、設計到制備，并結合施工特點，對生物體功能特性進行選型、研究和適配，賦能觸土部件結構特征從設計端改形，進一步開展超高憎水性、耐磨性材料的研究并進行匹配，最終實現觸土部件構型?耦合仿生技術賦能?表面憎水材料蓋面的減黏體系。

（3）實現從工人工地目視化操作到遠端數字化顯示、智能化減黏參數匹配是技術發展趨勢，觸土類設備在施工時可根據現場土類介質環境，實時反饋在設備主控室或遠端操控平臺，并實現自適應減黏工藝參數匹配，達到實施動態減黏的需求。

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