陳福祥,王維新,李 霞,閆毅敏

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003）

0 引言

棉花是我國(guó)紡織業(yè)主要原料來(lái)源。2018年，我國(guó)棉花種植面積達(dá)到317.8萬(wàn)hm2。近年來(lái)，由于良種棉花培育技術(shù)和先進(jìn)種植技術(shù)的推廣普及，我國(guó)棉花種植機(jī)械化水平不斷提高，接近發(fā)達(dá)國(guó)家水平。目前，高質(zhì)量的棉花打頂機(jī)械亟待研制，棉花打頂是通過(guò)棉花頂端切除消除頂端生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，調(diào)節(jié)棉花的生長(zhǎng)，促進(jìn)棉花早結(jié)鈴、多結(jié)鈴，以提高棉花的產(chǎn)量。由于國(guó)內(nèi)棉花打頂作業(yè)主要是以人工打頂為主，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、作業(yè)環(huán)境惡劣，而且延長(zhǎng)了打頂期限。國(guó)外主要采用藥物對(duì)棉花頂尖進(jìn)行處理，藥物控制受到天氣、溫度等自然因素影響，而且會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染問(wèn)題。棉花機(jī)械打頂作為棉花種植生產(chǎn)全程機(jī)械化必不可少的一環(huán)，所以高質(zhì)量的棉花打頂機(jī)械的研制具有重要意義。

棉花莖稈的的物理機(jī)械特性對(duì)于棉花動(dòng)態(tài)仿形打頂技術(shù)和裝置的研究至關(guān)重要。近年來(lái)，研究人員主要研究棉花打頂機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但針對(duì)棉花生長(zhǎng)狀況、分布規(guī)律和莖稈的物理機(jī)械特性的研究鮮有報(bào)道。

1 棉花種植地的選擇

試驗(yàn)地選擇在石河子大學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)棉田進(jìn)行。試驗(yàn)棉田為一年一熟型；棉株種植密度為1.3～1.4萬(wàn)株/667m2；試驗(yàn)棉花品種為新疆陸地早熟棉花52號(hào)；試驗(yàn)溫度為37度；試驗(yàn)時(shí)間為2018年7月1日，棉花處于打頂期，生長(zhǎng)狀況良好。

2 測(cè)定試驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

測(cè)定的棉花莖稈的物理機(jī)械特性主要包括棉花自然生長(zhǎng)狀態(tài)的分布規(guī)律、物理特征參數(shù)和棉花頂部莖稈的力學(xué)特性，是棉花頂端仿形切割裝置設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的最根本依據(jù)，是使棉花打頂機(jī)械、工藝和操作規(guī)程達(dá)到最大工作效率、最優(yōu)質(zhì)量的基礎(chǔ)。

2.1 棉花生長(zhǎng)模式和物理特性參數(shù)的測(cè)定

2.1.1 測(cè)定儀器設(shè)備

卷尺（量程0～5 mm，精度 1 mm）、直尺（量程 0～500 mm、精度1 mm）、數(shù)碼相機(jī)。

2.1.2 測(cè)定試驗(yàn)方法

參考棉花生物學(xué)和農(nóng)業(yè)田間試驗(yàn)方法，結(jié)合棉花頂部打頂裝置的設(shè)計(jì)要求，選擇處于打頂期的棉花，將棉花自然高度、棉花棉尖前后垂直間距2個(gè)參數(shù)作為棉花基本物理特性參數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。避開(kāi)地頭河溝區(qū)，選擇棉株長(zhǎng)勢(shì)均勻處。在采集樣本區(qū)內(nèi)，選擇范圍為100×100 m的采集樣本區(qū)。在采集樣本區(qū)隨機(jī)設(shè)定5個(gè)樣本區(qū)，每個(gè)樣本區(qū)采樣2行，每行連續(xù)采樣100個(gè)樣本，共計(jì)1000個(gè)樣本，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析棉花莖稈物理特征參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)變化區(qū)間和分布規(guī)律。

2.1.3 試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)與結(jié)果

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)主要從包括平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、方差和變異系數(shù)，其計(jì)算統(tǒng)計(jì)公式見(jiàn)公式（1）、公式（2）、公式（3）、公式（4），有

其中，為所有樣本的平均值。

其中，S為樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏為所有樣本的平均值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，1 000個(gè)樣本的概率分布如圖1所示。

表1 棉花基本物理特性參數(shù)

2.1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論

由表1可知，棉花自然高度最大值與最小值差是34 cm，棉花高度的變異系數(shù)為0.14，變異系數(shù)略小，但少數(shù)棉花高度差異大，加大了棉花頂部仿形精度的要求；棉尖前后間距最大值與最小值差是23 cm，棉花棉尖前后間距變異系數(shù)較大，為0.27，前后間隔均勻性差異較大，給仿形加大了難度。

圖1 棉花生長(zhǎng)模式分布直方圖

由圖1（a）可知，棉花自然高度主要分布在40～55 cm，占據(jù)樣本總量的76%；由圖1（b）可知，棉花頂尖前后間距主要分布在10～25 cm，占據(jù)樣本總量的87%，還有3%棉花棉尖前后間距處于30～35 cm，多數(shù)是由于播種空穴和棉苗死亡導(dǎo)致的少數(shù)棉花缺失。

2.2 棉花頂部莖稈的機(jī)械力學(xué)特性

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

TA.XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀（英國(guó)Stable Micro System公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，測(cè)試速度范圍:0.01～40 mm/s，測(cè)試距離精度:0.001 mm，測(cè)試力量精度:0.1g，游標(biāo)卡尺，計(jì)算機(jī)。相關(guān)數(shù)據(jù)和圖形直接由計(jì)算機(jī)直接記錄和呈現(xiàn)，所有數(shù)據(jù)都可以通過(guò)指定文件讀出。

2.2.2 試驗(yàn)方法

從上述1 000個(gè)樣本中采集生長(zhǎng)狀況良好的棉花，在其莖稈距離頂端50 mm處剪斷，取樣后去除枝葉、頂芽，截取10 mm莖稈作為試驗(yàn)對(duì)象。對(duì)于試驗(yàn)樣本，直徑采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量取平均值。

對(duì)樣本莖稈進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)，首先將質(zhì)構(gòu)儀與計(jì)算機(jī)相連接，開(kāi)啟記錄軟件，使用質(zhì)構(gòu)儀自帶的柱形探頭。然后。選取10株樣本分別置于質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試平臺(tái)上，處于探頭中心位置，施加速度為1 mm/s，探頭接觸樣本后繼續(xù)運(yùn)行1 mm，完成10組試驗(yàn)，試驗(yàn)獲得每個(gè)壓縮的觸發(fā)力-時(shí)間關(guān)系曲線。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)和分析

根據(jù)需求選取直徑為5.4 mm棉尖莖稈作為試驗(yàn)樣本，在質(zhì)構(gòu)儀上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄下棉尖莖稈觸發(fā)力與時(shí)間的變化軌跡。隨著時(shí)間的變化，壓縮過(guò)程中棉尖莖稈觸發(fā)力變化如圖2。

圖2 觸發(fā)力-時(shí)間關(guān)系圖

棉尖頂部莖稈壓縮試驗(yàn)結(jié)果如下表：

表2 棉花基本物理特性參數(shù)

圖3 觸發(fā)力-直徑關(guān)系圖

2.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論

由圖2可知，棉尖莖稈觸發(fā)力隨著壓縮時(shí)間增大先增大，當(dāng)探頭壓縮時(shí)間達(dá)到1s時(shí)，觸發(fā)力達(dá)到最大值14.89 N，然后棉花頂尖觸發(fā)力逐漸減小，直至趨于平穩(wěn)。

由表格2可知，棉尖莖稈直徑平均值為5.6 mm，觸發(fā)力平均值為16.74 N，棉花棉尖莖稈觸發(fā)力數(shù)值較小。

由圖3可知，棉花棉尖觸發(fā)力與棉尖莖稈直徑呈線性正相關(guān)。

3 結(jié)論

（1）棉花自然高度最大值和最小值差是34 cm，棉花自然高度主要集中在40～45 cm，變異系數(shù)小，離散程度低，表明少部分棉花高度變化較大，打頂機(jī)升降機(jī)構(gòu)對(duì)不同自然高度的棉花適應(yīng)性強(qiáng)，為棉花頂端仿形提出了較高要求。

（2）棉花棉尖前后間距范圍是10～33 cm，變異系數(shù)為0.27，棉尖前后間隔變化較大，為打頂機(jī)切割刀具大小的設(shè)計(jì)、打頂機(jī)升降機(jī)構(gòu)升降速度和打頂機(jī)作業(yè)行進(jìn)速度的設(shè)定提供了依據(jù)。

（3）棉花棉尖莖稈觸發(fā)力與棉尖莖稈直徑呈線性正相關(guān)，棉花棉尖莖稈觸發(fā)力平均值為16.74 N，數(shù)值較小，對(duì)棉花機(jī)械打頂影響不大。