汪珽玨,陳明江,張佳喜,王振偉,趙維松,曲浩麗

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院,烏魯木齊 830052;2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所,南京 210014)

0 引言

棉花的種植在我國已有2 800年的歷史,人工種植的區(qū)域主要分布在長江流域、黃河流域及西北內陸地區(qū)[1-3]。棉花產(chǎn)業(yè)會產(chǎn)生很多副產(chǎn)品。棉稈是棉花的主要副產(chǎn)品。我國2017年棉花播種面積3.2296×1011m2(4844.5萬畝),按照單產(chǎn)秸稈300kg/667m2計算,全國每年棉稈產(chǎn)量約為1 453萬t。如果這樣大量的資源實現(xiàn)循環(huán)利用,將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。目前,棉稈的機收率還比較低,主要原因包括整稈收獲較為困難、拔取回收機械研究欠缺及機械化原理研究不透徹[4-5]。

開展棉稈的機械物理特性試驗研究,獲得其機械物理特性,可為分析棉稈收獲過程中應力、應變分布狀態(tài)、確定棉稈起拔方式等提供理論依據(jù)和技術參數(shù),對棉稈的高效收獲機具的設計有重要的指導意義[6-9]。國內外對于棉稈的研究主要集中在小麥、玉米等的力學性能及收割收獲方面,對于棉稈的力學綜合性能研究并不全面,無法對農(nóng)機機具的設計提供現(xiàn)實參考意義[10-13]。棉稈的物理性質是秸稈收獲和加工的重要參數(shù),主要力學性能為抗彎強度、抗拉強度和拉拔阻力等;物理性質為含水率、秸稈直徑等。其中,棉稈的拉拔阻力是棉稈收獲機理的重要研究參數(shù),棉稈的物理性質和拉拔阻力直接影響棉稈的收獲和加工成本,對研究棉稈循環(huán)利用具有積極意義[14-20]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

試驗地為山東省濱州市無棣縣棉花全程機械化示范基地,試驗材料為機采棉品種是中棉所50,棉花采用76cm等行距種植,采集時間為2015年10月23日—2016年3月21日,共分6個批次。主要設備有WDW—10型電子萬能試驗機、TYD—1型土壤硬度計、SH—1000型數(shù)顯示推拉力計、HN202—2真空烘干箱及游標卡尺等[21-22]。

1.2 試驗方法

采用三點彎曲方法,試驗測定棉稈在發(fā)生破壞時的最大載荷,試驗方法參考《GB/T 1936.1—2009木材抗彎曲強度試驗方法》;拉伸試驗參考《GB/T 1938—2009 木材順紋抗拉強度試驗方法》;棉稈相對含水量的測定方法參考《GB/T 1931—2009木材含水量測定方法》。棉稈起拔力測定的具體方法為:用尼龍繩一端拴在棉稈的根部,另一端連接到推拉力計的掛鉤上,并豎直向上緩慢提拔,根部脫離土壤后,讀取最大數(shù)據(jù)[23-27],如圖1所示。

圖1 棉稈起拔力以及力學特性測量Fig.1 Cotton rod pull-out force and physical properties measurement

1.3 處理方法

利用統(tǒng)計分析軟件SAS 9.3進行統(tǒng)計分析,通過典型相關性分析棉稈的力學特性和物理性質的關系,并采用多元回歸分析棉稈起拔力與棉稈物理性質的關系[27-31]。

2 結果與分析

2.1 棉秸稈物理特性以及起拔力的描述統(tǒng)計

2.1.1 棉秸稈物理特性統(tǒng)計描述

分別對不同批次棉稈的含水率、直徑、彎曲破壞載荷、抗拉強度、拉伸破壞載荷和抗拉強度進行試驗測試,統(tǒng)計如表1所示。由表1可以看出:隨著采樣時間的增長,棉稈的含水率逐漸降低,從第1批次到第3批次時棉稈含水率下降較為緩慢,在第3批以后棉稈的含水率下降較快,以每個月超過10%的幅度下降;棉稈的直徑在一個穩(wěn)定的水平,并沒有隨著采樣時間的改變發(fā)生較大變化;棉稈的平均抗拉強度隨著采樣時間的增長逐漸下降,且下降的幅度逐漸變小;棉稈的抗彎強度隨著采樣時間的增長,總體呈增長趨勢。

表1 棉秸稈物理特性指標的總體統(tǒng)計Table 1 Overall statistics of physical characteristics of cotton straw

2.1.2 棉稈起拔力統(tǒng)計描述

對棉稈起拔力及主要影響因素棉稈平均直徑、土壤硬度和棉稈含水率進行試驗測試,如表2所示。由表2可以看出:棉稈的平均拉拔阻力最大達到670.82N,最小為340.7N。由于在1月份以后土壤已經(jīng)逐漸發(fā)生冰凍,隨著氣溫的下降凍土深度增加,棉稈拉拔阻力急劇增大且寒冬不適合田間作業(yè),棉稈起拔力的收集失去其意義,故未收集相關數(shù)據(jù)。平均土壤硬度隨著時間推移最大達到9.4kg/m2,最小為3.3kg/m2。

表2 棉秸稈起拔力描述統(tǒng)計Table 2 Description and statistics of uplift force of cotton straw

2.2 典型相關性分析

2.2.1棉稈的彎曲力特性與含水率及直徑的典型相關分析

對棉稈的抗彎強度、彎曲力、直徑和含水率進行典型相關性分析,共得到兩組典型變量。典型關聯(lián)分析如表3所示,相關系數(shù)檢驗如表4所示。

表3 棉稈的抗彎強度與影響因素的相關系數(shù)及特征值Table 3 Correlation coefficient and eigenvalue of bending strength of cotton stalk and its influencing factors

由表3、表4可以看出:兩組典型變量都極為顯著。因此,選擇兩組典型變量進行分析,得出棉稈的彎曲力特性與影響因素的典型相關模型,如表5所示。

從建立的典型相關模型可以看出,典型變量的重要程度及系數(shù)大小和兩個自變量代表的影響組對棉稈的彎曲特性可以用1對典型相關變量予以綜合描述。具體體現(xiàn)在如下方面:

1)棉稈直徑對棉稈的彎曲破壞載荷起著很大影響。棉稈直徑與棉稈的彎曲特性反應在典型相關模型中,v1是棉稈彎曲力與棉稈彎曲強度的線性組合,彎曲破壞載荷的載荷為1.074 3,是彎曲性能中最大的。w1是影響因素指標的線性組合,棉稈直徑的載荷為0.979 1,遠遠超過w1內其他指標的數(shù)值?？紤]到第1對典型相關變量的相關系數(shù)幾乎接近于1,可以認為棉稈的直徑與棉稈的彎曲破壞載荷有著極大的相關性。通過觀察表2可知棉稈直徑越大則其彎曲破壞載荷越大,且直徑對彎曲破壞載荷的影響遠大于含水率對彎曲破壞載荷的影響。

2)棉稈含水率是決定棉稈抗彎強度的關鍵因素。在第2對典型變量中,秸稈抗彎強度在典型變量v2中的載荷為-0.803 1,是秸稈彎曲性能指標中最大的;而棉稈的含水率在典型變量w2中載荷最大,為-1.027 2。這一對典型相關變量的相關系數(shù)非常之高,表明含水率對棉稈的抗彎強度相關性很大,含水率越高,抗彎強度越低。

2.2.2棉稈的拉伸力特性與含水率及直徑的典型相關分析

對棉稈的抗拉強度,最大拉伸力、直徑及含水率進行典型相關性分析,可以得到兩組典型變量他們的典型關聯(lián)分析如表6所示,相關系數(shù)檢驗如表7所示。

表6 棉稈的抗拉強度與影響因素的相關系數(shù)及特征值Table 6 Correlation coefficient and eigenvalue of tensilestrength of cotton stalk and its influencing factors

表7 相關系數(shù)檢驗Table 7 Correlation coefficient test

由表6、表7可以看出:兩組典型變量極為顯著,對兩組典型變量進行分析,得到拉伸特性與影響因素的典型相關模型如表8所示。

表8 棉稈的抗拉強度與影響因素的典型相關模型Table 8 Canonical correlation model of tensile strength and influencing factors of cotton stalk

棉稈含水率決定棉稈抗拉強度及棉稈的拉伸破壞載荷。在第2對典型變量中,棉稈抗拉強度在典型變量m2中的載荷為0.559 6;棉稈的最大拉伸力在典型變量中m2的載荷是0.579 4。棉稈的最大拉伸力與棉稈抗拉強度的載荷相近,此處認為棉稈的含水率對抗拉強度及最大拉伸力都有相關性。對比表1可知,都為正相關,即含水率越大,棉稈的抗拉強度越大,棉稈的拉伸破壞載荷越大。

棉稈的直徑?jīng)Q定棉稈的拉伸破壞載荷。在第1對典型變量中,棉稈抗拉強度在典型變量m1中的載荷為-1.049 8;棉稈的拉伸破壞載荷在典型變量m1中的載荷是1.039 0。棉稈的拉伸破壞載荷與棉稈的抗拉強度相近,此處認為棉稈的直徑對最大拉伸力具有顯著相關性,對比表1知棉稈的直徑與拉伸破壞載荷呈正相關,即棉稈的直徑越大,最大拉伸力越大,且直徑對拉伸破壞載荷的影響遠大于含水率對拉伸破壞載荷的影響。

2.3 棉稈起拔力與其物理特性的分析

2.3.1 棉稈起拔力分析的方法選擇

基于棉稈的直徑、含水率、土壤緊實度及起拔力的相關實測數(shù)據(jù),采用多元統(tǒng)計中的回歸分析方法對棉稈起拔力進行分析。

2.3.2 棉稈起拔力與含水率關系

通過對第1批次、第2批次、第6批次的樣本數(shù)據(jù)進行回歸分析,分析結果如圖2(a)所示。棉稈起拔力與含水率的線性回歸模型為

圖2 棉稈拉拔阻力與影響因素的關系Fig.2 Relationship between pulling resistance of cotton rod and influencing factors

y1=17.74325x1+409.40949

(1)

其中,y1為棉稈的起拔力(N);x1為棉稈的含水率(%)。在棉稈含水率與起拔力的回歸分析的方程中,回歸方程的P值為0.963 8,說明回歸模型不顯著,棉稈的含水率對于起拔力的大小不會造成影響。

2.3.3 棉稈起拔力與棉稈直徑的關系

通過對樣本數(shù)據(jù)進行回歸分析,分析結果如圖2(b)所示。棉稈起拔力與棉稈直徑的線性回歸模型為

y2=27.88644x2

(2)

其中,y2為棉稈的起拔力(N);x2為棉稈直徑(mm)。在棉稈起拔力與含水率的回歸方程中,方程的假定值P?0.001,說明模型顯著。參數(shù)x2的P值遠小于0.001,但是常數(shù)項的P值為0.752 8,舍去。模型的擬合優(yōu)度為0.346 7,擬合優(yōu)度偏低。由回歸模型可以看出,棉稈的直徑與棉稈起拔力呈正相關。

2.3.4 棉稈起拔力與土壤硬度的關系

對棉稈的起拔力與土壤硬度進行回歸分析,分析結果如圖2(c)所示。棉稈起拔力與棉稈直徑的線性回歸方程模型為

y3=37.16027x3+244.42547

(3)

其中,y3為棉稈的起拔力(N);x3為秸稈地的土壤緊實度(kg/m)。在棉稈起拔力與棉稈直徑的線性回歸方程中,模型假定值p=0.001<0.05,說明模型顯著。參數(shù)x3、常數(shù)項的p值(假定值)都符合檢驗,模型的擬合優(yōu)度R-Square為0.179 0,擬合優(yōu)度偏低。由回歸模型可以看出,棉稈的直徑與棉稈的起拔力呈正相關。

2.3.5 棉稈起拔力多元線性回歸分析

多元線性回歸是以多個解釋變量的給定值為條件的回歸分析,是研究一個因變量和多個自變量間的線性關系方法,多元線性回歸模型的一般形式為

Y=β0+β1X1+β2X2+…+βiXi+…βkXk+u

其中,k為解釋變量數(shù)目;βi(j=1,2,k)為回歸系數(shù);u為去除k個自變量對Y影響后的隨機誤差[32-33]。本文以濱州地區(qū)2015年10月23日-2016年3月21日采集的6批次棉稈實測得出的棉稈直徑、含水率、土壤緊實度及棉稈起拔力作為基礎系列數(shù)據(jù),利用SAS軟件對各變量數(shù)據(jù)進行一元回歸分析得出:棉稈直徑和土壤緊實度是影響棉稈起拔力的主要因素,棉稈的含水率對棉稈的起拔力幾乎沒有影響。

由式(1)～式(3)中能得到符合條件的模型,但是無論是土壤緊實度,還是棉稈半徑的模型,其擬合度都達不到理想的效果,不能很好地描述起拔力與棉稈直徑及土壤緊實度的關系。引入多元回歸,以棉稈起拔力為因變量,棉稈的直徑及土壤緊實度為自變量建立多元回歸模型,回歸方程式為

y4=36.32720x3+27.56728x2

(4)

其中,y4為棉稈的起拔力(N);x3為秸稈地的土壤硬度(kg/m2);x2為棉稈直徑(mm)。模型的的假定值P<0.001,故拒絕原假設,接受備選假設,認為y與x3、x2之間具有顯著線性相關關系;但是模型擬合優(yōu)度R-Square為0.517 6,偏低。

由式(4)可知,回歸方程顯著擬合優(yōu)度偏低。其主要原因如下:棉稈的起拔力影響因素很多,方程中的影響因素不能全部囊括進來,但棉稈直徑及土壤緊實度與起拔力模型能達到50%的擬合度,對于只需大體確定棉稈起拔力范圍的拔桿機械具有重要指導作用,所以本文起拔力的影響因素可設為土壤硬度和棉稈直徑。

為了提高模型的擬合度,使得模型更加準確,此處引入多元線性回歸的回歸診斷圖,如圖3所示。圖3中包括殘差分析影響分析。根據(jù)影響分析圖剔除統(tǒng)計樣本中的離群點,剔除樣本中的離群點后重新對樣本進行回歸分析,模型為

圖3 多元線性分析回歸診斷Fig.3 Multiva Multivariate linear regression regression diagnosis

y=-111.73707+45.39254x3+23.89125x2

(5)

分析得出模型及參數(shù)p值均顯著,且模型擬合優(yōu)度達到0.81。

2.3.6 回歸驗證與預測

對回歸模型進行驗證,2018年3月收集的棉稈的起拔力實際值和預測值的變化情況如圖4所示。由圖4可知:棉稈的起拔力值和預測值接近。由SAS軟件相關分析得出,棉稈起拔力的實際值和預測值相關系數(shù)為0.76。上述多元線性回歸分析模型適用于棉稈起拔力的預測,對于拔棉稈機的設計具有指導作用。

圖4 棉稈起拔力和預測力對比Fig.4 Comparison of uplift force and prediction force of cotton rod

3 結論

1)抗拉強度在含水率最高為61%時達到最大值37.65MPa,當含水率在在15%～50%之間,棉稈的抗拉強度變化不大,平均抗拉強度集中在21.5～25.8MPa之間;對于抗彎強度,在含水率為15%時達到最高值33MPa,當含水率在25%～55%之間時棉稈的抗彎強度變化不大,平均抗彎強度集中在23.5～27MPa之間。

2)對于棉稈起拔力,在土壤緊實度為最低的3.3kg/cm2時達到最小值340.7N,棉稈的起拔力隨著土壤緊實度的降低而降低。

3)棉稈的彎曲破壞載荷及拉伸破壞載荷與棉稈的直徑和棉稈的含水率都有著顯著的相關性,且棉稈直徑對彎曲和拉伸破壞載荷的影響遠大于含水率對棉稈拉伸和彎曲破壞載荷的影響。

4)棉稈的抗彎強度隨著棉稈的含水率增大而減小,棉稈的抗拉強度隨著含水率的增大而增大。

5)對棉稈的起拔力與棉稈含水率、棉稈直徑及土壤緊實度進行回歸分析,發(fā)現(xiàn)棉稈的起拔力與棉稈的含水率相關性不顯著,棉稈的起拔力與土壤緊實度及棉稈的直徑都呈正相關。

6)對棉稈的回歸分析進行分析診斷,對棉稈起拔力的多元分析模型進行優(yōu)化得到棉稈起拔力與棉稈直徑及土壤緊實度的模型y=-111.73707+45.39254x1+23.89125x2。其擬合優(yōu)度為0.81,可以用于對棉稈起拔力的預測及拔棉稈機的設計研究。