王玉剛，王 磊，李建新，蔡云霄，劉 斌，鄧 星

(1.山東天鵝棉業(yè)機(jī)械股份有限公司，濟(jì)南 250032；2.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

【研究意義】棉花產(chǎn)量高，主要用于紡織、精細(xì)化工原料等[1-2]。2018年新疆棉花種植面積達(dá)264.4×104hm2，收獲方式以機(jī)械采收為主，主要棉花采收機(jī)械為水平摘錠式采棉機(jī)[3-6]。在機(jī)械采收過(guò)程中，機(jī)采棉采摘力學(xué)特性是影響棉花收獲的重要因素，也是設(shè)計(jì)棉花收獲機(jī)械的重要依據(jù)。【前人研究進(jìn)展】Friesen. J. A.等[7]分析了棉花的鈴殼開(kāi)度對(duì)棉花與鈴殼間分離力的影響；有研究分析了下霜前后棉花與鈴殼間分離力的變化規(guī)律[8]；李勇等[9]分析了早、中、晚3個(gè)時(shí)間段棉花與鈴殼間分離力隨著含水率的變化規(guī)律；史諾等[10]分析了含水率、取樣部位以及加載強(qiáng)度對(duì)棉稈擠壓剝皮剪切力學(xué)特性的影響?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】對(duì)機(jī)采棉采摘力學(xué)特性的研究起步較早，但研究對(duì)象和研究的機(jī)械特性較分散，針對(duì)適用于機(jī)械化采摘棉花的研究較少[11-14]。水平摘錠式采棉機(jī)在工作過(guò)程中,先由摘錠鉤齒鉤住棉纖維，進(jìn)而通過(guò)摘錠自轉(zhuǎn)纏繞棉花完成采摘過(guò)程。在整個(gè)采摘過(guò)程中，若棉花自身扯斷力小于棉花與鈴殼間分離力，棉纖維易被扯斷，降低采凈率以及纖維品質(zhì)[8]。研究脫葉時(shí)間和含水率對(duì)機(jī)采棉采摘力學(xué)特性的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力為機(jī)采棉采摘力學(xué)特性指標(biāo)，在多因素綜合影響研究的基礎(chǔ)之上，分析不同品種棉花的棉花含水率、棉花脫葉時(shí)間對(duì)機(jī)采棉采摘力學(xué)特性的影響。為優(yōu)化水平摘錠式采棉機(jī)摘錠結(jié)構(gòu)以及篩選合理機(jī)采棉采收期提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

根據(jù)NY/T 1133-2006采棉機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)采棉機(jī)作業(yè)條件的要求：棉花含水率≤12%，棉鈴?fù)滦趼省?5%，脫葉率≥80%[15]。選取棉花含水率，以及影響棉鈴?fù)滦趼屎兔撊~率的棉花脫葉時(shí)間作為主要影響因素。采棉機(jī)作業(yè)時(shí)棉花含水率過(guò)低易引發(fā)火災(zāi)[16]，選取含水率水平范圍為8%～12%；脫葉劑脫葉效果的相關(guān)文獻(xiàn)[17-20]，選取棉花脫葉時(shí)間范圍為14～34 d。

試驗(yàn)樣品為新疆石河子地區(qū)具有代表性的機(jī)采棉品種新陸早45號(hào)，樣本取自取自石河子146團(tuán)六分場(chǎng)七連，試驗(yàn)棉田采用66 cm+10 cm的寬窄行種植模式，于2018年4月30號(hào)播種，9月15號(hào)噴灑脫葉劑。噴施脫葉劑當(dāng)天，選取長(zhǎng)勢(shì)良好、無(wú)病蟲(chóng)害的棉株，考慮到棉桃成熟時(shí)間、采光效果以及棉花品質(zhì)[21-22]，將棉株自下而上第4果枝靠近主莖處的棉花作為試驗(yàn)樣本進(jìn)行標(biāo)記，然后分別于9月29日、10月9日、10月19日12：00采樣，共采樣3批次。

HY-0580電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、美國(guó)TRANSCELL S型拉式傳感器BAB-5MT(量程0～50 N，精度0.001 N)、Canon 500D單反數(shù)碼相機(jī)(佳能中國(guó)，有效像素1 510萬(wàn))、101-1BS電熱鼓風(fēng)干燥箱、德國(guó)Sartorius MA100快速水分測(cè)定儀(量程0～100 g，精度0.1 mg，可讀性0.001%，溫度設(shè)定40～230℃)，SPS402F精密電子天平(美國(guó)Ohaus Scout Pro，量程0～400 g，精度0.01 g)、香港希瑪AR847數(shù)顯式溫濕度測(cè)試儀(溫度：量程-10～50℃，精度0.1℃；濕度：量程5.0%RH～98%RH，精度3%RH)、皮尺、鋼板尺等。圖1

圖1 機(jī)采棉采摘力學(xué)特性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以棉花品種、棉花含水率、棉花脫葉時(shí)間作為試驗(yàn)因素，以棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力為響應(yīng)指標(biāo)，試驗(yàn)因素水平編碼表如下。制定全因子試驗(yàn)方案，18組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)30次，測(cè)定每組試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算平均值與標(biāo)準(zhǔn)差[23-25]，新陸早45號(hào)品種棉花與鈴殼間分離力范圍為0.419～0.708 N，棉花自身扯斷力范圍為0.559～1.557 N；新陸早66號(hào)品種棉花與鈴殼間分離力范圍為0.491～0.724 N，棉花自身扯斷力范圍為0.619～1.584 N。表1

表1 試驗(yàn)因素與水平編碼

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

1.2.2.1 含水量

參照GB/T 6102.1-2006含水率的測(cè)定方法[26]，將采集的棉花進(jìn)行抽樣檢測(cè)，測(cè)得樣品的棉花含水率(干基)，采用先復(fù)水后烘干的方法獲取不同水平含水率。設(shè)定棉花含水率的取值范圍為8%～12%，將每批次樣本平均分為3組，根據(jù)干基含水率范圍，在棉花樣本上噴灑適量蒸餾水，將樣本放入保鮮袋中一段時(shí)間以保證含水率均勻穩(wěn)定，將3組樣本分別放入干燥箱中，間隔一定時(shí)間測(cè)定含水率，達(dá)到含水率預(yù)設(shè)值時(shí)取出，裝入保鮮袋中封存[27-28]。

測(cè)定試樣含水率時(shí)，將一張干凈的干燥紙放入MA100水分測(cè)試儀鋁碟中，儀器重新置零。用尖彎嘴鑷子將適量試樣放入MA100水分測(cè)試儀干燥紙上。稱(chēng)重并記錄烘干前試樣的質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.001 g。設(shè)定水分測(cè)試儀以(105±3)℃對(duì)試樣進(jìn)行烘干，當(dāng)烘干完成后，儀器自動(dòng)停止加熱并發(fā)出提示音，讀取并記錄烘干后試樣的質(zhì)量[13]。含水量的計(jì)算：

(1)

式中，

W—所測(cè)棉花的含水率，%；

G—試樣烘干前的質(zhì)量，g；

G0—試樣烘干后的質(zhì)量，g。

1.2.2.2 棉花與鈴殼間分離力

測(cè)試時(shí)，在每個(gè)棉鈴上任取2瓣棉花進(jìn)行棉花與鈴殼間分離力測(cè)試，通過(guò)機(jī)臺(tái)的臺(tái)鉗將棉柄垂直夾持在機(jī)臺(tái)的臺(tái)盤(pán)上，棉花夾持在推拉力計(jì)的測(cè)試端，調(diào)整棉柄在臺(tái)盤(pán)上的夾持位置，使棉柄、棉花夾持點(diǎn)以及推拉力計(jì)的測(cè)試桿處于同一垂直線上。電動(dòng)機(jī)臺(tái)以30 mm/min的速度勻速將棉花與鈴殼分離，計(jì)算機(jī)終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)[29]。

1.2.2.3 棉花自身扯斷力

棉花與鈴殼間分離力需大于棉花自身扯斷力，即：

Ps>Pt.

(2)

式中，

Ps—棉花與鈴殼間分離力，N；

Pt—棉花自身扯斷力，N。

棉花自身扯斷力是一項(xiàng)重要的機(jī)采棉采摘力學(xué)特性指標(biāo)，棉花與鈴殼間分離力是指開(kāi)放棉鈴中的棉花與花托節(jié)點(diǎn)之間的連結(jié)力；棉花自身扯斷力是指扯斷棉花纖維的力[8]；棉花脫葉時(shí)間是指機(jī)采棉噴灑脫葉劑后的時(shí)間。

同一棉鈴上剩余2瓣棉花進(jìn)行棉花自身扯斷力測(cè)試，將棉花完整的從鈴殼上取下，調(diào)整機(jī)臺(tái)，棉花的2端分別夾持在推拉力計(jì)夾具、機(jī)臺(tái)夾具上，推拉力計(jì)置零，開(kāi)始測(cè)試。電動(dòng)機(jī)臺(tái)以30 mm/min的速度勻速將棉花拉斷，計(jì)算機(jī)終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)[29]。

分別以棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力為縱坐標(biāo)(y)，以棉花含水率、棉花脫葉時(shí)間為橫坐標(biāo)(x)，構(gòu)建回歸方程[30-34]。

2 結(jié)果與分析

2.1 機(jī)采棉采摘力學(xué)特性及其影響因素方差

研究表明，棉花含水率對(duì)棉花與鈴殼間分離力影響極顯著(P<0.01)，對(duì)棉花自身扯斷力的影響顯著(P<0.05)；棉花脫葉時(shí)間對(duì)棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力影響均極顯著(P<0.01)；棉花品種對(duì)棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力影響均顯著(P<0.05)。對(duì)于棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力，各影響因素的主次順序均為：棉花脫葉時(shí)間>棉花含水率>棉花品種，且棉花脫葉時(shí)間對(duì)機(jī)采棉采摘力學(xué)特性的影響遠(yuǎn)大于棉花含水率和棉花品種。表2，表3

表2 全因子試驗(yàn)

表3 機(jī)采棉采摘力學(xué)特性方差

2.2 機(jī)采棉采摘力學(xué)特性及其影響因素的回歸分析

研究表明，對(duì)于上述2個(gè)棉花品種，棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力均與棉花脫葉時(shí)間呈非線性相關(guān)(P<0.01，R2>0.85)，模型預(yù)測(cè)度較高；棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力與棉花含水率相關(guān)性不顯著。表4

表4 機(jī)采棉采摘力學(xué)特性與其影響因素的回歸分析

2.3 棉花脫葉時(shí)間對(duì)機(jī)采棉采摘力學(xué)特性影響

研究表明，棉花脫葉時(shí)間對(duì)棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力的單因素效應(yīng)曲線均為拋物線。2品種棉花，當(dāng)成熟時(shí)間為24 d時(shí)，其棉花與鈴殼間分離力近似達(dá)到最大值，當(dāng)脫葉時(shí)間大于或者小于24 d時(shí)，棉花與鈴殼間分離力均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。棉花在成熟過(guò)程中棉花與鈴殼間的結(jié)合力逐漸增大，增大到一定程度時(shí)，棉株停止對(duì)棉花的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，棉花與鈴殼間分離力逐漸減小。2品種棉花，當(dāng)成熟時(shí)間為28 d時(shí)，其棉花自身扯斷力近似達(dá)到最大值，當(dāng)成熟時(shí)間大于或小于28 d時(shí)，棉花自身扯斷力均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在測(cè)試區(qū)間內(nèi)，棉花自身扯斷力先增大，到一定程度后，又逐漸減小。在成熟時(shí)間相同的條件下，棉花自身扯斷力始終大于棉花與鈴殼間分離力，在棉花采摘過(guò)程中，較大的棉花自身扯斷力使棉花不被扯斷，較小的棉花與鈴殼間分離力使棉花容易采摘。圖2，表4

圖2 不同品種棉花脫葉時(shí)間與機(jī)采棉采摘力學(xué)特性的關(guān)系

2.4 棉花含水率對(duì)機(jī)采棉采摘力學(xué)特性的影響

研究表明，當(dāng)含水率為8%時(shí)，棉花與鈴殼間分離力最大，棉花自身扯斷力最小；當(dāng)含水率為12%時(shí)，棉花與鈴殼間分離力最小，棉花自身扯斷力最大。隨著棉花含水率的升高，棉花與鈴殼間分離力逐漸減小，棉花自身扯斷力逐漸增大。圖3

圖3 不同品種棉花含水率與機(jī)采棉采摘力學(xué)特性的關(guān)系

3 討 論

通過(guò)分析不同因素水平下上述2個(gè)品種棉花的采摘力學(xué)特性，得到了棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力的范圍，這對(duì)水平摘錠式采棉機(jī)摘錠的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化具有重要作用，同時(shí)，得到了2個(gè)品種棉花含水率、脫葉時(shí)間對(duì)其采摘力學(xué)特性的影響曲線，這有助于尋求合理的機(jī)采棉采收時(shí)間，提高機(jī)采棉采凈率。機(jī)采棉采摘力學(xué)特性受多因素綜合影響，研究只針對(duì)單因素進(jìn)行了分析，后期將分析多因素綜合影響下機(jī)采棉的采摘力學(xué)特性曲線。

4 結(jié) 論

4.1 影響棉花與鈴殼間分離力的主要因素為：棉花含水率、棉花脫葉時(shí)間、棉花品種；影響棉花自身扯斷力的主要因素為：含水率、成熟時(shí)間。

4.2 隨著棉花含水率的提高，棉花與鈴殼間分離力逐漸減小，棉花自身扯斷力逐漸增大；同時(shí)隨著脫葉時(shí)間增加，棉花與鈴殼間分離力與棉花自身扯斷力均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；并且相對(duì)于含水率，棉花脫葉時(shí)間對(duì)棉花與鈴殼間分離力與棉花自身扯斷力的影響更大；在相同因素水平下，棉花自身扯斷力大于棉花與鈴殼間的分離力。

4.3 新陸早45號(hào)品種棉花與鈴殼間分離力范圍為0.419～0.708 N，棉花自身扯斷力范圍為0.559～1.557 N；新陸早66號(hào)品種棉花與鈴殼間分離力范圍為0.491～0.724 N，棉花自身扯斷力范圍為0.619～1.584 N。新陸早66號(hào)品種的棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力均大于新陸早45號(hào)品種。