棉花收獲期棉絮分離力的試驗(yàn)研究

李勇，張宏文，楊濤

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

棉花收獲期棉絮分離力的試驗(yàn)研究

李勇，張宏文，楊濤

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

為了揭示棉花收獲期棉絮分離力的狀況，利用傳感器計(jì)算機(jī)終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)新疆寬窄行種植模式下種植的棉花進(jìn)行棉絮分離力的試驗(yàn)。結(jié)果表明：在早中晚三個(gè)時(shí)間段，隨著棉花地溫度與濕度的變化；棉絮含水率、棉絮分離力呈規(guī)律性的變化；在棉花成熟期選取最佳的棉花采收時(shí)間段進(jìn)行棉花采收，有益于提高采凈率及其棉花質(zhì)量。

棉絮；纖維強(qiáng)度；含水率

棉花是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民生活、國(guó)防等都具有重要作用［1］。新疆是我國(guó)最大的優(yōu)質(zhì)棉種植區(qū)，經(jīng)數(shù)十年的努力推廣，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大面積66cm＋10cm的適應(yīng)機(jī)采棉的種植模式，并以其先進(jìn)的植棉技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，在全國(guó)棉花主產(chǎn)區(qū)占有重要地位，而且新疆是最有條件率先實(shí)現(xiàn)棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的地區(qū)［2－4］。

在棉花收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)中，不論把棉花當(dāng)作機(jī)器工作過程的介質(zhì)，或視作工作部件的加工對(duì)象，對(duì)棉花的物理機(jī)械特性進(jìn)行詳細(xì)的研究都是正確設(shè)計(jì)棉花收獲機(jī)械的必要條件，是機(jī)采棉花的理論依據(jù)［5］。通過對(duì)棉絮分離力的試驗(yàn)研究，其結(jié)果能為棉花收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，也能為棉花的適時(shí)性采收予以指導(dǎo)性作用［6－7］。

棉絮分離力是指將棉絮與鈴殼分離所需的最小力，其大小反映棉絮與鈴殼的連接強(qiáng)度，也直接影響到機(jī)采棉的難易程度。因此，研究在不同的棉花采摘時(shí)間段空氣溫度、濕度變化對(duì)棉絮含水率的影響情況以及棉絮含水率與分離力的關(guān)系，能為選取最佳的棉花采摘期進(jìn)行棉花的采摘起到指導(dǎo)性的作用。

1 材料、儀器與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)選用石河子總場(chǎng)七分場(chǎng)六連種植的棉花，品種為中棉293（此品種棉花種植面積占石總場(chǎng)七分場(chǎng)棉花種植面積的70%以上）；試驗(yàn)棉田采用66cm＋10cm的寬窄行種植模式（適應(yīng)機(jī)械化棉花收獲），于2010年4月28號(hào)播種，9月15號(hào)噴灑脫葉劑，10月2日至10月6日采樣進(jìn)行測(cè)試，采樣時(shí)棉花吐絮率大于96%，脫葉率大于98%。于10月8日進(jìn)行棉花采收，籽棉產(chǎn)量約5100kg／hm2。

1.2 儀器

德國(guó)賽多利斯MA系列MA45電子精量天平（水分快速測(cè)試儀，量程45～145g，精度±0.001 g），香港?，擜R847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），GDE－500電動(dòng)單柱式立式機(jī)臺(tái)（有效行程≤400mm，無級(jí)調(diào)速0～500 mm／min），HF－5推拉力計(jì)（量程5N，精度±0.001 N），計(jì)算機(jī)終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.3 方法

樣品的選取參照我國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY／T 1133－2006［8］規(guī)定進(jìn)行。田間測(cè)試方法為：通過地塊長(zhǎng)寬邊中點(diǎn)向?qū)叺闹悬c(diǎn)連十字線，將地塊劃成4塊，隨機(jī)選對(duì)角的2塊作為檢測(cè)點(diǎn)。沿檢測(cè)地塊的對(duì)角線，從地角算起以1／4、3／4點(diǎn)處為測(cè)點(diǎn)，再加上2個(gè)檢測(cè)地塊的交點(diǎn)，確定出5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的位置。試驗(yàn)時(shí)間為10月2日至10月6日，分別于上午（9：00），中午（13：00），下午（19：00）各采樣一次，在每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)選取株高45～55cm的成熟棉鈴5個(gè)，并記錄采樣時(shí)棉田的溫度和濕度，采樣后即進(jìn)行棉絮分離力的試驗(yàn)，以避免棉花含水率因時(shí)間過長(zhǎng)而改變。

1.3.1 棉絮含水率的測(cè)定

棉絮含水率采用干燥法測(cè)定，參照GB／T 6102.1－2006［9］規(guī)定進(jìn)行。具體方法為：測(cè)定含水率時(shí)，用尖彎嘴鑷子將棉絮展平，并剝除棉籽，將去除棉籽后的棉絮放入MA45水分測(cè)試儀中；讀取并記錄烘干前試樣的質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.001g。設(shè)定水分測(cè)試儀以（105±3）℃對(duì)棉絮進(jìn)行烘干，當(dāng)烘干完成后，儀器會(huì)自動(dòng)停止加熱并發(fā)出提示音，此時(shí)讀取并記錄烘干后試樣的質(zhì)量。棉絮含水量的計(jì)算公式為：

W＝（G－Go）／G×100%， （1）式（1）中：W 為所測(cè)棉絮的含水率，%；G為試樣烘干前的質(zhì)量，g；Go試樣烘干后的質(zhì)量，g。

1.3.2 棉絮分離力的測(cè)定

測(cè)試時(shí)，通過機(jī)臺(tái)的臺(tái)鉗將棉柄垂直夾持在機(jī)臺(tái)的臺(tái)盤上，棉絮夾持在推拉力計(jì)的測(cè)試端，然后調(diào)整棉柄在臺(tái)盤上的夾持位置，使棉柄、棉絮夾持點(diǎn)以及推拉力計(jì)的測(cè)試桿處于同一垂直線上。試驗(yàn)中電動(dòng)機(jī)臺(tái)以10mm／s的速度將棉絮與鈴殼分離，通過HF－5推拉力計(jì)的計(jì)算機(jī)終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行分離力變化曲線及其相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的采集。試驗(yàn)中分別測(cè)試棉絮與鈴殼的分離力和此瓣棉絮被扯斷時(shí)的分離力。

2 結(jié)果與分析

按上述方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 棉絮分離試驗(yàn)結(jié)果Tab.1Experimental results of batt and fibber＇s detaching force

2.1 空氣中溫度與濕度變化的關(guān)系

隨著時(shí)間的變化，空氣中溫度與濕度的變化情況及其相互關(guān)系見圖1。

從圖1可見：13：00～17：00為棉田一天中溫度較高而濕度較低的時(shí)間段?？諝庵袦囟扰c濕度的變化明顯成互反關(guān)系，即空氣的濕度隨著溫度的長(zhǎng)升會(huì)下降；而伴隨著空氣溫度的下降，空氣的濕度會(huì)相應(yīng)的上升。一天中9：00～13：00與17：00至21：00這兩個(gè)時(shí)段，空氣溫濕度的變化非常明顯；在13：00～17：00這個(gè)時(shí)間段內(nèi)空氣的溫度達(dá)到一天中的最高值，濕度達(dá)到一天中的最低值，而且溫度與濕度的變動(dòng)幅度較小。

圖1 濕度、溫度的變化Fig.1Trends of temperature and water content

2.2 棉絮分離力與含水率

棉絮與鈴殼的分離力、棉絮扯斷力以及棉絮含水率之間的關(guān)系見圖2。

圖2中棉絮與鈴殼分離力和含水率的線性回歸模型及和相關(guān)系數(shù)為：

y＝0.753－0.023x，p＝0.223；

圖2中棉絮扯斷力和含水率的線性回歸模型和相關(guān)系數(shù)為：

y＝1.34－0.0207x，p＝0.225。

由上述回歸模型分析可知：隨著棉絮含水率的增加，棉絮與鈴殼的分離力和棉絮扯斷力的變化均成減小趨勢(shì)。而棉絮扯斷力的變化相對(duì)較小。

圖2 棉絮分離力與含水率的關(guān)系Fig.2Relations between detaching force and water content

2.3 棉絮含水率

棉絮含水率的變化情況見圖3。

由圖3結(jié)合空氣溫度與濕度在一天內(nèi)的變化情況分析可知，早晨空氣溫度較低、濕度較高，棉絮含水率相對(duì)較高；而在中午，伴隨著空氣溫度的升高，空氣的濕度明顯降低，棉絮含水率較低；而在傍晚，空氣溫度降低，濕度升高，棉絮的含水率有所回升。棉絮含水率在一天之中總體呈現(xiàn)早晚較高，而中午較低的變化趨勢(shì)。

圖3 棉絮含水率Fig.3Fiber＇s water contents of cotton

2.4 棉絮分離力

棉絮分離力的變化情況如圖4和圖5所示，結(jié)合早、中、晚棉絮含水率的變化情況對(duì)棉絮分離力的變化進(jìn)行分析可知：棉絮含水率對(duì)棉絮與鈴殼間分離力的影響顯著；棉絮扯斷力同棉絮與鈴殼間分離力總體均成早晚較低，而中午較高的變化趨勢(shì)，但是棉絮扯斷力早、中、晚三個(gè)時(shí)間段變化的幅度相對(duì)較小。

圖4 棉絮與鈴殼分離力變化Fig.4Trends of batt＇s detaching force

圖5 棉絮扯斷力變化Fig.5Trends of fibber＇s detaching force

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果與分析表明：

早晨與下午空氣溫度相對(duì)較低，中午空氣溫度相對(duì)較高，而空氣濕度則成相反趨勢(shì)變化，即早晨與下午空氣濕度較高，中午相對(duì)較低。

空氣溫濕度對(duì)棉絮含水率的變化影響顯著，棉絮含水率隨空氣濕度的升高明顯升高，而同空氣溫度成相反趨勢(shì)變化。棉絮含水率對(duì)棉絮與鈴殼間的分離力影響顯著，即隨著棉絮含水率的降低，棉絮與鈴殼間的分離力會(huì)升高，所以選取溫度較低、濕度較高的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行棉花的機(jī)械化收獲能夠降低采棉機(jī)的功耗。

在同一天之中采樣，將棉絮扯斷力與棉絮分離力進(jìn)行比較，棉絮扯斷力與棉絮分離力成相同趨勢(shì)變化，而棉絮扯斷力的變化幅度相對(duì)較小，所以選取溫度較低、濕度較高的時(shí)間段進(jìn)行棉花的機(jī)械化收獲亦能提高棉花采凈率。

［1］張獻(xiàn)龍.棉花生物技術(shù)研究概況［J］.武漢植物學(xué)研究，1999，17（4）：362－370.

［2］葉偉.膠棒滾筒式采棉機(jī)摘輥采摘機(jī)理的研究［D］.石河子：石河子大學(xué)，2010：8－9.

［3］黃勇.對(duì)新疆機(jī)采棉技術(shù)的探討［J］.中國(guó)棉花，2005，32（10）：9－11.

［4］David D M，Clarence D R.The effect of harvesting procedures on fiber and yarn quality of ultra－narrow－row cotton［J］.The Journal of Cotton Science，2005（9）：15－26.

［5］中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所編譯.棉花收獲機(jī)械譯文集［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1960：18－19.

［6］畢新勝，王維新，武傳宇，等.采棉機(jī)水平摘錠的工作原理及采摘力學(xué)分析［J］.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，25（6）：786－789.

［7］張宏文，康敏，傅秀清，等.膠棒滾筒棉花采摘頭的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（2）：109－113.

［8］全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化分技術(shù)委員會(huì).NY／T 1133－2006采棉機(jī)作業(yè)質(zhì)量［S］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2006.

［9］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB／T6102.1－2006原棉回潮率試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

Batt and Fibber's Detaching Force during Cotton Harvest－time

LI Yong，ZHANG Hongwen，YANG Tao
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

In order to reveal the trends and influencing factors of batt and fibber's detaching force of cracked cotton bolls in harvest－time，a test was done under sensor－computer data collection system to the cotton which planted under ultra－narrow row planting style of Xingjiang.The result suggested the detaching force varied significantly with the water content of cotton，and water content varied with temperature，air humidity and periods of time.So it is beneficially to improve harvesting quality while choose the correct periods of time to harvest cotton.

batt；fiber strength；water content

S511.01；Q789

A

1007－7383（2011）05－0633－04

2011－01－29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50865011）

李勇（1985－），男，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)；e－mail：liyong＿lee＠yeah.net。

張宏文（1969－），男，副教授，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)械系統(tǒng)仿真；e－mail：zhw＿mac＠shzu.edu.cn。