棉花收獲期不同開放狀態(tài)棉絮的力學特性

張新建　張宏文　閆飛　等

摘要：通過試驗分析，研究棉花在收獲期不同開放狀態(tài)下棉絮與鈴殼分離力及棉絮扯斷力的情況，利用與計算機終端相連的拉力計采集裝置，對新疆機采棉種植模式下的棉花進行棉絮相關力學特性試驗。試驗表明，隨棉絮含水率的不同，棉絮與鈴殼的分離力及棉絮的扯斷力亦成規(guī)律性變化。在噴灑脫葉劑后18～20 d進行棉花采收更有益于提高棉花采凈率。

關鍵詞：棉絮；分離力；扯斷力

中圖分類號： S562.01文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0504-03

收稿日期：2014-12-11

基金項目：石河子大學高層次人才科研啟動項目（編號：RCZX201309）。

作者簡介：張新建（1987—），男，山東菏澤人， 碩士研究生，研究方向為先進性制造技術。E-mail： zhangxinjianzxj001@163.com。

通信作者：張宏文，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械設計及機械系統(tǒng)仿真的研究。E-mail：zhw_mac@shzu.edu.cn。新疆是中國最大的優(yōu)質棉生產(chǎn)基地，以其先進的植棉技術和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，在全國棉花主產(chǎn)區(qū)占有重要地位；新疆具有得天獨厚的地理位置及天然氣候，使得新疆棉花以纖維長、色澤潔白、拉力強著稱[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，2013年新疆棉花的種植面積為169.2萬hm2，總產(chǎn)量為340萬t，棉花產(chǎn)量大約占全國的46%，占世界總產(chǎn)量的12%，棉花已成為新疆的支柱產(chǎn)業(yè)[4]。隨著新疆生產(chǎn)建設兵團對機采棉技術的推廣和普及，采棉機的數(shù)量得到了迅速的發(fā)展。但要解決進口采棉機在國外采凈率高，到新疆采凈率下降[5]的問題是迫在眉睫的事情。

棉花作為機械工作過程中的一種介質，它在不同開放狀態(tài)下物理特性的研究為正確設計采棉機提供了必要條件，通過對棉絮與鈴殼的分離力及棉絮纖維扯斷力的試驗研究，試驗數(shù)據(jù)對采棉機的設計提供理論依據(jù)，同時還可以指導棉農(nóng)進行棉花的適時采摘。

棉絮和鈴殼之間的分離力是指將棉絮和鈴殼分離所需要的拉力。分離力的大小反映棉絮與鈴殼之間的連接強度，并且該指標直接影響采棉機的采摘效果。棉絮與鈴殼之間的分離力越小，說明棉絮越容易從棉殼上采摘，相反，棉絮與鈴殼之間的分離力越大，棉絮越難從鈴殼上采摘下來。當單瓣棉絮分離力大于此瓣棉花纖維撕裂而斷開的最小力時，棉絮不能完整地從鈴殼上采摘出來，最終未被采摘出的棉花遺留在鈴殼中，這就直接導致了采棉機采凈率降低。所以，探究棉花在噴灑脫葉劑之后棉鈴不同開放狀態(tài)下，不同含水率棉絮與鈴殼分離力之間的關系，確定棉花最適合采棉機采摘的時間，為提高采棉機的采凈率提供理論指導[6-8]。

1材料與方法

1.1試驗材料

棉花取自石河子146團六分場七連當年種植的棉花，品種為新陸中棉66號（此品種棉花種植面積占七連棉花種植面積的85%以上），此棉田采用機采棉種植模式（66+10）cm于2014年9月18日噴灑脫葉劑，10月4—10日采樣進行測試，采樣時棉田中棉鈴的吐絮率大于94%，脫葉率大于90%，棉絮含水率小于10%[9]。此地塊于10月11日采收棉花，籽棉產(chǎn)量5 400 kg/hm2。

1.2試驗設備

GDE-500電動單柱立式機臺（有效行程≤400 mm，無級調速0～500 mm/min）、HF-5推拉力計（量程5 N，精度±0.001 N）及與其相連的數(shù)據(jù)采集裝置、德國賽多利斯MA系列MA45電子精量天平（水分快速測試儀，量程45～145 g，精度±0.001 g）。

1.3試驗方法

在試驗地的大型棉田中隨機選取一塊測試地，在選取的測試地上找到地塊各邊的中點，分別從各邊中點向對邊中點連線，這樣把測試地塊平均分成4部分，任意選取對角線上的兩部分作為測試地塊。在所選對角的2個小的測試地塊上，分別找到長、寬邊的中點向對邊中點連線，分別沿中點的連線從地邊算起，選取連線長的1/4、3/4點處作為檢測點，此外還有檢測地塊2個連線的交點，共5個檢測點位置，試驗時間為2014年10月1—7日，連續(xù)7 d棉田檢測點采樣測試。

根據(jù)前期學者的研究[10]，定于每天14：00進行采樣測試，在每個標記好的棉田檢測點確定60株完整的棉花，并記錄棉株上青棉鈴數(shù)、半開放棉鈴數(shù)、完全開放棉鈴數(shù)、過開放棉鈴數(shù)；此后隨機選取上述4種狀態(tài)的棉鈴進行取樣，樣品取出后馬上進行棉絮含水率測試、棉絮與鈴殼分離力及棉絮扯斷力大小的測試，防止因取樣時間過長對分離力及扯斷力的大小產(chǎn)生較大影響。

在選定的每個測試點上對半開放、完全開放、過開放3種不同開放狀態(tài)的棉鈴進行取樣，相同條件下隨機各取10個，將它們隨機分成均等的2組（A組和B組）。對A組3種開放狀態(tài)的棉花不作任何處理直接測定棉絮的含水率；B組測試前要先把棉絮加濕，再進行棉絮含水率的測定，但必須保證棉絮的含水率小于10%。最后分別測定含水率不同的兩組棉鈴的分離力。

1.3.1棉絮含水率的測定棉絮樣品含水率的測定采用干燥法，參照GB/T 6102.1—2006規(guī)定[11]進行。在對棉絮含水率測試之前，先用尖嘴鑷子將籽棉中的棉籽摘除，然后把摘除棉籽的籽棉絮放在MA45電子精量天平上。獲取并且記錄此時試樣的質量m。將試樣放入干燥箱內(nèi)， 在（103±2） ℃的溫度下干燥一段時間后， 從中選定2 ～ 3個試樣進行第 1 次稱量， 以后每隔 1 min稱量1次， 至最后2次稱量之差不超過0.002 g時， 即認為試樣達到全干。把干燥后的去籽籽棉再次放在MA45電子精量天平上，獲取并且記錄此時試樣的質量m1。去籽籽棉含水率的計算公式如下：

1.3.2棉絮分離力的測定測試時利用GDE-500電動單柱立式機臺的臺鉗將棉柄垂直夾在機臺的拉力盤上，單瓣籽棉夾在HF-5推拉力計的測試端，最后調整棉柄在拉力盤上的夾持位置，保證棉柄和籽棉的夾持點及HF-5推拉力計的測試桿在同一直線上。該試驗GDE-500電動單柱立式機臺以10 mm/s的速度將籽棉從鈴殼中拉出，利用HF-5推拉力計的計算機終端采集分離力數(shù)據(jù)并記錄。試驗測定籽棉和鈴殼之間的分離力以及單瓣籽棉被扯斷時的扯斷力。

2結果與分析

由表1可知，10月4—10日對選定的300株完整棉花、共2 983個棉鈴對其不同開放狀態(tài)進行統(tǒng)計顯示，噴灑脫葉劑后16～18 d（10月4—6日），半開放棉鈴、青棉鈴的數(shù)量迅速減少，全開棉鈴數(shù)量增加較快，過開棉鈴數(shù)量增加相對較慢；但是噴灑脫葉劑后19～20 d（10月7—8日）半開棉鈴、過開棉鈴、青棉鈴數(shù)量增加相對平穩(wěn)，此時完全開放棉鈴數(shù)量最多；噴灑脫葉劑后20～22 d（10月8—10日）半開放棉鈴和青棉鈴個數(shù)逐漸減少，過開放棉鈴數(shù)量快速增加，完全開放棉鈴數(shù)量不斷減少。

2.1棉絮分離力與含水率的關系

通過10月4—10日對棉絮含水率及棉絮與鈴殼分離力的測定，結果見表2、圖1、圖2。棉絮含水率的不同，A組半開棉鈴、全開棉鈴、過開棉鈴的棉絮與鈴殼分離力均略大于B組棉絮與鈴殼分離力。分析棉鈴含水率不同、開放狀態(tài)不同可以得出：全開棉鈴的棉絮與鈴殼分離力均大于半開棉鈴和過開棉鈴的棉絮與鈴殼分離力，并且半開棉鈴、過開棉鈴的棉絮與鈴殼分離力比較接近。即含水率越高其棉絮和鈴殼之間的分離力就越小。

2.2棉絮扯斷力與含水率的關系

棉絮扯斷力的變化如圖3、圖4所示：半開棉鈴棉絮扯斷力遠小于全開棉鈴和過開棉鈴的棉絮扯斷力。相同開放狀態(tài)的棉鈴不同含水率情況下含水率越高對應的棉絮扯斷力越大，所以含水率對棉絮扯斷力的影響較顯著。

2.3綜合分析

結合圖1和圖3分析A組的測試結果可得：棉鈴半開狀態(tài)下棉絮與鈴殼分離力和棉絮扯斷力的大小比較接近。在測定其分離力的過程中，會出現(xiàn)棉絮與鈴殼沒有完全分離的現(xiàn)象，但此時棉花纖維已經(jīng)斷裂，這樣測定的棉絮與鈴殼分離力也就是棉絮扯斷力，棉絮與鈴殼分離力和棉絮扯斷力大小比較接近，這就導致了機采棉過程中采凈率的下降。全開棉鈴和過開棉鈴的棉絮扯斷力接近棉絮與鈴殼分離力的2倍，說明全開棉鈴和過開棉鈴在機采棉過程中，很少會出現(xiàn)棉花纖維被扯斷的情況。

結合圖2和圖4分析B組的測試結果可得：適當增大半開棉鈴棉絮的含水率可使棉絮的扯斷力略大于其分離力，在實際機采棉過程中也會提高采凈率。

3結論

根據(jù)棉鈴在不同開放狀態(tài)下的拉力試驗結果顯示，在噴灑脫葉劑之后的18～20 d機采棉采摘效果最好，在此期間全開棉鈴的數(shù)量達到最大，半開棉鈴和過開棉鈴的數(shù)量相對較少；當噴灑脫葉劑之后小于18 d時，半開棉鈴的數(shù)量相對較多，由于半開棉鈴的棉絮與鈴殼分離力和棉絮扯斷力比較接近，在實際的機采棉過程中棉絮容易被拉斷，導致采凈率下降；當噴灑脫葉劑之后大于20 d時，過開棉鈴的數(shù)量逐漸增多，因為過開棉鈴棉絮與鈴殼分離力相對較小，所以在機采棉過程中容易造成籽棉落地量的增加，也會造成采凈率下降。

根據(jù)棉花與鈴殼分離力及棉絮扯斷力的試驗分析得出，B組3種狀態(tài)下棉花與鈴殼的分離力要略小于對應A組3種不同狀態(tài)下棉花的分離力，即適當提高棉絮的含水率更有利于棉花的采摘。

參考文獻：

[1]葉煒，葉關榮，肖中高，等. 大容量棉花纖維測試儀的色澤測量研究[J]. 儀器儀表學報，2011，32（8）：1871-1878.

[2]余渝，鄧福軍，田笑明，等. 新疆兵團棉花品種纖維品質現(xiàn)狀分析[J]. 中國棉花，2003，30（7）：2-4.

[3]姜茹琴，姜保功. 新疆棉花品種纖維品質檢測和分析[J]. 中國棉花，2001，28（5）：4-6.

[4]聶新富，徐新洲，董國光. 影響機采棉發(fā)展的制約因素分析及對策[J]. 新疆農(nóng)機化，2004（1）：42-43.

[5]中國科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所，中國科學院情報資料室編譯.棉花收獲機械譯文集[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1960.

[6]畢新勝，王維新，武傳宇，等.采棉機水平摘錠的工作原理及采摘力學分析[J]. 石河子大學學報：自然科學版，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計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（2）：109-113.

[8]李勇，張宏文，楊濤. 棉花收獲期棉絮分離力的試驗研究[J]. 石河子大學學報：自然科學版，2011，29（5）：633-636.

[9]NY/T 1133—2006采棉機作業(yè)質量[S]. 2006.

[10]GB/T 6102.1—2006原棉回潮率試驗方法[S]. 2006.竇超銀，李趨，陳偉，等. 微噴帶灌溉田間灌溉方式的選擇與應用研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2015，43（11：507-509.