同鈴殼內(nèi)籽棉拉伸特性試驗(yàn)與分析

楊海杰，孔凡婷，石磊，陳長林，孫勇飛，謝慶，吳騰

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京210014）

我國是棉花主產(chǎn)國，種植面積和生產(chǎn)總量均位居世界前列[1]。收獲是棉花生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是用工量最多、勞動(dòng)強(qiáng)度最大的環(huán)節(jié)。在采收方面，長期以來以人工為主，近年來，由于勞動(dòng)力緊張已經(jīng)嚴(yán)重限制了中國棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展，棉花機(jī)械收獲已成為棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亟待突破的瓶頸[2]。

中國現(xiàn)使用的采棉機(jī)多為約翰·迪爾、 凱斯等公司生產(chǎn)的水平摘錠式采棉機(jī)，其售價(jià)昂貴、維護(hù)成本高，采收方式對(duì)農(nóng)藝要求高，無法適應(yīng)長江及黃河流域棉區(qū)的中小型棉田，因此僅在新疆建設(shè)兵團(tuán)得到應(yīng)用， 不能完全適應(yīng)我國的作業(yè)條件和國情[3-4]。 而統(tǒng)收式采棉機(jī)具有適應(yīng)性強(qiáng)、采凈率高等優(yōu)點(diǎn)，且配載高效的籽棉預(yù)處理裝置可減少籽棉含雜[5]。而統(tǒng)收式采棉機(jī)的采收或除雜過程中，如機(jī)械力過大對(duì)棉花纖維過度拉伸， 會(huì)導(dǎo)致單粒籽棉產(chǎn)生，不利于棉花加工，降低棉花品質(zhì)[6]。因此，研究同鈴殼內(nèi)籽棉拉伸特性，對(duì)發(fā)展統(tǒng)收式采棉機(jī)、推進(jìn)中國采棉機(jī)械化進(jìn)程具有重要意義

為探索不同作物拉伸特性與力學(xué)性能之間相互關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同物料拉伸性能進(jìn)行了研究：Dhavan 等從棉纖維的載荷- 伸長曲線出發(fā)，建立了簡單的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測(cè)單根棉纖維的拉伸性能，并驗(yàn)證了模型的有效性[7]。國內(nèi)拉伸性能的研究方面，陳爭光等[8]、于勇等[9]學(xué)者進(jìn)行了玉米秸稈皮的拉伸和剪切特性的影響規(guī)律分析； 劉磊等[10]、汪珽玨等[11]進(jìn)行了棉花秸稈的力學(xué)特性及分析。 籽棉方面的拉伸特性研究多為針對(duì)棉花纖維強(qiáng)度的研究，但針對(duì)鈴殼內(nèi)籽棉拉斷形成單粒籽棉的拉伸特性研究較少[12-13]。

一般情況下每個(gè)開裂的棉鈴中有6～8 瓣籽棉，棉籽間由長纖維相互連接，棉籽外皮上附有短纖維。 在棉花采收和除雜過程中，棉籽間連接纖維在外力的作用下容易分離形成單粒籽棉，降低棉花品質(zhì)。 因此，測(cè)量籽棉間纖維連接力可以為棉花收獲裝備采收及預(yù)處理部件、工作參數(shù)優(yōu)化和相關(guān)仿真分析提供參考。 為此，本研究以同鈴殼內(nèi)籽棉為對(duì)象，以不同加載速率對(duì)籽棉進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并對(duì)其特性規(guī)律進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

本試驗(yàn)研究對(duì)象為魯棉研28 號(hào)， 樣本取自農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)機(jī)化所白馬試驗(yàn)基地內(nèi)收獲期全開裂棉鈴籽棉，回潮率7.54%，小于棉花的公定回潮率8.5%。

試驗(yàn)儀器主要有美國Instron 公司的3343 型電子式萬能試驗(yàn)機(jī)及連接的計(jì)算機(jī)、 配套夾具；力辰儀器科技有限公司的YP300001D 型電子天平；吳江奧誠烘箱設(shè)備有限公司的烘箱。

1.2 試驗(yàn)方法

拉伸試驗(yàn)是在Instron 公司3343 型電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，分別用上下夾具將一瓣鈴殼內(nèi)的籽棉試樣相鄰的2 粒籽棉進(jìn)行夾持。 拉伸過程中，下夾具固定不動(dòng)，上夾具以一定的加載速率向上移動(dòng)，直到將連接棉籽的纖維分離。 為了避免棉纖維損傷和防止應(yīng)力集中，上下夾具的內(nèi)表面貼有橡膠片。試驗(yàn)分別以10、20、30、40、50 mm·min－1的加載速率對(duì)籽棉進(jìn)行拉伸，每組試驗(yàn)進(jìn)行10 次重復(fù)，從而得到不同加載速率下的拉伸特性曲線。

2 結(jié)果與分析

拉伸試驗(yàn)所得分離后的棉花如圖1 所示，可以觀察到在拉伸過程中單粒籽棉上的纖維斷裂出現(xiàn)情況較少，多為籽棉間相互纏繞的纖維發(fā)生拉伸分離， 且籽棉間纖維分離力小于籽棉纖維斷裂力[12]。故可得知，在籽棉收獲及預(yù)清理裝置設(shè)計(jì)理論計(jì)算過程中，應(yīng)該關(guān)注纖維間分離力。

圖1 拉伸后的籽棉

2.1 拉伸速率對(duì)拉力的影響

由圖2 可知，籽棉間纖維分離力（最大拉力）的總體變化趨勢(shì)是隨加載速率的增加而升高。得到籽棉間纖維分離力（y）與加載速率（x）的效應(yīng)模型如下：y＝0.103 6x2－0.240 4x＋0.802。

由結(jié)果可知：兩者存在相關(guān)關(guān)系（R2＝0.978 8）。籽棉間纖維分離力隨加載速率的增加而增加，主要可能是由于加載速率加大，多處彎曲及連接點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)，連接力累加，籽棉間纖維分離力加大。

圖2 加載速率對(duì)籽棉拉伸特性的影響曲線

2.2 拉伸特性曲線分析

籽棉為粘彈性體[13]，應(yīng)力隨時(shí)間呈非線性變化，拉伸曲線符合Kelvin 模型響應(yīng)曲線。 對(duì)加載速率為40 mm·min－1時(shí)的籽棉拉伸過程進(jìn)行分析，所得籽棉拉伸曲線如圖3 所示。

圖3 加載速率40 mm·min－1 的下籽棉拉伸曲線

從拉伸曲線（圖3）可以看出，拉力（載荷）變化過程大致可分為3 個(gè)階段：第1 階段，隨著拉伸長度從零逐漸增大，越來越多的纖維逐漸繃緊，所以拉力表現(xiàn)為快速增大；第2 階段，隨著拉伸長度持續(xù)增大，越來越多的纖維被拉伸繃緊，同時(shí)越來越多已經(jīng)繃緊的纖維逐漸發(fā)生分離，此過程中，被拉伸繃緊纖維數(shù)量增加速率基本接近分離纖維數(shù)量增加的速率，因此，拉力表現(xiàn)為基本穩(wěn)定狀態(tài)；第3階段，拉伸長度繼續(xù)增大，超過了大多數(shù)纖維承受范圍，大多數(shù)被分離或者繃緊，繃緊纖維的數(shù)量快速減少，拉力表現(xiàn)為快速下降，直到長纖維全部被分離，拉力消失。

3 結(jié)論

籽棉間纖維分離力為同鈴殼內(nèi)籽棉纖維體間拉伸分離力， 與棉纖維強(qiáng)度檢測(cè)的纖維斷裂力不同， 且籽棉間纖維分離力小于籽棉纖維斷裂力，故可得知在籽棉收獲及預(yù)清理裝置設(shè)計(jì)理論計(jì)算過程中，應(yīng)以籽棉間纖維分離力為理論依據(jù)。

拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明， 因籽棉纖維長度不一的特點(diǎn)，通常拉力隨拉伸長度的增大而快速增大，當(dāng)達(dá)到最大值附近時(shí)，表現(xiàn)基本穩(wěn)定狀態(tài)，拉力快速下降直至完全為零；且籽棉間纖維平均分離力隨加載速率的增加而呈線性增加，與拉伸速度相關(guān)（R2＝0.978 8）。