不同成熟度機采棉采摘力學特性試驗

張龍唱，張宏文，王磊，傅秀清，李樹峰，王軍，谷艷清

(1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，新疆 石河子 832003；3.南京農(nóng)業(yè)大學，江蘇 南京 210031)

棉花是錦葵科棉屬植物的纖維，原產(chǎn)地位于亞熱帶地區(qū)，品種繁多，用途廣泛，是世界上重要的經(jīng)濟作物，對中國以及世界經(jīng)濟的發(fā)展具有重要作用.世界主要棉花產(chǎn)區(qū)位于中國、美國、印度、烏茲別克斯坦、埃及等地，棉花具有產(chǎn)量高、生產(chǎn)成本低等特點，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，棉花的用途也越來越廣泛，主要用于紡織、精細化工原料以及國家重要戰(zhàn)略物資等[1-2].

在棉花種植業(yè)中，收獲是其中最關(guān)鍵的一環(huán)，棉花收獲方式主要有2種，即人工采收與機械采收.人工采收棉花含雜率低，纖維品質(zhì)高，但耗時耗力，工作效率低且成本高，降低了棉花的經(jīng)濟效益；機械采收棉花工作效率高，采收成本低，但含雜率較高且機械采收易損傷棉纖維.近年來隨著農(nóng)業(yè)機械化進程的不斷發(fā)展，新疆機采棉種植面積達264.4萬hm2，機械化采收率已超過42%，棉花機械化采收技術(shù)已漸成熟[3-5].

在機械采收過程中，棉花采摘力學特性是影響棉花收獲的重要因素，也是設計棉花收獲機械的重要依據(jù).Friesen等在研究新品種抗風暴棉時提出棉花與鈴殼間分離力與鈴殼開放角度有關(guān)[6]；前蘇聯(lián)科學家通過單因素試驗對比分析了下霜前后棉花與鈴殼間分離力的變化規(guī)律[7]；李勇通過單因素試驗探究了一天中不同時段棉花與鈴殼間分離力與棉花含水率的關(guān)系，提出棉花含水率對棉花鈴殼分離力有較顯著影響[8]；史諾等通過中心組合試驗分析了含水率、取樣部位以及加載強度對棉桿擠壓剝皮剪切力學特性的影響規(guī)律，為設計高效、低耗的棉桿剝皮設備提供了理論參考[9]；張宏文研究了‘新陸早26號’機采棉棉鈴及棉株的物理參數(shù)，同時測量了棉株各部分的連接力以及棉花與膠棒間的摩擦系數(shù)，為膠棒滾筒棉花采摘頭的設計提供了理論支持[10]；王修山等研究了棉花鈴殼殼重率對絨長、衣分的影響，建立了棉鈴體積測算模型，為進一步分析棉花的經(jīng)濟效益提供了基礎[11]

綜上所述，國內(nèi)外針對機采棉采摘力學特性的研究較少且較為基礎，未考慮棉花成熟度、棉花品種以及多因素交互作用對機采棉采摘力學特性的影響規(guī)律.針對上述問題，本文以棉花噴灑脫葉劑后的時間作為棉花成熟度的衡量指標，以棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力為機采棉采摘力學特性指標，通過全因子試驗研究棉花含水率、棉花成熟時間以及棉花品種對棉花采摘力學特性的影響，建立各影響因素與機采棉采摘力學特性的回歸模型，分析多因素綜合影響對機采棉采摘力學特性的影響規(guī)律，為尋找棉花的合理采收時間以及確定棉花收獲機械設計參數(shù)的合理范圍提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗因素

機采棉品種、含水率以及成熟度對機采棉采摘力學特性均有一定影響[7-8]，同時機采棉機械化采收過程中對棉花含水率、棉花成熟度有一定要求[12]：棉花含水率≤12%，棉鈴吐絮率≥85%，脫葉率≥80%.機采棉生長到一定時間須通過噴施脫葉劑使葉子脫落為機械化采收做準備，因而本文以棉花噴灑脫葉劑后的時間作為棉花成熟度的衡量指標，以下稱該指標為棉花成熟時間.綜上，本文選取棉花品種、棉花含水率、棉花成熟時間為試驗因素；機采棉含水率過低在機械化采收時容易引發(fā)火災[13]，含水率過高會影響機采棉加工且不利于機械化采收[12]，本文選取含水率水平范圍為：4%～12%；查閱脫葉劑脫葉效果的相關(guān)文獻，脫葉劑噴施15 d后即可滿足機采棉脫葉率以及吐絮率要求[14]，同時考慮到采棉機作業(yè)時間約為30 d，因而本文選取棉花成熟時間范圍為15～45 d.

1.2 試驗材料

在新疆采棉機械化的實施過程中，將按機械收獲方式種植的棉花稱為機采棉，且經(jīng)過幾十年的棉花種植實踐，新疆棉區(qū)機采棉形成了特有的“矮、密、早”生長特性.本文以新疆石河子地區(qū)具有代表性的機采棉品種‘新陸中66號’‘中棉293號’為試驗對象，樣本取自取自石河子146團六分場七連，試驗棉田采用66 cm+10 cm的寬窄行種植模式(適應機械化棉花收獲)，于2019年4月25日播種，9月10日噴灑脫葉劑.為避免其他未知因素干擾，保證試驗結(jié)果的有效性，在噴施脫葉劑當天，選取長勢良好、無病蟲害的棉株，考慮到棉桃成熟時間、采光效果以及棉花品質(zhì)，將棉株自下而上第四果枝靠近主莖處的棉花作為試驗樣本進行標記，試驗材料分別于9月25日、10月2日、10月9日、10月16日、10月23日中午12時采樣，共采樣5批次.

1.3 試驗儀器設備

棉花采摘力學特性測試試驗臺如圖1所示，可進行棉花與鈴殼間分離力以及棉花自身扯斷力的測試.

圖1 棉花采摘力學特性測試試驗臺Figure.1 Experiment table of the mechanical properties of cotton picking test

試驗過程中所用儀器如下：HY-0580電子萬能材料試驗機、美國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(佳能中國，有效像素：1 510萬)、101-1BS電熱鼓風干燥箱、德國Sartorius MA100快速水分測定儀(量程0～100 g，精度0.1 mg，可讀性0.001%，溫度設定40℃～230℃)，SPS402F精密電子天平(美國Ohaus Scout Pro，量程0～400 g，精度0.01 g)、皮尺、鋼板尺等.

1.4 試驗方法

1.4.1 樣品制備 為探究含水率對棉花采摘力學特性的影響，需制備不同含水率水平的棉花.參照GB/T 6102.1-2006含水率的測定方法，將采集的棉花進行抽樣檢測，初步測得樣品的棉花含水率(干基)，然后采用先復水后烘干的方法獲取不同水平含水率.試驗設定棉花含水率的取值范圍為4%～12%，將每批次樣本平均分為5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間以保證含水率均勻穩(wěn)定，然后將5組樣本分別放入干燥箱中，間隔一定時間測定含水率，達到含水率預設值時取出，裝入保鮮袋中封存[15-16].

測定試樣含水率時，將干凈的干燥紙放入MA100水分測試儀鋁碟中，儀器重新置零.用尖彎嘴鑷子將試樣放入MA100水分測試儀干燥紙上.稱重并記錄烘干前試樣的質(zhì)量，準確至0.001 g.設定水分測試儀以(105±3)℃對試樣進行烘干，當烘干完成后，儀器自動停止加熱并發(fā)出提示音，此時讀取并記錄烘干后試樣的質(zhì)量[12].含水率的計算公式如下：

(1)

式中，W為所測棉花的含水率，%；G為試樣烘干前的質(zhì)量，g；G0為試樣烘干后的質(zhì)量，g.

1.4.2 棉花與鈴殼間分離力的測定 測試時，在每個棉鈴上任取兩瓣棉花進行棉花與鈴殼間分離力測試，通過機臺的臺鉗將棉柄垂直夾持在機臺的臺盤上，棉花夾持在推拉力計的測試端，然后調(diào)整棉柄在臺盤上的夾持位置，使棉柄、棉花夾持點以及推拉力計的測試桿處于同一垂直線上.為避免試驗時存在加速度導致試驗結(jié)果不準確，以及提高試驗效率，試驗中電動機臺以90 mm/min的速度勻速將棉花與鈴殼分離，并通過計算機終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗數(shù)據(jù)[10].

1.4.3 棉花自身扯斷力的測定 對上述試驗中同一棉鈴上剩余兩瓣棉花進行棉花自身扯斷力測試，測試時將棉花完整的從鈴殼上取下，調(diào)整機臺，棉花的兩端分別夾持在推拉力計夾具、機臺夾具上，推拉力計置零，開始測試.為避免試驗時存在加速度導致試驗結(jié)果不準確，以及提高試驗效率，試驗中電動機臺以90 mm/min的速度勻速將棉花與鈴殼分離，并通過計算機終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗數(shù)據(jù)[10].

1.4.4 試驗設計 采用全因子試驗設計，以棉花品種、棉花含水率、棉花成熟時間作為影響因子，以棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力為響應指標，試驗因子與水平編碼表如表1所示.制定全因子試驗方案，安排50組試驗，每組試驗重復10次，取平均值作為試驗結(jié)果[19-24]，試驗方案及結(jié)果見表2.

表1 試驗因素與水平編碼

表2 全因子試驗方案與結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花采摘力學特性及其影響因素的極差分析

對上述試驗數(shù)據(jù)進行極差分析，如表3所示.由極差分析結(jié)果可知，對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：成熟時間>含水率>棉花品種，且成熟時間對棉花與鈴殼間分離力的影響遠大于含水率和棉花品種；在含水率為4%、12%時，棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力取到最大、最小值；在成熟時間為29、43 d時，棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力取到最大、最小值.

表3 棉花采摘力學特性的極差分析

2.2 棉花采摘力學特性及其影響因素的方差分析

極差分析法無法區(qū)分試驗中由試驗條件改變引起的數(shù)據(jù)波動和試驗誤差引起的數(shù)據(jù)波動，為了彌補極差分析法的缺陷，本文采用SPSS對試驗結(jié)果進行方差分析，得到不同成熟度棉花采摘力學特性方差分析結(jié)果，如表4所示.方差分析結(jié)果表明，含水率、成熟時間以及棉花品種對棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力的影響均極顯著(P<0.01)，對于棉花與鈴殼間分離力，各影響因素F值由大到小的順序為：成熟時間>棉花品種>含水率，對于棉花自身扯斷力，各影響因素F值由大到小的順序為：成熟時間>含水率>棉花品種，這與極差分析結(jié)果略有差異[25-30].

表4 棉花采摘力學特性的方差分析

2.3 單因素對棉花采摘力學特性的影響

對表2數(shù)據(jù)各因素水平下棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力求取平均值，如表5所示.

針對不同品種棉花，分別以棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力為縱坐標(y)，以含水率、成熟時間為橫坐標(x)，對表5數(shù)據(jù)進行回歸分析，回歸分析結(jié)果如表6所示.由表6可知，對于2個品種棉花，成熟時間與棉花與鈴殼間分離力呈顯著非線性相關(guān)(P<0.01，R2>0.88)，成熟時間與棉花自身扯斷力呈顯著非線性相關(guān)(P<0.01，R2>0.93)，含水率與棉花自身扯斷力呈極顯著正相關(guān)(P<0.01，R2>0.99)，含水率與棉花與鈴殼間分離力呈極顯著負相關(guān)(P<0.01，R2>0.99)[31-35].

表5 試驗結(jié)果因素指標分析

表6 棉花采摘力學特性與其影響因素的回歸分析結(jié)果

根據(jù)表6回歸模型，繪制成熟時間與棉花采摘力學特性的影響關(guān)系曲線，如圖2所示.由圖2可知，成熟時間對棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力的單因素效應曲線均為拋物線.對于上述2種機采棉，當成熟時間為27 d時，其棉花與鈴殼間分離力近似達到最大值，當成熟時間大于或者小于27 d時，棉花與鈴殼間分離力均呈現(xiàn)下降趨勢.棉花在成熟過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，棉株停止對棉花的營養(yǎng)供應，棉花與鈴殼間分離力逐漸減小.

對于上述2種機采棉，當成熟時間為34 d時，其棉花自身扯斷力近似達到最大值，當成熟時間大于或小于34 d時，棉花自身扯斷力均呈現(xiàn)下降趨勢，在測試區(qū)間內(nèi)，棉花自身扯斷力呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢.從圖中可以看出，在成熟時間相同的條件下，棉花自身扯斷力始終大于棉花與鈴殼間分離力，較大的棉花自身扯斷力使棉花不被扯斷，同時較小的棉花與鈴殼間分離力使棉花容易采摘，保證了棉花的有效采摘.

圖2 不同品種機采棉成熟時間與棉花采摘力學特性的影響關(guān)系Figure 2 Relationship between ripening time of different cotton varieties and the mechanical properties of cotton picking

根據(jù)表5回歸模型，繪制含水率與棉花采摘力學特性的影響關(guān)系曲線，如圖3所示.由圖3可知，當含水率為4%時，棉花與鈴殼間分離力最大，棉花自身扯斷力最小；當含水率為12%時，棉花與鈴殼間分離力最小，棉花自身扯斷力最大.棉花與鈴殼間分離力與含水率總體呈負相關(guān)關(guān)系，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.從圖中可以看出，在含水率相同的情況下，棉花自身扯斷力始終大于棉花與鈴殼間分離力，保證了在棉花采摘過程中既能完整采下棉花，又不把棉花扯斷，有助于提高采棉質(zhì)量.因此在棉花采摘過程中，在合適的含水率范圍內(nèi)，含水率越高棉花采摘效果越好.

圖3 不同品種機采棉含水率與棉花采摘力學特性的影響關(guān)系Figure 3 Relationship between the moisture content of different varieties of cotton and the mechanical properties of cotton picking

2.4 雙因素對棉花采摘力學特性的影響

采用數(shù)據(jù)處理軟件Design Expert10對表5數(shù)據(jù)進行分析，得到上述2種機采棉成熟時間、含水率與棉花自身扯斷力、棉花與鈴殼間分離力的響應曲面圖，如圖4～5所示.

由圖4可知，對于2品種的棉花，隨著棉花含水率的提高，棉花與鈴殼間的分離力整體逐漸減小；隨著成熟時間增加，棉花與鈴殼間分離力整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且相對于含水率，棉花成熟時間對棉花與鈴殼間分離力的影響更大.當成熟時間近似為29 d，含水率近似為4%時，棉花與鈴殼間分離力達到最大值；當成熟時間近似為43 d，含水率為12%時，棉花與鈴殼間分離力達到最小值；上述分析與單因素效應下棉花與鈴殼間分離力取得最大值、最小值的條件相同，進一步驗證了單因素分析的結(jié)果.

圖4 含水率、成熟時間對棉花與鈴殼間分離力的影響Figure 4 Effect of the moisture content and the ripening time on the force of the cotton separating from cotton boll shell

圖5 含水率、成熟時間對棉花自身扯斷力的影響Figure 5 Effect of the moisture content and the ripening time on the force of the tearing force of the cotton wool itself

由圖5可知，隨著棉花含水率的提高，棉花自身扯斷力整體逐漸增大；同時隨著成熟時間增加，棉花自身扯斷力整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且成熟時間對棉花自身扯斷力的影響遠大于含水率的影響.當成熟時間近似為29 d，含水率近似為12%時，棉花自身扯斷力達到最大值；當成熟時間近似為14 d，含水率近似為4%時，棉花自身扯斷力達到最小值；上述分析與單因素效應下棉花自身扯斷力取得最大值、最小值的條件相同，進一步驗證了單因素分析的結(jié)果.對比分析圖4～5，在相同因素水平下，棉花自身扯斷力始終大于棉花與鈴殼間的分離力，與單因素分析結(jié)果相同，這保證了棉花的有效采摘，即在棉花不扯斷的前提下，棉花與鈴殼能夠完整分離.

3 結(jié)論

采用全因子試驗設計，通過對試驗數(shù)據(jù)進行極差分析、方差分析，得出含水率、成熟時間以及棉花品種對棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力的影響均極顯著(P<0.01)，對于棉花與鈴殼間分離力，各影響因素的主次順序為：成熟時間>棉花品種>含水率，對于棉花自身扯斷力，各影響因素的主次順序為：成熟時間>含水率>棉花品種，且成熟時間對棉花采摘力學特性的影響遠大于含水率和棉花品種.

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；同時隨著成熟時間增加，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，并且在相同因素水平下，棉花自身扯斷力始終大于棉花與鈴殼間的分離力.

通過響應曲面圖分析試驗因素對響應指標的影響，當成熟時間近似為29 d，含水率近似為4%時，棉花與鈴殼間的分離力達到理論上的最大值，當成熟時間近似為43 d，含水率為12%時，棉花與鈴殼間分離力達到理論上的最小值；當成熟時間為29 d，含水率為12%時，棉花自身扯斷力達到理論上的最大值；當成熟時間為14 d，含水率為4時，棉花自身扯斷力達到理論上的最小值.

以上研究可為高效、低耗的棉花收獲機械的設計和使用提供參考，同時也可為確定棉花合理收獲條件提供支撐.