棉稈拔除阻力測定臺架設計與試驗

中圖分類號：S223 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0028-08

Abstract：Accuratemeasurementof thesoilresistanceofrotsystemduringcotonstalkuproting isaprerequisiteforoptimizing thedesignof cotton stalk uproting equipmentandachieving eficientcoton stalk uproting.This paper proposesa method formeasuring thecoton stalkuprotingresistance and designs a measurement bench.Innovatively，twothree-dimensional forcesensors weresymmetricallyarranged toacquiretheaxialandradialforcerespectivelyduringcottonstalkuproting.The experiment wasconducted basedonfactors such as uprooting speed，uproting angle andclamping height，andtheresults showed thatthedesign programmecouldsimultaneouslymeasuretheradialandaxialforceactingonthecotonstalk，duringtheuprooting process，theforceactingonthecotonstalkwasmainlyaxial.Theinfluencedegreeofthe three factorsonthecotonstalk uprooting resistance was uprooting speed gt; uprooting angle gt; clamping height. The ideal combination of uprooting parameters is an uprooting speed of 600mm/s ，an uprooting angle of 60^° ，and a clamping height of 100mm .The bench can efectivelymeasuretheaxialforceandradialforceduringcotonstalkuprooting，whichcanprovideesential theoreticalreference forthe design of the cotton stalk uprooting mechanism.

Keywords：cotton stalk；uprooting resistance；bench；three-dimensional force sensor

0 引言

總產量為 5 618kt^[1] ，以棉花草谷比 5：1 計算[2]，2023年棉稈產量為 28 090kt ，資源量極大。棉稈可以堆肥制肥，還可用作飼料、能源材料、建材和紡織材料2023年我國棉花種植面積達 27881khm² ，棉花的原料，用途廣泛。目前棉稈處理方式仍以粉碎還田為主，該方式雖能夠快速清理棉稈，提高土壤有機質含量，但造成棉稈資源的浪費，且根茬留地后不利于后續(xù)殘膜回收、耕整地和播種等作業(yè)，易將本年的病蟲害帶至下一年[3]。棉稈的機械化收獲是實現資源化利用的前提。棉稈拔除的本質是克服土壤對棉稈根系的錨固力，使棉稈脫離土壤，因此，測定棉稈拔除阻力并分析其影響因素是提高棉稈拔凈率和作業(yè)效率的前提。

當前，國內外學者圍繞棉稈拔除阻力已開展相關研究。李怡等4設計了棉稈起拔力測量裝置，該裝置使用步進電機進行驅動，減少了人工測量產生的速度和角度的誤差，試驗得出起拔力與棉稈直徑成正比，起拔角度對起拔力存在顯著影響，起拔線速度對棉稈起拔力的影響受土壤條件差異影響。劉雄[5]設計了一種移動式棉稈拔取力學參數性能測定裝置，可在靜態(tài)和動態(tài)情況下進行拔取力測量，并研究了起拔角度、起拔線速度、土壤含水率對棉稈起拔力的影響程度，結果表明，起拔角度對棉稈起拔力影響最為顯著，次之為土壤含水率、起拔線速度。Demian為了測試單棵棉稈的拔除阻力，設計了一種安裝在拖拉機三點式液壓懸掛機構上的測量裝置，便于在現場進行調整和移動，試驗測得最大需要 1210N 的力可將棉稈全部拔除。Sun等[7]研究了不同植物的根土錨固強度，拔除試驗表明，玉米、向日葵等主根系植物的莖稈高低和粗細與拔除力峰值呈極顯著相關，灰藜、甜菜等須根系植物呈弱相關。

棉稈拔除過程中通常存在軸向和徑向多維度受力，但現有研究僅使用了一個力傳感器，測得拔除機構運動方向的受力數據，由于拔除角度不明確，該力難以分解為棉稈所受軸向力和徑向力。準確采集棉稈軸向和徑向的受力數據，對于確定棉稈發(fā)生拔除斷裂的原因，從而提高拔凈率和改善作業(yè)質量十分重要。針對這一問題，本文采用三維力傳感器，設計棉稈多維拔除阻力測定臺架，開展不同拔除條件對拔除阻力的影響研究，有助于后續(xù)提升拔稈作業(yè)質量和效率。

1總體結構與工作原理

1.1 總體結構

棉稈拔除阻力測定臺架整體結構如圖1所示，主要由機架、調節(jié)機構（a）、夾持機構（b）、測控系統(tǒng)（c）等組成。調節(jié)機構由角度圓盤、高度側板、滑軌、位移傳感器等組成，安裝在機架的前端，可實現拔除角度（0^°～90^°） 和夾持高度 （0～500mm） 的調節(jié)。夾持機構由夾持裝置、2個三維力傳感器組成，與滑軌連接，可在拔除時測量棉稈夾持點所受的軸向力與徑向力。測控系統(tǒng)由四通道變送器、數據采集卡、電壓轉換器、PLC控制器、觸摸屏、電源及伺服驅動電機等組成，負責控制電機啟停并實時采集保存?zhèn)鞲衅鞯臄祿?/p>

圖1棉稈拔除阻力測定臺架總體結構

Fig.1 Overall structure of the cotton stalk uprootingresistance measurement bench

1.地腳撐2.電源3.減速器4.伺服電機5.機架6.四通道變送器7.PLC控制器8.觸屏控制器9.定滑輪10.數據采集卡11.24V轉換電源 12.高度側板13.角度圓盤14.位移傳感器15.滑軌滑塊 16.滑塊一夾具連接板17.三維力傳感器18.夾塊19.傳感器—滑塊連接板

1.2 工作原理

本臺架通過PLC控制電機的啟動和停止，LabVIEW測量程序采集數據。棉稈拔除過程如圖2所示。試驗前，在設定夾持高度使用夾具對棉稈進行夾持預緊，并設置好拔除速度、拔除角度和拔除距離等參數。開始后，通過PLC控制電機，驅動滑軌及夾持機構沿著滑塊向設定的方向移動，完成棉稈的拔除作業(yè)。LabVIEW數據測量采集系統(tǒng)同步采集2個三維力傳感器與位移傳感器的信號，并對數據進行保存，便于后續(xù)的數據分析處理。

圖2棉稈拔除過程示意圖

Fig.2Schematic diagram of cotton stalk uprooting process

假設棉稈根系在拔除過程中所處位置不發(fā)生變化，忽略棉稈彎曲變形，棉稈受力簡圖如圖3所示。其中，棉稈所受徑向力可以分解為正交兩個方向的力，棉稈作為橫觀各向同性的非均質材料，可認為具有對稱性[8，9]，因此只考慮在拔除運動平面內的徑向力。由圖3可知，棉稈所受軸向力 F_a 和徑向力 與力傳感器測得的力 F_x ！ F_z 存在如式（1）所示的關系。

式中： h ——夾持高度， mm s 拔除位移， mm α （204號 拔除角度， （^°） ：F_a （20 棉稈所受軸向力，

F， 棉稈所受徑向力，N；

F_x 三維力傳感器 X 軸方向受力，N；

F_z （204號 三維力傳感器 Z 軸方向受力，N；

β （204號 棉稈所受徑向力 F_r 與傳感器 Z 軸方向受力 F_z 的夾角， （^°） 。

圖3棉稈拔除過程受力簡圖 Fig. 3Stress diagram of cotton stalk removal process

1.3 硬件選型

參考文獻[10，11]所述，并結合前期調研數據，選擇以下硬件，可以滿足各種不同拔除條件下棉稈拔除阻力的測定需求。具體名稱型號及參數如表1所示。

表1棉稈拔除阻力測定臺架硬件選型及參數

Tab.1Hardware types and parameters of cotton stalk uprooting resistance measurement bench

2 關鍵部件設計

2.1 調節(jié)機構設計

現有部分拔除阻力測定裝置1是通過線繩直接拉動夾持棉稈的夾具，雖然結構簡單、操作方便，但在拔除過程中拔除角度不能維持預設狀態(tài)不變。如圖4所示，本臺架采用軌道與夾具直接連接的方式，能有效保證拔除角度一直處于預設狀態(tài)。同時，將角度與高度調節(jié)集成于一處，設計角度圓盤和高度側板。角度圓盤按等比例分割，可以進行 0^°～90^° 內的角度調整；高度側板裝夾在機架兩側，可以根據實際棉稈位置確定夾持高度。

圖4調節(jié)機構示意圖

Fig.4 Schematic diagram of adjustment mechanism

1.滑軌2.固定架3.拉線板4.定滑輪5.滑塊 6.角度圓盤7.高度側板8.位移傳感器

2. 2 夾持機構設計

夾持機構是實現拔除機構與棉稈有效固定的關鍵，不能有效固定則無法成功拔除棉稈。為實現快速便捷的夾持，夾持機構采用了外部夾持部件與內部分離式夾塊相組合的設計方案。如圖5所示，外部夾持部件使得2個三維力傳感器在拔除過程中可以對稱分布在棉稈兩側，通過銷軸與夾塊連接。內部分離式夾塊采用櫸木材質，原因為：（1）木質材料摩擦力大，在拔除過程中不容易滑脫；（2）櫸木為優(yōu)良硬木，堅固、抗沖擊，通過比較相關文獻12中櫸木、棉稈的各項力學性能數據，得出其各項力學性能指標均優(yōu)于棉稈；（3）結構簡單，成本低廉，易于更換。通過更換不同的夾塊可以適應不同粗細的棉稈，可夾持直徑范圍為 6～20mm 。

圖5夾持機構設計

Fig.5Design of clamping mechanism

1.木質夾塊2.傳感器—夾具連接件3.三維力傳感器 4.傳感器—滑塊連接板5.滑塊6.固定支架 7.支架固定板8.鍍鉻硬軸9.滑軌連接件10.張緊彈簧

三維力傳感器也稱為三軸力傳感器，與普通單軸力傳感器相比，三維力傳感器能夠全面準確反映物體的受力狀態(tài)，它既保證了被測力分量靈敏度的單調性和一致性，還解決了被測分量引起的軸與軸之間的干涉問題，進一步提高了測量的精度和穩(wěn)定性[13]。本文研究的對象是棉稈拔除過程中所受拔除阻力，前文提到，棉稈拔除過程中不僅受到軸向力，同時還受到徑向力的影響，為了能夠同時測量棉稈所受正交方向的兩個力（實際上是3個力，考慮到棉稈只在一個平面內運動，假設根系受力關于該平面對稱，那么棉稈垂直于該平面的徑向力為0），選擇使用三維力傳感器測量棉稈拔除阻力。為了試驗過程中裝夾棉稈方便，采用2個三維力傳感器對稱分布在棉稈兩側的方案。參考文獻[14，15]中的棉稈拔除阻力數據，最大值絕大部分為 200～1000N 。為保證測定精度和安全使用壽命，兩個傳感器量程上限都為 1000N 。綜上所述，如圖6所示，選擇了3F20M三維力傳感器。

圖6三維力傳感器示意圖

Fig.6Schematic diagram of the three-dimensional force sensor

2.3 測控系統(tǒng)

針對田間試驗對不同參數組合的需求，設計了臺架測控系統(tǒng)。選擇PLC控制器作為控制端，可根據試驗方案控制電機轉速、轉向和轉動角度，從而調整棉稈拔除速度、拔除位移，實現復位操作等；筆記本電腦作為采集端，基于LabVIEW軟件編寫了數據測量采集程序，采集力傳感器和位移傳感器的數據。圖7為測控系統(tǒng)設計框圖，圖8是測定程序的流程。

圖9拔除角度測定示意圖

3試驗條件與方法

3.1 試驗條件

棉稈拔除阻力測定試驗于2023年11月在江蘇省鹽城市大豐區(qū)上海棉花原種場內進行。該地位于江蘇沿海（黃海）中部，是長江和黃河東流人海泥沙長期淤積而成的濱海平原，屬于亞熱帶與暖溫帶的過渡地帶，適宜喜溫作物的生長[16]。試驗田的棉花品種為鹽棉118，棉稈行距 750mm ，株距 160mm 。為方便夾持、減少棉稈側枝影響、降低測量誤差，選擇生長態(tài)勢良好、未受蟲害、直徑相當、莖稈挺拔且完好無損的棉稈，并將中部以上的主莖和側枝全部去除，保留下部主莖作為試驗對象。試驗地土壤含水率為 22.14% ，棉稈含水率為 61.4% ，棉稈的直徑區(qū)間為 8～14mm 。

3.2 試驗方法

棉稈拔除阻力受多重因素的影響，棉稈根系狀態(tài)、土壤條件等客觀因素屬于不可控制的變量，但棉稈收獲機械可以調整工作參數以降低拔除阻力，提高工作效率。因此，為探究不同拔除條件對棉稈拔除阻力的影響程度，選擇拔除角度、拔除速度、夾持高度作為田間試驗因素，拔除角度和夾持高度通過調節(jié)機構進行參數調節(jié)，拔除速度通過PLC控制電機轉速實現調節(jié)。

3.2.1 試驗因素確定

1）拔除角度。通過調節(jié)高度側板和角度圓盤，設置棉稈夾持高度和拔除角度，如圖9所示。為研究拔除角度對棉稈拔除阻力的影響，選取的拔除角度分別為 30^°?60^° 和 90^° 。

2）拔除速度。拔除速度即伺服電機的線速度。選用SD110AEA18030—SH3型號伺服電機，額定轉速為3000r/min ;減速器型號為NMRV63，減速比 i=10 ；帶輪直徑為 82mm 。參考文獻[17-19]中的試驗數據，機具最快前進速度為 1 000mm/s ，故拔除速度選用 v₁= 100mm/s，v₂=600mm/s，v₃=1100mm/s 三個水平，分別計算出電機對應的轉速為： n₁=232.91r/min_?n₂= 1 397.46r/min.n₃=2 562r/min 。最大轉速小于電機的額定轉速，滿足試驗需求。

3）夾持高度。棉稈拔除作業(yè)時，降低夾持高度可減少棉稈所受彎矩，但拔除高度過低易導致拔稈機構與地面發(fā)生干涉，考慮上述影響，同時參考部分農作物收獲機械的作業(yè)高度為 100～300mm^[20，21] ，選擇100mm，150mm，200mm 的夾持高度進行試驗。

3.2.2 試驗設計

選定拔除角度、拔除速度、夾持高度作為試驗因素，拔除阻力峰值為響應值，進行三因素三水平正交試驗，如表2所示。為判斷試驗的結果是否由誤差引起，在設計正交設計表時添加一列空白列。按照L₉（3⁴） 建立正交試驗表[22]

表2試驗因素與水平編碼表 Tab.2 Test factors and horizontal coding table

4試驗結果與分析

4.1棉稈拔除阻力與拔除位移的關系

棉稈拔除阻力實時變化曲線如圖10所示，整體變化規(guī)律是拔除阻力隨位移呈先升后降變化趨勢，棉稈根系上行位移逐漸增大，對應的拔除阻力逐漸增加，到達峰值后逐漸降低。該曲線趨勢與已有文獻研究的拔除阻力曲線近似，可判斷臺架測量方案合理，真實可行。拔除位移在 0～225mm ，可以將棉稈成功拔除。拔除阻力峰值范圍為 210～360N 。

后最終棉稈被完全拔除，拔除達到峰值后，阻力歸零，完成拔除過程。

4.2 不同拔除因素對拔除阻力的影響

通過單因素試驗，分析單個拔除因素不同水平對拔除阻力的影響規(guī)律，結果如圖11所示。選取拔除速度為 600mm/s. 夾持高度為 150mm 、拔除角度為 30^° 、60^° 和 90^° ，進行拔除角度單因素試驗。試驗結果如圖11（a）所示， 30^° 拔除阻力峰值最大， 60^° 拔除阻力峰值最小，整體呈先降后升的趨勢。該結果與文獻［3，23]結果不一致，分析其原因： 30^° 時棉稈拔除狀態(tài)會更偏向于橫向拔除，因為試驗地棉稈根系結構為塔形居多，側根及須根繁多，需要同時克服橫向和側向的拔除阻力[24，25]，因此該角度拔除阻力最大； 60^° 時棉稈整體傾斜，拔除過程中，只受主根與部分側根的拔除阻力，此時所受的徑向力較小，因此該角度拔除阻力最??；90^° 時棉稈需要克服主根和全部側根的拔除阻力，該角度拔除阻力也較大。

圖10棉稈拔除阻力一拔除位移關系 Fig.10 Relationship between uprooting resistance and displacement of cotton-stalk

由圖10可知，初始AB階段，棉稈受到拉拔動作后，克服與土壤間的黏附阻力，根系迅速向上，拔除阻力急劇上升，隨著棉稈逐漸上移，根系在土壤中也向上移動，二者間相互作用，拔除阻力持續(xù)增加，隨后到達峰值；BC段，隨著根系與土壤發(fā)生破壞而開始下降，由于主根與須根長度不一，造成其在土壤中斷裂產生的阻力具有不規(guī)則的波動，棉稈主根與側根發(fā)生斷裂，隨選取拔除角度為 60^° 、夾持高度為 150mm 、拔除速度為 100mm/s，600mm/s 和 1100mm/s ，進行拔除速度單因素試驗。試驗結果如圖11（b）所示，拔除阻力峰值呈先降后升的趨勢，在 600mm/s 時最小，在1100mm/s 時最大。拔除速度為 100mm/s 時，棉稈向外拔除的時間長，根系在土壤中位移時間長，導致棉稈與土壤之間的黏附力增加，從而需要較大的拔除阻力；隨著速度增加至 600mm/s 時，兩者的作用力不穩(wěn)定，拔除阻力有所降低，文獻[26，27]認為，其原因可能是根系在土壤中以不同速度移動，由低速至高速所受的剪切力并不是呈現穩(wěn)定的線性增長，而因根王間復雜的力學特性，會出現一個臨界值，使得整體受力表現出明顯的非線性特點。在拔除速度為 1100mm/s 時，棉稈被迅速拔除，停留在土壤的時間短，電機的轉速提高[28]，導致拔除棉稈的瞬時峰值力大。選取拔除角度為 60^° 、拔除速度為 600mm/s 、夾持高度為100mm，150mm 和 200mm ，進行夾持高度單因素試驗。試驗結果如圖11（c）所示，拔除阻力峰值整體呈遞增趨勢，在夾持高度為 100mm 時最小。因為夾持高度的增加，棉稈在拔除過程中所彎曲程度增加，使得所受徑向力增加，從而整體拔除阻力也隨之增加。同時，棉稈強度和韌性越往上越低，為保證拔稈效果拔除位置應該靠近底部。綜上所述，為降低棉稈拔除阻力，可呈一定的角度起拔，拔除速度需注意不宜過快，夾持高度盡量接近棉稈下部。

4.3軸向力與徑向力變化規(guī)律

為分析棉稈拔除阻力對棉稈的具體作用，以3個拔除因素下3種不同水平共計9組參數組合的試驗結果繪制軸向力和徑向力隨拔除位移變化的關系圖。如圖12所示，軸向力值整體均大于徑向力值。由圖12（a）可知，棉稈在拔除過程中，所受軸向力和徑向力隨拔除角度變化顯著。圖12（a）中徑向力在 25～ 50mm 有一定波動的原因：（1）在試驗設備啟動前夾具已對棉稈產生預緊力；（2）棉稈根系在土壤中受力規(guī)律不是線性變化。由圖12（b）可知，棉稈在拔除過程中，所受軸向力隨拔除速度變化顯著，所受徑向力隨拔除速度變化不大。由圖12（c）可知，棉稈在拔除過程中，所受軸向力和徑向力隨夾持高度變化顯著。綜上，棉稈拔除角度、拔除速度、夾持高度對棉稈拔除過程中軸向力影響較大，拔除角度、夾持高度對徑向力影響較大。根據文獻[29，30可知，棉稈抗拉強度要遠大于抗彎強度和抗剪切強度，因此，應盡量減少棉稈拔除過程中所受徑向力，根據本試驗的結果，應盡量采用傾斜低速拔除，且拔除高度盡量低。

4.4 三因素正交試驗結果與分析

通過SPSS27.0軟件在顯著性水平 α=0.05 下，對各因素進行方差分析，試驗結果與極差分析如表3所示，其中 A，B，C，D （空列）為因素編碼值。方差分析如表4所示[31]。

表3試驗結果與極差分析Tab.3Test results and range analysis

表4正交試驗方差分析結果Tab.4Results of variance analysis of orthogonal experiment

由表3可知，本次試驗測量的棉稈拔除阻力峰值最小值為 208.67N ，最大值為 352.9N 。3個拔除因素對拔除阻力的影響主次順序為 B，A，C ，由于在實際作業(yè)過程中，需要獲得較小的拔除阻力[32]，則 K 值數據越小越匹配，較優(yōu)方案為 B₂A₂C₁ ，即拔除速度為600mm/s ，拔除角度 60^° ，夾持高度 100mm 。

由表4可知，拔除速度和拔除角度對棉稈拔除阻力峰值影響顯著，而夾持高度對拔除阻力峰值影響程度小。該結果與相關棉稈拔除阻力文獻得出的拔除角度與拔除速度對棉稈拔除阻力的影響程度顯著的結論一致[4]。拔除角度和拔除速度兩因素之間的交互作用對試驗結果影響不顯著，說明二者相互獨立，對拔除阻力的影響規(guī)律不隨另一因素的變化而變化。

5 結論

1）設計一種棉稈拔除阻力測定裝置，結構上采用在棉稈兩側對稱布置三維力傳感器的方案，精確地測定出棉稈拔除過程中所受軸向力與徑向力。繪制拔除阻力實時變化曲線，證明臺架方案的可行性。試驗表明，棉稈在各參數組合條件下，所受阻力主要為軸向力，測得最大值為 405.56N ，最小值為 184.49N ；所受徑向力較小，測得最大值為105.83N，最小值為 10.27N 。

2）對不同拔除條件下測得的拔除阻力結果進行極差與方差分析，結果表明，拔除三因素對棉稈拔除阻力的影響顯著程度順序：拔除速度 gt; 拔除角度 gt; 夾持高度。較為理想的拔除參數組合：拔除速度為600mm/s ，拔除角度為 60^° ，夾持高度為 100mm ，為后續(xù)拔稈機械降低拔除阻力、提高拔稈效果提供一種參考。

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