同铃壳内籽棉拉伸特性试验与分析

杨海杰，孔凡婷，石磊，陈长林，孙勇飞，谢庆，吴腾

（农业农村部南京农业机械化研究所，南京210014）

我国是棉花主产国，种植面积和生产总量均位居世界前列[1]。收获是棉花生产的关键环节，是用工量最多、劳动强度最大的环节。在采收方面，长期以来以人工为主，近年来，由于劳动力紧张已经严重限制了中国棉花产业发展，棉花机械收获已成为棉花产业发展中亟待突破的瓶颈[2]。

中国现使用的采棉机多为约翰·迪尔、 凯斯等公司生产的水平摘锭式采棉机，其售价昂贵、维护成本高，采收方式对农艺要求高，无法适应长江及黄河流域棉区的中小型棉田，因此仅在新疆建设兵团得到应用， 不能完全适应我国的作业条件和国情[3-4]。 而统收式采棉机具有适应性强、采净率高等优点，且配载高效的籽棉预处理装置可减少籽棉含杂[5]。而统收式采棉机的采收或除杂过程中，如机械力过大对棉花纤维过度拉伸， 会导致单粒籽棉产生，不利于棉花加工，降低棉花品质[6]。因此，研究同铃壳内籽棉拉伸特性，对发展统收式采棉机、推进中国采棉机械化进程具有重要意义

为探索不同作物拉伸特性与力学性能之间相互关系，国内外学者针对不同物料拉伸性能进行了研究：Dhavan 等从棉纤维的载荷- 伸长曲线出发，建立了简单的数学模型来预测单根棉纤维的拉伸性能，并验证了模型的有效性[7]。国内拉伸性能的研究方面，陈争光等[8]、于勇等[9]学者进行了玉米秸秆皮的拉伸和剪切特性的影响规律分析； 刘磊等[10]、汪珽珏等[11]进行了棉花秸秆的力学特性及分析。 籽棉方面的拉伸特性研究多为针对棉花纤维强度的研究，但针对铃壳内籽棉拉断形成单粒籽棉的拉伸特性研究较少[12-13]。

一般情况下每个开裂的棉铃中有6～8 瓣籽棉，棉籽间由长纤维相互连接，棉籽外皮上附有短纤维。 在棉花采收和除杂过程中，棉籽间连接纤维在外力的作用下容易分离形成单粒籽棉，降低棉花品质。 因此，测量籽棉间纤维连接力可以为棉花收获装备采收及预处理部件、工作参数优化和相关仿真分析提供参考。 为此，本研究以同铃壳内籽棉为对象，以不同加载速率对籽棉进行拉伸试验，并对其特性规律进行研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

本试验研究对象为鲁棉研28 号， 样本取自农业农村部南京农机化所白马试验基地内收获期全开裂棉铃籽棉，回潮率7.54%，小于棉花的公定回潮率8.5%。

试验仪器主要有美国Instron 公司的3343 型电子式万能试验机及连接的计算机、 配套夹具；力辰仪器科技有限公司的YP300001D 型电子天平；吴江奥诚烘箱设备有限公司的烘箱。

1.2 试验方法

拉伸试验是在Instron 公司3343 型电子式万能试验机上进行，分别用上下夹具将一瓣铃壳内的籽棉试样相邻的2 粒籽棉进行夹持。 拉伸过程中，下夹具固定不动，上夹具以一定的加载速率向上移动，直到将连接棉籽的纤维分离。 为了避免棉纤维损伤和防止应力集中，上下夹具的内表面贴有橡胶片。试验分别以10、20、30、40、50 mm·min－1的加载速率对籽棉进行拉伸，每组试验进行10 次重复，从而得到不同加载速率下的拉伸特性曲线。

2 结果与分析

拉伸试验所得分离后的棉花如图1 所示，可以观察到在拉伸过程中单粒籽棉上的纤维断裂出现情况较少，多为籽棉间相互缠绕的纤维发生拉伸分离， 且籽棉间纤维分离力小于籽棉纤维断裂力[12]。故可得知，在籽棉收获及预清理装置设计理论计算过程中，应该关注纤维间分离力。

图1 拉伸后的籽棉

2.1 拉伸速率对拉力的影响

由图2 可知，籽棉间纤维分离力（最大拉力）的总体变化趋势是随加载速率的增加而升高。得到籽棉间纤维分离力（y）与加载速率（x）的效应模型如下：y＝0.103 6x2－0.240 4x＋0.802。

由结果可知：两者存在相关关系（R2＝0.978 8）。籽棉间纤维分离力随加载速率的增加而增加，主要可能是由于加载速率加大，多处弯曲及连接点同时出现，连接力累加，籽棉间纤维分离力加大。

图2 加载速率对籽棉拉伸特性的影响曲线

2.2 拉伸特性曲线分析

籽棉为粘弹性体[13]，应力随时间呈非线性变化，拉伸曲线符合Kelvin 模型响应曲线。 对加载速率为40 mm·min－1时的籽棉拉伸过程进行分析，所得籽棉拉伸曲线如图3 所示。

图3 加载速率40 mm·min－1 的下籽棉拉伸曲线

从拉伸曲线（图3）可以看出，拉力（载荷）变化过程大致可分为3 个阶段：第1 阶段，随着拉伸长度从零逐渐增大，越来越多的纤维逐渐绷紧，所以拉力表现为快速增大；第2 阶段，随着拉伸长度持续增大，越来越多的纤维被拉伸绷紧，同时越来越多已经绷紧的纤维逐渐发生分离，此过程中，被拉伸绷紧纤维数量增加速率基本接近分离纤维数量增加的速率，因此，拉力表现为基本稳定状态；第3阶段，拉伸长度继续增大，超过了大多数纤维承受范围，大多数被分离或者绷紧，绷紧纤维的数量快速减少，拉力表现为快速下降，直到长纤维全部被分离，拉力消失。

3 结论

籽棉间纤维分离力为同铃壳内籽棉纤维体间拉伸分离力， 与棉纤维强度检测的纤维断裂力不同， 且籽棉间纤维分离力小于籽棉纤维断裂力，故可得知在籽棉收获及预清理装置设计理论计算过程中，应以籽棉间纤维分离力为理论依据。

拉伸试验结果表明， 因籽棉纤维长度不一的特点，通常拉力随拉伸长度的增大而快速增大，当达到最大值附近时，表现基本稳定状态，拉力快速下降直至完全为零；且籽棉间纤维平均分离力随加载速率的增加而呈线性增加，与拉伸速度相关（R2＝0.978 8）。