棉秆起拔力的影响因素与试验研究

卢永鑫,魏 敏,李卫敏,薛良豪,杨 涛,施宁强,张志阳

(石河子大学 机械电气工程学院, 新疆 石河子 832000)

0 引言

棉花是我国一种非常重要的大田经济作物,生产覆盖24个省市自治区,而新疆作为我国最大的棉花种植地区和最主要的优质棉生产基地,其每年约产750万t的棉花秸秆[1]。棉花秸秆作为还田肥有利于改良土壤团粒结构,实现土地用养结合,促进增产[2],又可作为理想的能源材料[3]、食用菌品种的培养料[4],以及高密度纤维板、隔音板等工业产品原料[5]。因此,棉花秸秆作为较高利用价值的原料资源,充分利用棉花秸秆资源、提高棉花秸秆的综合利用效果,对新疆棉花产业的发展具有良好的前景和经济效益[6-7]。

相关数据表明:目前,人工拔667hm2地棉秆需工时费100元,而采用机械拔秆667m2地需要成本40元[8]。由此可见,采用机械拔除棉秆效率高、成本低,开展棉秆机械收获技术研究已成为我国近年来棉花生产全程机械化技术研究的重点之一[9-11]。棉花拔秆机械在设计过程中,棉秆起拔力是其重要的技术参数,目前国内学者针对秸秆的起拔阻力进行了一定的研究。沈新民分析了土壤条件、棉秆生长情况等因素对棉秆起拔力的影响[12]。谭谦等人研究分析了烟秆直径、土壤条件等因素对烟秆起拔力的影响[13]。以上研究均为本文棉秆起拔力的研究提供了借鉴,但棉秆起拔角度与土壤条件的组合试验对棉秆起拔力的研究还尚未见报道。为此,针对新疆独特的地理环境,为分析棉秆直径、棉秆起拔角度、土壤含水率、土壤坚实度等因素对棉秆起拔力的影响,设计了一种简易的棉秆起拔装置,并采用正交试验的设计方法对不同直径、不同土壤条件下的棉花秸秆进行了田间试验研究,为棉花拔秆机械的设计与选择合适的收获时间提供了参考,有利于减少机械功率消耗及提高棉花秸秆的收获效率。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2017年10-11月在新疆农垦科学院试验田进行。试验中,所测棉花秸秆株高大多在65～130cm之间,并按照长势良好、茎秆笔直、粗细均匀的原则选择棉秆试样[14]。

1.2 方法

1.2.1 棉秆起拔力的测量

棉花根部由主根、侧根和不定根3部分组成,其根系主要集中于16～50cm的土壤中。棉秆在起拔过程中,棉秆根系发生断裂,土壤发生变形,同时还需克服根系与土壤间的黏着力和摩擦阻力等,这些阻力综合形成起拔阻力[15-17]。棉秆在起拔过程中,起拔力随着棉秆秆茎的向上运动而不断变化,取其最大值为本试验起拔力的测量值。由于人工拔秆所测量的起拔力误差较大,因此试验设计了一种起拔力测量装置,其三维模型如图1所示。同时,为了保证所测最大起拔力的准确性,在钢丝绳上每隔2cm做一标记,即当棉秆每移动2cm记录一个数据,直至棉秆被完全拔出。

1.钢丝绳 2.机架 3.滑轮 4.滑轮支撑架 5.手摇绕线轮

1.2.2 起拔角度的确定

由图1可知,起拔角度即为钢丝绳与水平地面的夹角,其可由三角函数关系由式(1)确定,如图2所示。

根据图2可得三角函数关系有

(1)

式中α—起拔角度(°);

H—滑轮与钢丝绳的切点距水平地面的高度(mm);

L—切点与棉秆的水平距离(mm)。

试验中,通过预设起拔角度α,根据式(1)计算出切点与棉秆的水平距离L后,再根据所算值L放置起拔力测量装置,用钢丝绳缠绕夹紧棉秆主茎与地面接触部分,之后人工手动转动右侧手轮,从而使得棉秆按预设起拔角度与土壤分离。在起拔过程中,钢丝绳每移动2cm,记录1次弹簧测力计的读数,直至棉秆从土壤中完全脱离。

1.2.3 棉秆直径的测定

由于棉秆直径在不同高度上大小不一,因此以地表垄面为起点,依次向上每隔10cm测量1处棉秆直径,测3处取其平均值作为棉秆直径的实际值。

1.2.4 土壤坚实度和含水率的测定

综合考虑棉秆根系在地表的分布情况,采用新疆农垦科学院土壤坚实度仪测量地表以下25cm处的土壤坚实度,采用土壤含水率仪测量棉秆根部附近地表以下25cm处的土壤含水率。试验期间土壤坚实度和含水率如表1所示。

表1 土壤条件

1.3 试验设计

以棉花秸秆为试验材料,以棉秆直径、土壤含水率和土壤坚实度为影响因素对棉秆起拔力分别进行单因素试验研究。在单因素试验结果的基础上,采用正交试验设计方法分析棉秆起拔角度、土壤环境条件2种影响因素组合对棉秆起拔力的影响。试验中每个因素的水平数为3个:起拔角度试验水平为30°、45°和50°;土壤环境条件试验水平为含水率13.4%(坚实度536kPa)、15.6%(坚实度465kPa)、16.8%(坚实度330kPa)。因素水平表如表2所示,正交试验表如表3所示。

1.4 试验数据处理

采用Origin 9.0进行绘图,Excel 2013进行平均值处理,SPSS20.0对数据进行处理并进行显著性分析(P<0.05)。

表2 棉秆起拔力正交试验因素水平表

表3 正交试验表头设计L9(32)

2 结果与分析

2.1 棉秆起拔力变化曲线

采用Origin9.0对所测数据进行散点图曲线拟合,所测棉秆起拔力变化曲线如图3所示。图3显示了不同直径棉秆在同一土壤含水率和坚实度的条件下,棉秆起拔力的动态变化。 由图3可知:棉秆在起拔过程中,位移变化为0～16cm,棉秆起拔力的变化可分为2个阶段。①起拔力上升阶段。由于在起拔过程中,棉根需克服土壤黏着力和摩擦力等阻力,起拔力随着棉秆向上运动而逐渐增加,直至棉根的主根和侧根几乎同时断裂时达到其最大值。②起拔力下降阶段。当起拔力达到峰值后,由于棉根主根和侧根的断裂,从而使得起拔力快速下降,最终变为0。

2.2 棉秆直径、土壤含水率和土壤坚实度对棉秆起拔力的影响

以土壤含水率分别为13.4%、15.6%、16.8%,相对应土壤坚实度为536、465、330kPa,起拔角度为45°的条件下,选取棉秆直径范围为7～15cm的棉秆各20根,测其起拔力,并将所测最大起拔力Fmax与棉秆直径D通过Origin 9.0软件绘制直径D—起拔力Fmax散点图,并进行线性拟合,如图4所示。

图3 棉秆起拔力与棉秆位移变化曲线

试验中,土壤含水率为15.6%,对应土壤坚实度为465kPa,起拔角度为30°。

试验中,土壤含水率分别为13.4%、15.6%、16.8%,对应土壤坚实度为536kPa、465kPa、330kPa,棉秆起拔角度为45°;y为棉秆起拔力最大值(N);D为棉秆直径(mm)。

由图4可知:在同一土壤含水率和土壤坚实度的条件下,棉秆起拔力随着棉秆直径的增大而逐步增大,并呈现出线性回归的特点。依次对图4中土壤含水率为13.4%、15.6%、16.8%的条件下,进行线性回归拟合,并得到如下线性回归方程,即

y13.4%=45.605D+90.64

(2)

y15.6%=27.189D+185.40

(3)

y16.8%=42.999D-25.41

(4)

式中y—棉秆起拔过程中的最大起拔力(N);

D—棉花秸秆直径(mm)。

由图4可知:土壤含水率为13.4%、土壤坚实度为536kPa时,棉秆起拔力的分布大多数在500N以上;土壤含水率为15.6%、土壤坚实度为465kPa时,棉秆起拔力大多在400N左右;土壤含水率为16.8%、土壤坚实度为330kPa时,棉秆起拔力多数在500N以下。由此可知:土壤含水率和土壤坚实度对棉秆起拔力存在显著影响,土壤含水率越低,土壤坚实度越高,棉秆起拔力越高;土壤含水率越高,土壤坚实度越低,棉秆起拔力越低。这表明棉花拔秆机械设备可根据土壤实际情况选取合适的时间对棉秆进行收获作业,有利于降低棉秆收获机械的功率消耗,提高棉花秸秆的收获效率。

2.3 起拔角度、土壤条件对棉秆起拔力的影响

棉花秸秆机械设备在设计起拔机构时,起拔角度是影响棉秆起拔力大小和起拔效率的重要结构参数。选取起拔角度试验水平为30°、45°、50°,选定土壤条件为含水率13.4%(坚实度536kPa)、15.6%(坚实度465kPa)、16.8%(坚实度330kPa)。在本试验中,为排除棉秆直径对试验结果的影响,选取直径为10～11mm之间(误差不超过1mm)的棉秆作为试验对象进行试验;为了避免试验的偶然性,每组重复进行6次试验,所测棉秆最大起拔力结果如表4所示。取其平均值作为正交试验设计的最终结果,正交试验结果及数据极差分析如表5所示,方差分析结果如表6所示。

表4 棉秆起拔力测量结果

表5 正交试验结果及数据极差分析

续表5

续表5

表6 正交试验数据方差分析

由表6可知,起拔角度、土壤条件(土壤含水率与坚实度)对棉秆起拔力有显著影响,由表5中的R值可知,对棉秆起拔力影响的主次顺序为A、B。由表5中的K值可知:棉秆起拔力的优水平为A3B1,在此水平下,棉秆起拔力达到了最大,而在实际情况下,起拔力越大越不利于棉秆的起拔,费时费力,显著降低棉花拔秆机械的作业效率。因此,综合分析应选取A1B3作为棉秆起拔力的优水平,即在试验范围内棉秆起拔力的最佳起拔条件为起拔角度为30°、土壤含水率为16.8%、土壤坚实度为330kPa。

3 讨论

1)由图3可知:棉秆在起拔过程中,棉秆起拔力的变化可分为2个阶段,即起拔力上升阶段与起拔力下降阶段。其原因主要在于棉秆在起拔过程中,棉根需克服土壤黏着力和摩擦力等阻力,起拔力随着棉秆向上运动而逐渐增加,直至棉根的主根和侧根几乎同时断裂时达到其最大值。而当起拔力达到峰值后,由于棉根主根和侧根的断裂,从而使得起拔力快速下降,最终变为0。此试验结果与谭谦等人[13]拔取烟秆的试验结果一致。

2)棉秆在起拔时,其受力情况如图5所示。其中,棉秆起拔力F可正交分解为水平力Fx与垂直力Fy,水平力Fx与棉秆起拔力F的夹角即为起拔角度α。由图5可知:棉秆在起拔过程中,其仅有一侧根系受到拉力,可知棉根在水平方向上的分布要远多于垂直方向[18]。因此,在水平力Fx一定时,起拔角度α越大,棉秆起拔力F越大;起拔角度α越小,棉秆起拔力F越小;但当起拔角度α太小时,水平力Fx增加,棉秆起拔力F增大。

图5 棉花秸秆受力情况图

3)由表5与表6可知:棉秆在不同土壤条件下起拔,其起拔力变化较大:在土壤含水率较高(16.8%)、土壤坚实度较低(330kPa)的情况下,棉秆起拔力较低;在土壤含水率较低(13.4%)、土壤坚实度较高(536kPa)的情况下,棉秆起拔力较大。其原因可能为:雨后土壤含水率大、土壤疏松、土壤坚实度降低[19],使得棉根与土壤的黏着力降低,棉秆起拔力较低。

4 结论

1)设计了一种简易的棉花秸秆拔秆装置,避免了因人工拔秆所造成的试验误差。

2)通过单因素试验研究分析可知:棉秆直径与其最大起拔力呈正相关线性回归关系,土壤含水率为13.4%(坚实度536kPa)、15.6%(465kPa)、16.8%(330kPa)的方程相关系数分别为0.837、0.634、0.877。

3)通过两因素三水平正交试验的极差与方差分析可知:棉秆起拔角度与土壤条件(土壤含水率、土壤坚实度)对棉秆起拔力影响显著(P<0.05)。由极差分析可知:棉秆起拔角度对棉秆起拔力的影响程度要略高于土壤条件。在试验范围内棉秆起拔力的最佳起拔条件为起拔角度为30°、土壤含水率为16.8%、土壤坚实度为330kPa。