脱叶时间和含水率对机采棉采摘力学特性的影响

王玉刚，王 磊，李建新，蔡云霄，刘 斌，邓 星

(1.山东天鹅棉业机械股份有限公司，济南 250032；2.石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】棉花产量高，主要用于纺织、精细化工原料等[1-2]。2018年新疆棉花种植面积达264.4×104hm2，收获方式以机械采收为主，主要棉花采收机械为水平摘锭式采棉机[3-6]。在机械采收过程中，机采棉采摘力学特性是影响棉花收获的重要因素，也是设计棉花收获机械的重要依据。【前人研究进展】Friesen. J. A.等[7]分析了棉花的铃壳开度对棉花与铃壳间分离力的影响；有研究分析了下霜前后棉花与铃壳间分离力的变化规律[8]；李勇等[9]分析了早、中、晚3个时间段棉花与铃壳间分离力随着含水率的变化规律；史诺等[10]分析了含水率、取样部位以及加载强度对棉秆挤压剥皮剪切力学特性的影响。【本研究切入点】对机采棉采摘力学特性的研究起步较早，但研究对象和研究的机械特性较分散，针对适用于机械化采摘棉花的研究较少[11-14]。水平摘锭式采棉机在工作过程中,先由摘锭钩齿钩住棉纤维，进而通过摘锭自转缠绕棉花完成采摘过程。在整个采摘过程中，若棉花自身扯断力小于棉花与铃壳间分离力，棉纤维易被扯断，降低采净率以及纤维品质[8]。研究脱叶时间和含水率对机采棉采摘力学特性的影响。【拟解决的关键问题】以棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力为机采棉采摘力学特性指标，在多因素综合影响研究的基础之上，分析不同品种棉花的棉花含水率、棉花脱叶时间对机采棉采摘力学特性的影响。为优化水平摘锭式采棉机摘锭结构以及筛选合理机采棉采收期提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

根据NY/T 1133-2006采棉机作业质量标准中对采棉机作业条件的要求：棉花含水率≤12%，棉铃吐絮率≥85%，脱叶率≥80%[15]。选取棉花含水率，以及影响棉铃吐絮率和脱叶率的棉花脱叶时间作为主要影响因素。采棉机作业时棉花含水率过低易引发火灾[16]，选取含水率水平范围为8%～12%；脱叶剂脱叶效果的相关文献[17-20]，选取棉花脱叶时间范围为14～34 d。

试验样品为新疆石河子地区具有代表性的机采棉品种新陆早45号，样本取自取自石河子146团六分场七连，试验棉田采用66 cm+10 cm的宽窄行种植模式，于2018年4月30号播种，9月15号喷洒脱叶剂。喷施脱叶剂当天，选取长势良好、无病虫害的棉株，考虑到棉桃成熟时间、采光效果以及棉花品质[21-22]，将棉株自下而上第4果枝靠近主茎处的棉花作为试验样本进行标记，然后分别于9月29日、10月9日、10月19日12：00采样，共采样3批次。

HY-0580电子万能材料试验机、美国TRANSCELL S型拉式传感器BAB-5MT(量程0～50 N，精度0.001 N)、Canon 500D单反数码相机(佳能中国，有效像素1 510万)、101-1BS电热鼓风干燥箱、德国Sartorius MA100快速水分测定仪(量程0～100 g，精度0.1 mg，可读性0.001%，温度设定40～230℃)，SPS402F精密电子天平(美国Ohaus Scout Pro，量程0～400 g，精度0.01 g)、香港希玛AR847数显式温湿度测试仪(温度：量程-10～50℃，精度0.1℃；湿度：量程5.0%RH～98%RH，精度3%RH)、皮尺、钢板尺等。图1

图1 机采棉采摘力学特性测试试验台

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用全因子试验设计，以棉花品种、棉花含水率、棉花脱叶时间作为试验因素，以棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力为响应指标，试验因素水平编码表如下。制定全因子试验方案，18组试验，每组试验重复30次，测定每组试验结果，计算平均值与标准差[23-25]，新陆早45号品种棉花与铃壳间分离力范围为0.419～0.708 N，棉花自身扯断力范围为0.559～1.557 N；新陆早66号品种棉花与铃壳间分离力范围为0.491～0.724 N，棉花自身扯断力范围为0.619～1.584 N。表1

表1 试验因素与水平编码

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 含水量

参照GB/T 6102.1-2006含水率的测定方法[26]，将采集的棉花进行抽样检测，测得样品的棉花含水率(干基)，采用先复水后烘干的方法获取不同水平含水率。设定棉花含水率的取值范围为8%～12%，将每批次样本平均分为3组，根据干基含水率范围，在棉花样本上喷洒适量蒸馏水，将样本放入保鲜袋中一段时间以保证含水率均匀稳定，将3组样本分别放入干燥箱中，间隔一定时间测定含水率，达到含水率预设值时取出，装入保鲜袋中封存[27-28]。

测定试样含水率时，将一张干净的干燥纸放入MA100水分测试仪铝碟中，仪器重新置零。用尖弯嘴镊子将适量试样放入MA100水分测试仪干燥纸上。称重并记录烘干前试样的质量，准确至0.001 g。设定水分测试仪以(105±3)℃对试样进行烘干，当烘干完成后，仪器自动停止加热并发出提示音，读取并记录烘干后试样的质量[13]。含水量的计算：

(1)

式中，

W—所测棉花的含水率，%；

G—试样烘干前的质量，g；

G0—试样烘干后的质量，g。

1.2.2.2 棉花与铃壳间分离力

测试时，在每个棉铃上任取2瓣棉花进行棉花与铃壳间分离力测试，通过机台的台钳将棉柄垂直夹持在机台的台盘上，棉花夹持在推拉力计的测试端，调整棉柄在台盘上的夹持位置，使棉柄、棉花夹持点以及推拉力计的测试杆处于同一垂直线上。电动机台以30 mm/min的速度匀速将棉花与铃壳分离，计算机终端数据采集系统采集试验数据[29]。

1.2.2.3 棉花自身扯断力

棉花与铃壳间分离力需大于棉花自身扯断力，即：

Ps>Pt.

(2)

式中，

Ps—棉花与铃壳间分离力，N；

Pt—棉花自身扯断力，N。

棉花自身扯断力是一项重要的机采棉采摘力学特性指标，棉花与铃壳间分离力是指开放棉铃中的棉花与花托节点之间的连结力；棉花自身扯断力是指扯断棉花纤维的力[8]；棉花脱叶时间是指机采棉喷洒脱叶剂后的时间。

同一棉铃上剩余2瓣棉花进行棉花自身扯断力测试，将棉花完整的从铃壳上取下，调整机台，棉花的2端分别夹持在推拉力计夹具、机台夹具上，推拉力计置零，开始测试。电动机台以30 mm/min的速度匀速将棉花拉断，计算机终端数据采集系统采集试验数据[29]。

分别以棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力为纵坐标(y)，以棉花含水率、棉花脱叶时间为横坐标(x)，构建回归方程[30-34]。

2 结果与分析

2.1 机采棉采摘力学特性及其影响因素方差

研究表明，棉花含水率对棉花与铃壳间分离力影响极显著(P<0.01)，对棉花自身扯断力的影响显著(P<0.05)；棉花脱叶时间对棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力影响均极显著(P<0.01)；棉花品种对棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力影响均显著(P<0.05)。对于棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力，各影响因素的主次顺序均为：棉花脱叶时间>棉花含水率>棉花品种，且棉花脱叶时间对机采棉采摘力学特性的影响远大于棉花含水率和棉花品种。表2，表3

表2 全因子试验

表3 机采棉采摘力学特性方差

2.2 机采棉采摘力学特性及其影响因素的回归分析

研究表明，对于上述2个棉花品种，棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力均与棉花脱叶时间呈非线性相关(P<0.01，R2>0.85)，模型预测度较高；棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力与棉花含水率相关性不显著。表4

表4 机采棉采摘力学特性与其影响因素的回归分析

2.3 棉花脱叶时间对机采棉采摘力学特性影响

研究表明，棉花脱叶时间对棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力的单因素效应曲线均为抛物线。2品种棉花，当成熟时间为24 d时，其棉花与铃壳间分离力近似达到最大值，当脱叶时间大于或者小于24 d时，棉花与铃壳间分离力均呈现下降趋势。棉花在成熟过程中棉花与铃壳间的结合力逐渐增大，增大到一定程度时，棉株停止对棉花的营养供应，棉花与铃壳间分离力逐渐减小。2品种棉花，当成熟时间为28 d时，其棉花自身扯断力近似达到最大值，当成熟时间大于或小于28 d时，棉花自身扯断力均呈现下降趋势，在测试区间内，棉花自身扯断力先增大，到一定程度后，又逐渐减小。在成熟时间相同的条件下，棉花自身扯断力始终大于棉花与铃壳间分离力，在棉花采摘过程中，较大的棉花自身扯断力使棉花不被扯断，较小的棉花与铃壳间分离力使棉花容易采摘。图2，表4

图2 不同品种棉花脱叶时间与机采棉采摘力学特性的关系

2.4 棉花含水率对机采棉采摘力学特性的影响

研究表明，当含水率为8%时，棉花与铃壳间分离力最大，棉花自身扯断力最小；当含水率为12%时，棉花与铃壳间分离力最小，棉花自身扯断力最大。随着棉花含水率的升高，棉花与铃壳间分离力逐渐减小，棉花自身扯断力逐渐增大。图3

图3 不同品种棉花含水率与机采棉采摘力学特性的关系

3 讨 论

通过分析不同因素水平下上述2个品种棉花的采摘力学特性，得到了棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力的范围，这对水平摘锭式采棉机摘锭的结构参数优化具有重要作用，同时，得到了2个品种棉花含水率、脱叶时间对其采摘力学特性的影响曲线，这有助于寻求合理的机采棉采收时间，提高机采棉采净率。机采棉采摘力学特性受多因素综合影响，研究只针对单因素进行了分析，后期将分析多因素综合影响下机采棉的采摘力学特性曲线。

4 结 论

4.1 影响棉花与铃壳间分离力的主要因素为：棉花含水率、棉花脱叶时间、棉花品种；影响棉花自身扯断力的主要因素为：含水率、成熟时间。

4.2 随着棉花含水率的提高，棉花与铃壳间分离力逐渐减小，棉花自身扯断力逐渐增大；同时随着脱叶时间增加，棉花与铃壳间分离力与棉花自身扯断力均呈现先增大后减小的趋势；并且相对于含水率，棉花脱叶时间对棉花与铃壳间分离力与棉花自身扯断力的影响更大；在相同因素水平下，棉花自身扯断力大于棉花与铃壳间的分离力。

4.3 新陆早45号品种棉花与铃壳间分离力范围为0.419～0.708 N，棉花自身扯断力范围为0.559～1.557 N；新陆早66号品种棉花与铃壳间分离力范围为0.491～0.724 N，棉花自身扯断力范围为0.619～1.584 N。新陆早66号品种的棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力均大于新陆早45号品种。