棉株莖稈物理機械特性的測定分析

陳福祥,王維新,李 霞,閆毅敏

（石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003）

0 引言

棉花是我國紡織業主要原料來源。2018年，我國棉花種植面積達到317.8萬hm2。近年來，由于良種棉花培育技術和先進種植技術的推廣普及，我國棉花種植機械化水平不斷提高，接近發達國家水平。目前，高質量的棉花打頂機械亟待研制，棉花打頂是通過棉花頂端切除消除頂端生長優勢，調節棉花的生長，促進棉花早結鈴、多結鈴，以提高棉花的產量。由于國內棉花打頂作業主要是以人工打頂為主，不僅勞動強度大、效率低、作業環境惡劣，而且延長了打頂期限。國外主要采用藥物對棉花頂尖進行處理，藥物控制受到天氣、溫度等自然因素影響，而且會帶來環境污染問題。棉花機械打頂作為棉花種植生產全程機械化必不可少的一環，所以高質量的棉花打頂機械的研制具有重要意義。

棉花莖稈的的物理機械特性對于棉花動態仿形打頂技術和裝置的研究至關重要。近年來，研究人員主要研究棉花打頂機機械設計及控制系統的設計，但針對棉花生長狀況、分布規律和莖稈的物理機械特性的研究鮮有報道。

1 棉花種植地的選擇

試驗地選擇在石河子大學試驗場棉田進行。試驗棉田為一年一熟型；棉株種植密度為1.3～1.4萬株/667m2；試驗棉花品種為新疆陸地早熟棉花52號；試驗溫度為37度；試驗時間為2018年7月1日，棉花處于打頂期，生長狀況良好。

2 測定試驗內容及數據統計分析

測定的棉花莖稈的物理機械特性主要包括棉花自然生長狀態的分布規律、物理特征參數和棉花頂部莖稈的力學特性，是棉花頂端仿形切割裝置設計與開發的最根本依據，是使棉花打頂機械、工藝和操作規程達到最大工作效率、最優質量的基礎。

2.1 棉花生長模式和物理特性參數的測定

2.1.1 測定儀器設備

卷尺（量程0～5 mm，精度 1 mm）、直尺（量程 0～500 mm、精度1 mm）、數碼相機。

2.1.2 測定試驗方法

參考棉花生物學和農業田間試驗方法，結合棉花頂部打頂裝置的設計要求，選擇處于打頂期的棉花，將棉花自然高度、棉花棉尖前后垂直間距2個參數作為棉花基本物理特性參數的評價指標。避開地頭河溝區，選擇棉株長勢均勻處。在采集樣本區內，選擇范圍為100×100 m的采集樣本區。在采集樣本區隨機設定5個樣本區，每個樣本區采樣2行，每行連續采樣100個樣本，共計1000個樣本，通過數理統計分析棉花莖稈物理特征參數評價指標變化區間和分布規律。

2.1.3 試驗統計指標與結果

試驗統計指標主要從包括平均數、標準差、方差和變異系數，其計算統計公式見公式（1）、公式（2）、公式（3）、公式（4），有

其中，為所有樣本的平均值。

其中，S為樣本的標準偏為所有樣本的平均值。統計結果如表1所示，1 000個樣本的概率分布如圖1所示。

表1 棉花基本物理特性參數

2.1.4 試驗數據分析與討論

由表1可知，棉花自然高度最大值與最小值差是34 cm，棉花高度的變異系數為0.14，變異系數略小，但少數棉花高度差異大，加大了棉花頂部仿形精度的要求；棉尖前后間距最大值與最小值差是23 cm，棉花棉尖前后間距變異系數較大，為0.27，前后間隔均勻性差異較大，給仿形加大了難度。

圖1 棉花生長模式分布直方圖

由圖1（a）可知，棉花自然高度主要分布在40～55 cm，占據樣本總量的76%；由圖1（b）可知，棉花頂尖前后間距主要分布在10～25 cm，占據樣本總量的87%，還有3%棉花棉尖前后間距處于30～35 cm，多數是由于播種空穴和棉苗死亡導致的少數棉花缺失。

2.2 棉花頂部莖稈的機械力學特性

2.2.1 試驗設備

TA.XT Plus型質構儀（英國Stable Micro System公司設計生產，測試速度范圍:0.01～40 mm/s，測試距離精度:0.001 mm，測試力量精度:0.1g，游標卡尺，計算機。相關數據和圖形直接由計算機直接記錄和呈現，所有數據都可以通過指定文件讀出。

2.2.2 試驗方法

從上述1 000個樣本中采集生長狀況良好的棉花，在其莖稈距離頂端50 mm處剪斷，取樣后去除枝葉、頂芽，截取10 mm莖稈作為試驗對象。對于試驗樣本，直徑采用游標卡尺進行測量，經過多次測量取平均值。

對樣本莖稈進行壓縮試驗時，首先將質構儀與計算機相連接，開啟記錄軟件，使用質構儀自帶的柱形探頭。然后。選取10株樣本分別置于質構儀測試平臺上，處于探頭中心位置，施加速度為1 mm/s，探頭接觸樣本后繼續運行1 mm，完成10組試驗，試驗獲得每個壓縮的觸發力-時間關系曲線。

2.2.3 試驗結果統計和分析

根據需求選取直徑為5.4 mm棉尖莖稈作為試驗樣本，在質構儀上進行實驗，通過計算機記錄下棉尖莖稈觸發力與時間的變化軌跡。隨著時間的變化，壓縮過程中棉尖莖稈觸發力變化如圖2。

圖2 觸發力-時間關系圖

棉尖頂部莖稈壓縮試驗結果如下表：

表2 棉花基本物理特性參數

圖3 觸發力-直徑關系圖

2.2.4 試驗數據分析與討論

由圖2可知，棉尖莖稈觸發力隨著壓縮時間增大先增大，當探頭壓縮時間達到1s時，觸發力達到最大值14.89 N，然后棉花頂尖觸發力逐漸減小，直至趨于平穩。

由表格2可知，棉尖莖稈直徑平均值為5.6 mm，觸發力平均值為16.74 N，棉花棉尖莖稈觸發力數值較小。

由圖3可知，棉花棉尖觸發力與棉尖莖稈直徑呈線性正相關。

3 結論

（1）棉花自然高度最大值和最小值差是34 cm，棉花自然高度主要集中在40～45 cm，變異系數小，離散程度低，表明少部分棉花高度變化較大，打頂機升降機構對不同自然高度的棉花適應性強，為棉花頂端仿形提出了較高要求。

（2）棉花棉尖前后間距范圍是10～33 cm，變異系數為0.27，棉尖前后間隔變化較大，為打頂機切割刀具大小的設計、打頂機升降機構升降速度和打頂機作業行進速度的設定提供了依據。

（3）棉花棉尖莖稈觸發力與棉尖莖稈直徑呈線性正相關，棉花棉尖莖稈觸發力平均值為16.74 N，數值較小，對棉花機械打頂影響不大。