棉稈起拔力的影響因素與試驗研究

盧永鑫,魏 敏,李衛敏,薛良豪,楊 濤,施寧強,張志陽

(石河子大學 機械電氣工程學院, 新疆 石河子 832000)

0 引言

棉花是我國一種非常重要的大田經濟作物,生產覆蓋24個省市自治區,而新疆作為我國最大的棉花種植地區和最主要的優質棉生產基地,其每年約產750萬t的棉花秸稈[1]。棉花秸稈作為還田肥有利于改良土壤團粒結構,實現土地用養結合,促進增產[2],又可作為理想的能源材料[3]、食用菌品種的培養料[4],以及高密度纖維板、隔音板等工業產品原料[5]。因此,棉花秸稈作為較高利用價值的原料資源,充分利用棉花秸稈資源、提高棉花秸稈的綜合利用效果,對新疆棉花產業的發展具有良好的前景和經濟效益[6-7]。

相關數據表明:目前,人工拔667hm2地棉稈需工時費100元,而采用機械拔稈667m2地需要成本40元[8]。由此可見,采用機械拔除棉稈效率高、成本低,開展棉稈機械收獲技術研究已成為我國近年來棉花生產全程機械化技術研究的重點之一[9-11]。棉花拔稈機械在設計過程中,棉稈起拔力是其重要的技術參數,目前國內學者針對秸稈的起拔阻力進行了一定的研究。沈新民分析了土壤條件、棉稈生長情況等因素對棉稈起拔力的影響[12]。譚謙等人研究分析了煙稈直徑、土壤條件等因素對煙稈起拔力的影響[13]。以上研究均為本文棉稈起拔力的研究提供了借鑒,但棉稈起拔角度與土壤條件的組合試驗對棉稈起拔力的研究還尚未見報道。為此,針對新疆獨特的地理環境,為分析棉稈直徑、棉稈起拔角度、土壤含水率、土壤堅實度等因素對棉稈起拔力的影響,設計了一種簡易的棉稈起拔裝置,并采用正交試驗的設計方法對不同直徑、不同土壤條件下的棉花秸稈進行了田間試驗研究,為棉花拔稈機械的設計與選擇合適的收獲時間提供了參考,有利于減少機械功率消耗及提高棉花秸稈的收獲效率。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2017年10-11月在新疆農墾科學院試驗田進行。試驗中,所測棉花秸稈株高大多在65～130cm之間,并按照長勢良好、莖稈筆直、粗細均勻的原則選擇棉稈試樣[14]。

1.2 方法

1.2.1 棉稈起拔力的測量

棉花根部由主根、側根和不定根3部分組成,其根系主要集中于16～50cm的土壤中。棉稈在起拔過程中,棉稈根系發生斷裂,土壤發生變形,同時還需克服根系與土壤間的黏著力和摩擦阻力等,這些阻力綜合形成起拔阻力[15-17]。棉稈在起拔過程中,起拔力隨著棉稈稈莖的向上運動而不斷變化,取其最大值為本試驗起拔力的測量值。由于人工拔稈所測量的起拔力誤差較大,因此試驗設計了一種起拔力測量裝置,其三維模型如圖1所示。同時,為了保證所測最大起拔力的準確性,在鋼絲繩上每隔2cm做一標記,即當棉稈每移動2cm記錄一個數據,直至棉稈被完全拔出。

1.鋼絲繩 2.機架 3.滑輪 4.滑輪支撐架 5.手搖繞線輪

1.2.2 起拔角度的確定

由圖1可知,起拔角度即為鋼絲繩與水平地面的夾角,其可由三角函數關系由式(1)確定,如圖2所示。

根據圖2可得三角函數關系有

(1)

式中α—起拔角度(°);

H—滑輪與鋼絲繩的切點距水平地面的高度(mm);

L—切點與棉稈的水平距離(mm)。

試驗中,通過預設起拔角度α,根據式(1)計算出切點與棉稈的水平距離L后,再根據所算值L放置起拔力測量裝置,用鋼絲繩纏繞夾緊棉稈主莖與地面接觸部分,之后人工手動轉動右側手輪,從而使得棉稈按預設起拔角度與土壤分離。在起拔過程中,鋼絲繩每移動2cm,記錄1次彈簧測力計的讀數,直至棉稈從土壤中完全脫離。

1.2.3 棉稈直徑的測定

由于棉稈直徑在不同高度上大小不一,因此以地表壟面為起點,依次向上每隔10cm測量1處棉稈直徑,測3處取其平均值作為棉稈直徑的實際值。

1.2.4 土壤堅實度和含水率的測定

綜合考慮棉稈根系在地表的分布情況,采用新疆農墾科學院土壤堅實度儀測量地表以下25cm處的土壤堅實度,采用土壤含水率儀測量棉稈根部附近地表以下25cm處的土壤含水率。試驗期間土壤堅實度和含水率如表1所示。

表1 土壤條件

1.3 試驗設計

以棉花秸稈為試驗材料,以棉稈直徑、土壤含水率和土壤堅實度為影響因素對棉稈起拔力分別進行單因素試驗研究。在單因素試驗結果的基礎上,采用正交試驗設計方法分析棉稈起拔角度、土壤環境條件2種影響因素組合對棉稈起拔力的影響。試驗中每個因素的水平數為3個:起拔角度試驗水平為30°、45°和50°;土壤環境條件試驗水平為含水率13.4%(堅實度536kPa)、15.6%(堅實度465kPa)、16.8%(堅實度330kPa)。因素水平表如表2所示,正交試驗表如表3所示。

1.4 試驗數據處理

采用Origin 9.0進行繪圖,Excel 2013進行平均值處理,SPSS20.0對數據進行處理并進行顯著性分析(P<0.05)。

表2 棉稈起拔力正交試驗因素水平表

表3 正交試驗表頭設計L9(32)

2 結果與分析

2.1 棉稈起拔力變化曲線

采用Origin9.0對所測數據進行散點圖曲線擬合,所測棉稈起拔力變化曲線如圖3所示。圖3顯示了不同直徑棉稈在同一土壤含水率和堅實度的條件下,棉稈起拔力的動態變化。 由圖3可知:棉稈在起拔過程中,位移變化為0～16cm,棉稈起拔力的變化可分為2個階段。①起拔力上升階段。由于在起拔過程中,棉根需克服土壤黏著力和摩擦力等阻力,起拔力隨著棉稈向上運動而逐漸增加,直至棉根的主根和側根幾乎同時斷裂時達到其最大值。②起拔力下降階段。當起拔力達到峰值后,由于棉根主根和側根的斷裂,從而使得起拔力快速下降,最終變為0。

2.2 棉稈直徑、土壤含水率和土壤堅實度對棉稈起拔力的影響

以土壤含水率分別為13.4%、15.6%、16.8%,相對應土壤堅實度為536、465、330kPa,起拔角度為45°的條件下,選取棉稈直徑范圍為7～15cm的棉稈各20根,測其起拔力,并將所測最大起拔力Fmax與棉稈直徑D通過Origin 9.0軟件繪制直徑D—起拔力Fmax散點圖,并進行線性擬合,如圖4所示。

圖3 棉稈起拔力與棉稈位移變化曲線

試驗中,土壤含水率為15.6%,對應土壤堅實度為465kPa,起拔角度為30°。

試驗中,土壤含水率分別為13.4%、15.6%、16.8%,對應土壤堅實度為536kPa、465kPa、330kPa,棉稈起拔角度為45°;y為棉稈起拔力最大值(N);D為棉稈直徑(mm)。

由圖4可知:在同一土壤含水率和土壤堅實度的條件下,棉稈起拔力隨著棉稈直徑的增大而逐步增大,并呈現出線性回歸的特點。依次對圖4中土壤含水率為13.4%、15.6%、16.8%的條件下,進行線性回歸擬合,并得到如下線性回歸方程,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—棉稈起拔過程中的最大起拔力(N);

D—棉花秸稈直徑(mm)。

由圖4可知:土壤含水率為13.4%、土壤堅實度為536kPa時,棉稈起拔力的分布大多數在500N以上;土壤含水率為15.6%、土壤堅實度為465kPa時,棉稈起拔力大多在400N左右;土壤含水率為16.8%、土壤堅實度為330kPa時,棉稈起拔力多數在500N以下。由此可知:土壤含水率和土壤堅實度對棉稈起拔力存在顯著影響,土壤含水率越低,土壤堅實度越高,棉稈起拔力越高;土壤含水率越高,土壤堅實度越低,棉稈起拔力越低。這表明棉花拔稈機械設備可根據土壤實際情況選取合適的時間對棉稈進行收獲作業,有利于降低棉稈收獲機械的功率消耗,提高棉花秸稈的收獲效率。

2.3 起拔角度、土壤條件對棉稈起拔力的影響

棉花秸稈機械設備在設計起拔機構時,起拔角度是影響棉稈起拔力大小和起拔效率的重要結構參數。選取起拔角度試驗水平為30°、45°、50°,選定土壤條件為含水率13.4%(堅實度536kPa)、15.6%(堅實度465kPa)、16.8%(堅實度330kPa)。在本試驗中,為排除棉稈直徑對試驗結果的影響,選取直徑為10～11mm之間(誤差不超過1mm)的棉稈作為試驗對象進行試驗;為了避免試驗的偶然性,每組重復進行6次試驗,所測棉稈最大起拔力結果如表4所示。取其平均值作為正交試驗設計的最終結果,正交試驗結果及數據極差分析如表5所示,方差分析結果如表6所示。

表4 棉稈起拔力測量結果

表5 正交試驗結果及數據極差分析

續表5

續表5

表6 正交試驗數據方差分析

由表6可知,起拔角度、土壤條件(土壤含水率與堅實度)對棉稈起拔力有顯著影響,由表5中的R值可知,對棉稈起拔力影響的主次順序為A、B。由表5中的K值可知:棉稈起拔力的優水平為A3B1,在此水平下,棉稈起拔力達到了最大,而在實際情況下,起拔力越大越不利于棉稈的起拔,費時費力,顯著降低棉花拔稈機械的作業效率。因此,綜合分析應選取A1B3作為棉稈起拔力的優水平,即在試驗范圍內棉稈起拔力的最佳起拔條件為起拔角度為30°、土壤含水率為16.8%、土壤堅實度為330kPa。

3 討論

1)由圖3可知:棉稈在起拔過程中,棉稈起拔力的變化可分為2個階段,即起拔力上升階段與起拔力下降階段。其原因主要在于棉稈在起拔過程中,棉根需克服土壤黏著力和摩擦力等阻力,起拔力隨著棉稈向上運動而逐漸增加,直至棉根的主根和側根幾乎同時斷裂時達到其最大值。而當起拔力達到峰值后,由于棉根主根和側根的斷裂,從而使得起拔力快速下降,最終變為0。此試驗結果與譚謙等人[13]拔取煙稈的試驗結果一致。

2)棉稈在起拔時,其受力情況如圖5所示。其中,棉稈起拔力F可正交分解為水平力Fx與垂直力Fy,水平力Fx與棉稈起拔力F的夾角即為起拔角度α。由圖5可知:棉稈在起拔過程中,其僅有一側根系受到拉力,可知棉根在水平方向上的分布要遠多于垂直方向[18]。因此,在水平力Fx一定時,起拔角度α越大,棉稈起拔力F越大;起拔角度α越小,棉稈起拔力F越小;但當起拔角度α太小時,水平力Fx增加,棉稈起拔力F增大。

圖5 棉花秸稈受力情況圖

3)由表5與表6可知:棉稈在不同土壤條件下起拔,其起拔力變化較大:在土壤含水率較高(16.8%)、土壤堅實度較低(330kPa)的情況下,棉稈起拔力較低;在土壤含水率較低(13.4%)、土壤堅實度較高(536kPa)的情況下,棉稈起拔力較大。其原因可能為:雨后土壤含水率大、土壤疏松、土壤堅實度降低[19],使得棉根與土壤的黏著力降低,棉稈起拔力較低。

4 結論

1)設計了一種簡易的棉花秸稈拔稈裝置,避免了因人工拔稈所造成的試驗誤差。

2)通過單因素試驗研究分析可知:棉稈直徑與其最大起拔力呈正相關線性回歸關系,土壤含水率為13.4%(堅實度536kPa)、15.6%(465kPa)、16.8%(330kPa)的方程相關系數分別為0.837、0.634、0.877。

3)通過兩因素三水平正交試驗的極差與方差分析可知:棉稈起拔角度與土壤條件(土壤含水率、土壤堅實度)對棉稈起拔力影響顯著(P<0.05)。由極差分析可知:棉稈起拔角度對棉稈起拔力的影響程度要略高于土壤條件。在試驗范圍內棉稈起拔力的最佳起拔條件為起拔角度為30°、土壤含水率為16.8%、土壤堅實度為330kPa。