脫葉時間和含水率對機采棉采摘力學特性的影響

王玉剛，王 磊，李建新，蔡云霄，劉 斌，鄧 星

(1.山東天鵝棉業(yè)機械股份有限公司，濟南 250032；2.石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】棉花產(chǎn)量高，主要用于紡織、精細化工原料等[1-2]。2018年新疆棉花種植面積達264.4×104hm2，收獲方式以機械采收為主，主要棉花采收機械為水平摘錠式采棉機[3-6]。在機械采收過程中，機采棉采摘力學特性是影響棉花收獲的重要因素，也是設計棉花收獲機械的重要依據(jù)。【前人研究進展】Friesen. J. A.等[7]分析了棉花的鈴殼開度對棉花與鈴殼間分離力的影響；有研究分析了下霜前后棉花與鈴殼間分離力的變化規(guī)律[8]；李勇等[9]分析了早、中、晚3個時間段棉花與鈴殼間分離力隨著含水率的變化規(guī)律；史諾等[10]分析了含水率、取樣部位以及加載強度對棉稈擠壓剝皮剪切力學特性的影響。【本研究切入點】對機采棉采摘力學特性的研究起步較早，但研究對象和研究的機械特性較分散，針對適用于機械化采摘棉花的研究較少[11-14]。水平摘錠式采棉機在工作過程中,先由摘錠鉤齒鉤住棉纖維，進而通過摘錠自轉纏繞棉花完成采摘過程。在整個采摘過程中，若棉花自身扯斷力小于棉花與鈴殼間分離力，棉纖維易被扯斷，降低采凈率以及纖維品質[8]。研究脫葉時間和含水率對機采棉采摘力學特性的影響。【擬解決的關鍵問題】以棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力為機采棉采摘力學特性指標，在多因素綜合影響研究的基礎之上，分析不同品種棉花的棉花含水率、棉花脫葉時間對機采棉采摘力學特性的影響。為優(yōu)化水平摘錠式采棉機摘錠結構以及篩選合理機采棉采收期提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

根據(jù)NY/T 1133-2006采棉機作業(yè)質量標準中對采棉機作業(yè)條件的要求：棉花含水率≤12%，棉鈴吐絮率≥85%，脫葉率≥80%[15]。選取棉花含水率，以及影響棉鈴吐絮率和脫葉率的棉花脫葉時間作為主要影響因素。采棉機作業(yè)時棉花含水率過低易引發(fā)火災[16]，選取含水率水平范圍為8%～12%；脫葉劑脫葉效果的相關文獻[17-20]，選取棉花脫葉時間范圍為14～34 d。

試驗樣品為新疆石河子地區(qū)具有代表性的機采棉品種新陸早45號，樣本取自取自石河子146團六分場七連，試驗棉田采用66 cm+10 cm的寬窄行種植模式，于2018年4月30號播種，9月15號噴灑脫葉劑。噴施脫葉劑當天，選取長勢良好、無病蟲害的棉株，考慮到棉桃成熟時間、采光效果以及棉花品質[21-22]，將棉株自下而上第4果枝靠近主莖處的棉花作為試驗樣本進行標記，然后分別于9月29日、10月9日、10月19日12：00采樣，共采樣3批次。

HY-0580電子萬能材料試驗機、美國TRANSCELL S型拉式傳感器BAB-5MT(量程0～50 N，精度0.001 N)、Canon 500D單反數(shù)碼相機(佳能中國，有效像素1 510萬)、101-1BS電熱鼓風干燥箱、德國Sartorius MA100快速水分測定儀(量程0～100 g，精度0.1 mg，可讀性0.001%，溫度設定40～230℃)，SPS402F精密電子天平(美國Ohaus Scout Pro，量程0～400 g，精度0.01 g)、香港希瑪AR847數(shù)顯式溫濕度測試儀(溫度：量程-10～50℃，精度0.1℃；濕度：量程5.0%RH～98%RH，精度3%RH)、皮尺、鋼板尺等。圖1

圖1 機采棉采摘力學特性測試試驗臺

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用全因子試驗設計，以棉花品種、棉花含水率、棉花脫葉時間作為試驗因素，以棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力為響應指標，試驗因素水平編碼表如下。制定全因子試驗方案，18組試驗，每組試驗重復30次，測定每組試驗結果，計算平均值與標準差[23-25]，新陸早45號品種棉花與鈴殼間分離力范圍為0.419～0.708 N，棉花自身扯斷力范圍為0.559～1.557 N；新陸早66號品種棉花與鈴殼間分離力范圍為0.491～0.724 N，棉花自身扯斷力范圍為0.619～1.584 N。表1

表1 試驗因素與水平編碼

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 含水量

參照GB/T 6102.1-2006含水率的測定方法[26]，將采集的棉花進行抽樣檢測，測得樣品的棉花含水率(干基)，采用先復水后烘干的方法獲取不同水平含水率。設定棉花含水率的取值范圍為8%～12%，將每批次樣本平均分為3組，根據(jù)干基含水率范圍，在棉花樣本上噴灑適量蒸餾水，將樣本放入保鮮袋中一段時間以保證含水率均勻穩(wěn)定，將3組樣本分別放入干燥箱中，間隔一定時間測定含水率，達到含水率預設值時取出，裝入保鮮袋中封存[27-28]。

測定試樣含水率時，將一張干凈的干燥紙放入MA100水分測試儀鋁碟中，儀器重新置零。用尖彎嘴鑷子將適量試樣放入MA100水分測試儀干燥紙上。稱重并記錄烘干前試樣的質量，準確至0.001 g。設定水分測試儀以(105±3)℃對試樣進行烘干，當烘干完成后，儀器自動停止加熱并發(fā)出提示音，讀取并記錄烘干后試樣的質量[13]。含水量的計算：

(1)

式中，

W—所測棉花的含水率，%；

G—試樣烘干前的質量，g；

G0—試樣烘干后的質量，g。

1.2.2.2 棉花與鈴殼間分離力

測試時，在每個棉鈴上任取2瓣棉花進行棉花與鈴殼間分離力測試，通過機臺的臺鉗將棉柄垂直夾持在機臺的臺盤上，棉花夾持在推拉力計的測試端，調整棉柄在臺盤上的夾持位置，使棉柄、棉花夾持點以及推拉力計的測試桿處于同一垂直線上。電動機臺以30 mm/min的速度勻速將棉花與鈴殼分離，計算機終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗數(shù)據(jù)[29]。

1.2.2.3 棉花自身扯斷力

棉花與鈴殼間分離力需大于棉花自身扯斷力，即：

Ps>Pt.

(2)

式中，

Ps—棉花與鈴殼間分離力，N；

Pt—棉花自身扯斷力，N。

棉花自身扯斷力是一項重要的機采棉采摘力學特性指標，棉花與鈴殼間分離力是指開放棉鈴中的棉花與花托節(jié)點之間的連結力；棉花自身扯斷力是指扯斷棉花纖維的力[8]；棉花脫葉時間是指機采棉噴灑脫葉劑后的時間。

同一棉鈴上剩余2瓣棉花進行棉花自身扯斷力測試，將棉花完整的從鈴殼上取下，調整機臺，棉花的2端分別夾持在推拉力計夾具、機臺夾具上，推拉力計置零，開始測試。電動機臺以30 mm/min的速度勻速將棉花拉斷，計算機終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗數(shù)據(jù)[29]。

分別以棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力為縱坐標(y)，以棉花含水率、棉花脫葉時間為橫坐標(x)，構建回歸方程[30-34]。

2 結果與分析

2.1 機采棉采摘力學特性及其影響因素方差

研究表明，棉花含水率對棉花與鈴殼間分離力影響極顯著(P<0.01)，對棉花自身扯斷力的影響顯著(P<0.05)；棉花脫葉時間對棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力影響均極顯著(P<0.01)；棉花品種對棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力影響均顯著(P<0.05)。對于棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力，各影響因素的主次順序均為：棉花脫葉時間>棉花含水率>棉花品種，且棉花脫葉時間對機采棉采摘力學特性的影響遠大于棉花含水率和棉花品種。表2，表3

表2 全因子試驗

表3 機采棉采摘力學特性方差

2.2 機采棉采摘力學特性及其影響因素的回歸分析

研究表明，對于上述2個棉花品種，棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力均與棉花脫葉時間呈非線性相關(P<0.01，R2>0.85)，模型預測度較高；棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力與棉花含水率相關性不顯著。表4

表4 機采棉采摘力學特性與其影響因素的回歸分析

2.3 棉花脫葉時間對機采棉采摘力學特性影響

研究表明，棉花脫葉時間對棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力的單因素效應曲線均為拋物線。2品種棉花，當成熟時間為24 d時，其棉花與鈴殼間分離力近似達到最大值，當脫葉時間大于或者小于24 d時，棉花與鈴殼間分離力均呈現(xiàn)下降趨勢。棉花在成熟過程中棉花與鈴殼間的結合力逐漸增大，增大到一定程度時，棉株停止對棉花的營養(yǎng)供應，棉花與鈴殼間分離力逐漸減小。2品種棉花，當成熟時間為28 d時，其棉花自身扯斷力近似達到最大值，當成熟時間大于或小于28 d時，棉花自身扯斷力均呈現(xiàn)下降趨勢，在測試區(qū)間內，棉花自身扯斷力先增大，到一定程度后，又逐漸減小。在成熟時間相同的條件下，棉花自身扯斷力始終大于棉花與鈴殼間分離力，在棉花采摘過程中，較大的棉花自身扯斷力使棉花不被扯斷，較小的棉花與鈴殼間分離力使棉花容易采摘。圖2，表4

圖2 不同品種棉花脫葉時間與機采棉采摘力學特性的關系

2.4 棉花含水率對機采棉采摘力學特性的影響

研究表明，當含水率為8%時，棉花與鈴殼間分離力最大，棉花自身扯斷力最小；當含水率為12%時，棉花與鈴殼間分離力最小，棉花自身扯斷力最大。隨著棉花含水率的升高，棉花與鈴殼間分離力逐漸減小，棉花自身扯斷力逐漸增大。圖3

圖3 不同品種棉花含水率與機采棉采摘力學特性的關系

3 討 論

通過分析不同因素水平下上述2個品種棉花的采摘力學特性，得到了棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力的范圍，這對水平摘錠式采棉機摘錠的結構參數(shù)優(yōu)化具有重要作用，同時，得到了2個品種棉花含水率、脫葉時間對其采摘力學特性的影響曲線，這有助于尋求合理的機采棉采收時間，提高機采棉采凈率。機采棉采摘力學特性受多因素綜合影響，研究只針對單因素進行了分析，后期將分析多因素綜合影響下機采棉的采摘力學特性曲線。

4 結 論

4.1 影響棉花與鈴殼間分離力的主要因素為：棉花含水率、棉花脫葉時間、棉花品種；影響棉花自身扯斷力的主要因素為：含水率、成熟時間。

4.2 隨著棉花含水率的提高，棉花與鈴殼間分離力逐漸減小，棉花自身扯斷力逐漸增大；同時隨著脫葉時間增加，棉花與鈴殼間分離力與棉花自身扯斷力均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；并且相對于含水率，棉花脫葉時間對棉花與鈴殼間分離力與棉花自身扯斷力的影響更大；在相同因素水平下，棉花自身扯斷力大于棉花與鈴殼間的分離力。

4.3 新陸早45號品種棉花與鈴殼間分離力范圍為0.419～0.708 N，棉花自身扯斷力范圍為0.559～1.557 N；新陸早66號品種棉花與鈴殼間分離力范圍為0.491～0.724 N，棉花自身扯斷力范圍為0.619～1.584 N。新陸早66號品種的棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力均大于新陸早45號品種。