何磊，劉向新，趙巖，周亞立，王敏

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子　832000)

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棉花機(jī)械采收質(zhì)量影響因素分析

何磊，劉向新，趙巖，周亞立，王敏

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子832000)

摘要：【目的】 探求采棉機(jī)作業(yè)速度、棉花脫葉率及種植模式對機(jī)械化采摘質(zhì)量的影響程度及關(guān)系.【方法】 采用L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對各因素的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究.【結(jié)果】 作業(yè)速度對采凈率、含雜率和綜合評分影響顯著；脫葉率對含雜率影響極顯著，對采凈率和綜合評分影響顯著；種植模式對含雜率影響顯著，對采凈率和綜合評分影響不顯著.各因素對采摘質(zhì)量影響程度為：作業(yè)速度>脫葉率>種植模式.【結(jié)論】 在作業(yè)速度為4.5 km/h，脫葉率為93.7%，種植模式為(660+100)mm的條件下，采棉機(jī)采凈率可達(dá)到95%，含雜率達(dá)11%，綜合評分78.5.

關(guān)鍵詞：采棉機(jī)；采摘質(zhì)量；采凈率；含雜率；正交試驗(yàn)

棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，其中棉纖維是紡織業(yè)的重要原料，棉籽是我國重要的食用油原料，棉籽殼是重要的畜牧飼料原料，棉稈可作為生物質(zhì)能源材料或飼料.自2009年開始，我國棉花進(jìn)口數(shù)量逐年增加，而國內(nèi)棉花種植面積卻在減少，尤其是長江流域和黃河流域棉區(qū).棉花生產(chǎn)工序繁重、機(jī)械化程度低、勞力成本增加和植棉比較效益下降是造成農(nóng)民放棄植棉的重要原因[1-5].其中采收環(huán)節(jié)是棉花生產(chǎn)中投入勞動(dòng)力數(shù)量和生產(chǎn)成本最大的環(huán)節(jié)，目前已經(jīng)成為我國許多棉區(qū)棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題.實(shí)施輕簡化栽培，應(yīng)用機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)能夠很好地解決棉花生產(chǎn)工序繁重的問題，采用機(jī)械化收獲技術(shù)能減少人工投入，降低生產(chǎn)成本、提升棉花商品率[6-8].其中采收質(zhì)量是衡量采棉機(jī)性能的重要指標(biāo)，直接影響到清理加工工序，關(guān)系最終產(chǎn)品質(zhì)量，最終將決定機(jī)械化采摘的推廣程度.衡量機(jī)械采收質(zhì)量的指標(biāo)有采凈率、含雜率、撞落棉率、遺留棉率等，其中采凈率和含雜率為最主要指標(biāo)[9-10].影響機(jī)械采收質(zhì)量的因素較多，主要包括棉株成熟狀況、脫葉率、作業(yè)速度、種植模式、棉花品種等.

目前，我國西北內(nèi)陸棉區(qū)的新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)棉花生產(chǎn)機(jī)械化水平較高，2013年機(jī)械化收獲率達(dá)到70%左右.黃河流域棉區(qū)的山東、河北和長江流域的江蘇等植棉省份也開始探索棉花收獲機(jī)械化技術(shù)[11-13].由于對采棉機(jī)采收棉花的理論性研究不夠深入，在一定程度上影響了棉花機(jī)械收獲技術(shù)的推廣應(yīng)用.目前，尚未見到結(jié)合試驗(yàn)對棉花機(jī)械化采收質(zhì)量研究的報(bào)道.鑒于此，本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)多指標(biāo)分析中的綜合評分法，針對影響棉花機(jī)械采收質(zhì)量主要因素中的脫葉率、作業(yè)速度、種植模式等開展田間試驗(yàn)，以采凈率和含雜率為主要指標(biāo)對采棉機(jī)采摘質(zhì)量進(jìn)行綜合評定.探討主要影響因素和棉花機(jī)械收獲質(zhì)量之間的關(guān)系，為棉花機(jī)械化收獲技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考.

1材料和方法

1.1試驗(yàn)田概況

根據(jù)采棉機(jī)作業(yè)和試驗(yàn)檢測要求，參試的試驗(yàn)棉田滿足以下條件：(1)土地條件：土地平整，中上等肥力，地力均勻，鹽堿害輕，無病蟲害，灌排方便，土層深厚，光照充足，交通便利，地域開闊；(2)棉田條件：棉株高度均勻，田間管理到位，成熟度一致，集中吐絮，吐絮率大于85%.

1.2參試采棉機(jī)、試驗(yàn)點(diǎn)及時(shí)間

目前兵團(tuán)主要使用的采棉機(jī)有美國約翰迪爾公司生產(chǎn)的JD9970、JD9965、JD9976、JD9996、JD7660、JD7760，美國凱斯公司生產(chǎn)的CASE2555、 CASE2155、CASE420、CASE620、CASE635，貴航平水機(jī)械有限公司生產(chǎn)的4MZ-5等.由于各型號采棉機(jī)在種植模式、脫葉率、作業(yè)速度相同條件下，采摘質(zhì)量相近，因此試驗(yàn)選用JD9970五行采棉機(jī)為代表，作為參試對象，考慮其作業(yè)速度對指標(biāo)的影響.

選取了3種不同種植模式的試驗(yàn)點(diǎn)，第八師一四九團(tuán)13連棉花種植模式為(660+100)mm，試驗(yàn)于9月30日進(jìn)行；第七師一二五團(tuán)11連種植模式為(720+40)mm，試驗(yàn)于10月17日進(jìn)行；第一師一團(tuán)7連種植模式為(640+120)mm，試驗(yàn)于11月7-8日進(jìn)行.

1.3試驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)

為了確定各影響因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響程度的主次關(guān)系，對采棉機(jī)采摘質(zhì)量進(jìn)行正交試驗(yàn)，選擇脫葉率A、種植模式B和采棉機(jī)作業(yè)速度C作為試驗(yàn)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)(表1).根據(jù)兵團(tuán)棉花種植模式推廣應(yīng)用情況，選擇3種模式：(660+100)mm、(640+120)mm、(720+40)mm；根據(jù)兵團(tuán)棉花機(jī)械化作業(yè)規(guī)程對脫葉率的要求(大于80%)，選擇3個(gè)水平：82.5%、87.2%、93.7%；參考采棉機(jī)實(shí)際作業(yè)最佳速度和采棉機(jī)的可操控性，選擇3個(gè)作業(yè)速度：3 km/h、4.5 km/h、6 km/h.

表1　試驗(yàn)因素水平表

1.4試驗(yàn)方法

試驗(yàn)測試方法參照農(nóng)業(yè)部頒發(fā)的《棉花收獲機(jī)》(GB/T21397-2008)[14]和兵團(tuán)有關(guān)采棉機(jī)作業(yè)規(guī)程設(shè)計(jì).

1.4.1棉花生長情況調(diào)查在試驗(yàn)地隨機(jī)取5個(gè)1 m×1 m的取樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)取10株，測定棉花品種成熟度、倒伏程度、自然落地棉、每株棉鈴數(shù)及單鈴質(zhì)量；棉株自然高度、寬度；行、株距；最低、最高結(jié)鈴高度；莖稈主、分枝數(shù)；籽棉含水率以及噴施脫葉催熟劑后、采棉機(jī)采收前，在各測區(qū)內(nèi)沿前進(jìn)方向連續(xù)測20株棉株上的吐絮棉鈴、總棉鈴、已脫落的葉片、總?cè)~片的個(gè)數(shù)，計(jì)算平均吐絮率和脫葉率.

1.4.2采凈率的測定在各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行采棉機(jī)測試時(shí)，按照3種不同速度作業(yè)，在各測區(qū)內(nèi)沿前進(jìn)方向任意采下20株棉株上的吐絮棉并稱質(zhì)量，求平均棉株上吐絮棉質(zhì)量，測定棉區(qū)內(nèi)棉株數(shù)，計(jì)算3個(gè)測區(qū)平均籽棉產(chǎn)量G；在測區(qū)內(nèi)分別收集自然落地的籽棉并稱質(zhì)量，計(jì)算平均單位面積自然落地棉質(zhì)量G4.采棉機(jī)采收后，在各測區(qū)內(nèi)分別收集遺留棉、掛枝棉和撞落在地面上的籽棉，并稱質(zhì)量，分別記為G1，G2，G3，按(1)式計(jì)算采凈率[14].

(1)

式中：y:采凈率，%；G1:測區(qū)內(nèi)單位面積遺留棉質(zhì)量，g/m2；G2：測區(qū)內(nèi)單位面積掛枝棉質(zhì)量，g/m2；G3：測區(qū)內(nèi)單位面積落在地上的籽棉質(zhì)量，g/m2；G4：采收前自然落地棉平均單位面積質(zhì)量，g/m2；G：平均應(yīng)收籽棉質(zhì)量，g/m2.

1.4.3含雜率的測定在各個(gè)測試點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)，分5次從采棉箱中取樣，每次取樣1 000 g.從以上樣品中撿拾出碎葉、莖稈、鈴殼、雜草及其他雜質(zhì)，并分類稱質(zhì)量，按式(2)計(jì)算含雜率[15].以各試驗(yàn)試樣的算術(shù)平均值作為該批棉花的含雜率.

(2)

式中：Z：含雜率，%；mf：分析出的雜質(zhì)質(zhì)量，g；mc：揀出的粗大雜質(zhì)質(zhì)量，g；ms：試驗(yàn)試樣質(zhì)量，g.

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)需要考察脫葉率、種植模式、作業(yè)速度等對棉花機(jī)械采收質(zhì)量的影響，由于涉及因素較多，且采棉機(jī)采摘質(zhì)量為采凈率和含雜率兩項(xiàng)進(jìn)行綜合評價(jià)，因此需要進(jìn)行多因素試驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用多

指標(biāo)分析中的綜合評分法.綜合評分法就是根據(jù)各個(gè)指標(biāo)重要性的不同，按照得出的試驗(yàn)結(jié)果綜合分析，給每一個(gè)試驗(yàn)評出一個(gè)分?jǐn)?shù)，作為這個(gè)試驗(yàn)的總指標(biāo)，根據(jù)這個(gè)總指標(biāo)采用直觀分析法作進(jìn)一步的分析，從而選擇較好的方案.

在采凈率滿足機(jī)械收獲要求的基礎(chǔ)上，采凈率提升的難度加大，含雜率增加速率變大，采棉機(jī)損耗增加，采收籽棉的清理加工生產(chǎn)難度加大，加工工序和能耗增加，造成棉花生產(chǎn)總體效益降低[16].因此，在滿足機(jī)械采收要求的條件下，兩個(gè)指標(biāo)的重要性不同，從清理加工生產(chǎn)實(shí)際分析，含雜率的重要性比采凈率大.如果化成數(shù)量來看，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可認(rèn)為含雜率是采凈率的1.5倍.在實(shí)際生產(chǎn)中，采凈率越大越好，含雜率越小越好，因此將每個(gè)試驗(yàn)綜合評分計(jì)算公式設(shè)計(jì)如下：

綜合評分=(采凈率-1.5×含雜率)×100

(3)

3結(jié)果與分析

試驗(yàn)選用L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)[17-19]，每個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為5個(gè)采樣點(diǎn)采集樣本的平均值.主要參數(shù)對采摘性能的指標(biāo)影響結(jié)果如表2所示.

3.1極差分析

根據(jù)表2中的試驗(yàn)結(jié)果和極差分析，種植模式對含雜率、綜合評分極差較小，對采凈率極差較大，脫葉率和作業(yè)速度兩個(gè)因素的極差都很大，是對試驗(yàn)影響較大的兩個(gè)因素.3個(gè)因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響大小依次為：C>A>B，即作業(yè)速度>脫葉率>種植模式.各因素水平對采凈率的影響主次順序?yàn)锳3>A2>A1、B1(B3)> B2、C1>C2>C3，如圖1所示，其最優(yōu)組合方案是A3B1(B3)C1；對含雜率的影響主次順序?yàn)锳3>A2>A1、B1>B2>B3、C2>C3> C1，如圖2所示，其最優(yōu)試驗(yàn)方案為A3B1C2；對采摘質(zhì)量的影響主次順序?yàn)锳3>A2>A1、B1>B2>B3、C2>C1>C3，如圖3所示，通過綜合評分法綜合考慮，最優(yōu)方案為A3B1C2.

表2　試驗(yàn)結(jié)果

圖1　各因素與指標(biāo)采凈的趨勢Fig.1　The trend of factors and indicators for collect rate

圖2　各因素與指標(biāo)含雜率的趨勢Fig.2　The trend of factors and indicators for percentage of impurities

圖3　各因素與采摘質(zhì)量的趨勢Fig.3　The trend of factors and indicators for picking quality

3.2方差分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的極差分析簡便易行，計(jì)算量小，也較直觀，但極差分析精度較差，判斷各因素的作用時(shí)缺乏一個(gè)定量的標(biāo)準(zhǔn)，這些問題要用方差分析解決.采用SPSS軟件將表2中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多因素方差分析，分析結(jié)果見表3.查表可得臨界值F0.05(2,2)=19，F(xiàn)0.01(2,2)=99.

對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：表中“脫葉率”對應(yīng)“含雜率”F值為大于臨界值F0.01(2,2)，說明脫葉率對含雜率影響極顯著，對應(yīng)“采凈率”、“綜合評分”的F值大于臨界值F0.05(2,2)，說明影響顯著；表中“種植模式”對應(yīng)“采凈率”、“綜合評分”的F值小于臨界值F0.05(2,2)，對應(yīng)“含雜率”的F值大于臨界值F0.05(2,2)，說明種植模式對采凈率和綜合評分影響不顯著，對含雜率影響顯著；表中“作業(yè)速度”對應(yīng)的F值均大于臨界值F0.05(2,2)，說明作業(yè)速度對采凈率、含雜率和綜合評分的影響顯著.

綜合分析，對機(jī)械收獲棉花采凈率影響的大小順序?yàn)樽鳂I(yè)速度>脫葉率>種植模式；對機(jī)械收獲棉花含雜率影響大小的因素順序?yàn)槊撊~率>作業(yè)速度>種植模式；對機(jī)械收獲棉花綜合評價(jià)影響大小的因素順序?yàn)樽鳂I(yè)速度>脫葉率>種植模式.每個(gè)因素選擇最佳水平，可得到最優(yōu)作業(yè)方式組合為A3B1C2，即脫葉率為93.7%，種植模式為(660+100)mm，采棉機(jī)作業(yè)速度為4.5 km/h，方差分析結(jié)果與極差分析結(jié)果一致.

表3　方差分析結(jié)果

4結(jié)論

目前，采凈率、含雜率是衡量采摘質(zhì)量最重要的兩個(gè)指標(biāo)，其涉及因素較多[20].通過對棉機(jī)作業(yè)速度、棉花脫葉率及種植模式參數(shù)的優(yōu)化分析，研究結(jié)果表明，作業(yè)速度對采凈率、含雜率和綜合評分影響顯著；脫葉率對含雜率影響極顯著，對采凈率和綜合評分影響顯著；種植模式對含雜率影響顯著，對采凈率和綜合評分影響不顯著，各因素對采摘質(zhì)量影響程度為：行走速度>脫葉率>種植模式.通過正交試驗(yàn)極差和方差分析得出最優(yōu)組合方案為采棉機(jī)作業(yè)速度4.5 km/h，脫葉率93.7%，種植模式(660+100)mm，在此條件下，通過田間驗(yàn)證，采棉機(jī)采凈率可達(dá)到95%，含雜率可達(dá)到11%，綜合評分可達(dá)78.5.

本試驗(yàn)周期長、范圍廣，其結(jié)果較能反映出各因素對機(jī)械化采摘質(zhì)量影響的趨勢，可為棉花收獲機(jī)械化技術(shù)的推廣應(yīng)用起到一定的理論支撐.但棉花機(jī)械化采摘質(zhì)量的影響因素較多，試驗(yàn)僅選取3個(gè)主要因素，每個(gè)因素取3水平，且受試驗(yàn)人員專業(yè)水平及自然因素影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集不可避免存在誤差，因此，針對采摘質(zhì)量影響因素的分析還需更深入研究.

參考文獻(xiàn)

[1]雷斌,王永冬,張?jiān)粕?等.新疆棉花機(jī)械采收技術(shù)及發(fā)展展望[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2007(B11):130-133

[2]李冉,杜珉.我國棉花生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展現(xiàn)狀及方向[J].中國農(nóng)機(jī)化,2012,241(3):7-10

[3]李冉,杜珉.加快推進(jìn)黃河流域棉花生產(chǎn)機(jī)械化:迫切性,發(fā)展現(xiàn)狀及政策建議[J].中國棉花,2013,40(6):1-4

[4]陳發(fā),閻洪山,王學(xué)農(nóng),等.棉花現(xiàn)代生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備[M].烏魯木齊:新疆科學(xué)技術(shù)出版社,2008

[5]周亞立,劉向新,閆向輝.棉花收獲機(jī)械化[M].烏魯木齊:新疆科學(xué)技術(shù)出版社,2012

[6]Brashears A D,Hake K D.Comparing picking and stripping on the Texas high plains[C]//San Antonio：Beltwide Cotton Conferences,1995:652-654

[7]Faircloth J C,Hutchinson R,Barnett J,et al.An evaluation of alternative cotton harvesting methods in northeast louisiana a comparison of the brush stripper and spindle harvester[J].The Journal of Cotton Science,2004(8):55-61

[8]Wanjura D F,Brashears A D.Factors influencing cotton stripper performance[J].Transactions of the ASABE，1983,26(1):54-58

[9]新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)局.采棉機(jī)作業(yè)技術(shù)規(guī)程[J].新疆農(nóng)機(jī)化,2005(5):20-21

[10]韋全生.兵團(tuán)機(jī)采棉的推廣及配套技術(shù)[J].中國棉花,2006(12):26

[11]晉洪濤.入世以來我國棉花主產(chǎn)區(qū)競爭力變化與政策建議[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,40(1):6-10

[12]張佳喜,蔣永新,劉晨,等.新疆棉花全程機(jī)械化的實(shí)施現(xiàn)狀[J].中國農(nóng)機(jī)化,2012(3)：33-35

[13]喻樹迅,魏曉文.中國棉花生產(chǎn)與科技發(fā)展[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2000(2):39-42

[14]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 21397-2008棉花收獲機(jī)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008

[15]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 6499-2012原棉含雜率試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012

[16]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.NY/ T 1133-2006采棉機(jī)作業(yè)質(zhì)量[S].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2006

[17]陳魁.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M].北京,清華大學(xué)出版社,2007

[18]何義川,王序儉,王吉亮,等.4SZ-3.0型收膜整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,48(4):149-154

[19]楊柏峰,楊富民,陳海龍.啤特果酶解榨汁工藝條件優(yōu)選.[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,48(4):120-123

[20]王敏.機(jī)采棉清理加工工藝試驗(yàn)研究[D].蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2009

(責(zé)任編輯趙曉倩)

Analysis of influencing factors on cotton mechanized harvesting quality

HE Lei,LIU Xiang-xin,ZHAO Yan,ZHOU Ya-li,WANG Min

(Machinery Equipment Research Institute,Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science,Shihezi 832000,China)

Abstract：【Objective】In order to seek influence and relationship of sheded rate,harvesting speed and cropping pattern to the quality of picking cotton picker.【Method】 Utilizing L9(34)orthogonal design experiment,optimization of the parameters of various factors.【Result】 The operating speed had significant effect on collect rate,percentage of impurities and the comprehensive score;the effect of the sheded rate on the percentage of impurities and comprehensive score was very significant;the cropping pattern had significant effect on percentage of impurities,had no significant effect on collect rate and comprehensive score.The effect of the factors on the harvest quality was:harvesting speed> sheded rate > cropping pattern.【Conclusion】 When the harvesting speed was 4.5 km/h,sheded rate was 93.7%,cropping pattern was (660+100) mm,the collect rate was 95%,the percentage of impurities was 11%,the comprehensive score was 78.5 of cotton picker.

Key words：cotton picker；harvest quality;collect rate;percentage of impurities;orthogonal experiment

通信作者：劉向新，男，副研究員，碩士,主要從事棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化及機(jī)采棉加工工藝方面的研究.E-mail:nkynjslxx@163.com

基金項(xiàng)目：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)棉花專項(xiàng)(CARS-18-23)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203057-03).

收稿日期：2015-09-02；修回日期：2015-11-09

中圖分類號：S 566.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)01-0150-06

第一作者：何磊(1985-)，男，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化.E-mail:hl_sdjd@sohu.com