張龍唱，張宏文，王磊，傅秀清，李樹(shù)峰，王軍，谷艷清

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210031)

棉花是錦葵科棉屬植物的纖維，原產(chǎn)地位于亞熱帶地區(qū)，品種繁多，用途廣泛，是世界上重要的經(jīng)濟(jì)作物，對(duì)中國(guó)以及世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要作用.世界主要棉花產(chǎn)區(qū)位于中國(guó)、美國(guó)、印度、烏茲別克斯坦、埃及等地，棉花具有產(chǎn)量高、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，棉花的用途也越來(lái)越廣泛，主要用于紡織、精細(xì)化工原料以及國(guó)家重要戰(zhàn)略物資等[1-2].

在棉花種植業(yè)中，收獲是其中最關(guān)鍵的一環(huán)，棉花收獲方式主要有2種，即人工采收與機(jī)械采收.人工采收棉花含雜率低，纖維品質(zhì)高，但耗時(shí)耗力，工作效率低且成本高，降低了棉花的經(jīng)濟(jì)效益；機(jī)械采收棉花工作效率高，采收成本低，但含雜率較高且機(jī)械采收易損傷棉纖維.近年來(lái)隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的不斷發(fā)展，新疆機(jī)采棉種植面積達(dá)264.4萬(wàn)hm2，機(jī)械化采收率已超過(guò)42%，棉花機(jī)械化采收技術(shù)已漸成熟[3-5].

在機(jī)械采收過(guò)程中，棉花采摘力學(xué)特性是影響棉花收獲的重要因素，也是設(shè)計(jì)棉花收獲機(jī)械的重要依據(jù).Friesen等在研究新品種抗風(fēng)暴棉時(shí)提出棉花與鈴殼間分離力與鈴殼開(kāi)放角度有關(guān)[6]；前蘇聯(lián)科學(xué)家通過(guò)單因素試驗(yàn)對(duì)比分析了下霜前后棉花與鈴殼間分離力的變化規(guī)律[7]；李勇通過(guò)單因素試驗(yàn)探究了一天中不同時(shí)段棉花與鈴殼間分離力與棉花含水率的關(guān)系，提出棉花含水率對(duì)棉花鈴殼分離力有較顯著影響[8]；史諾等通過(guò)中心組合試驗(yàn)分析了含水率、取樣部位以及加載強(qiáng)度對(duì)棉桿擠壓剝皮剪切力學(xué)特性的影響規(guī)律，為設(shè)計(jì)高效、低耗的棉桿剝皮設(shè)備提供了理論參考[9]；張宏文研究了‘新陸早26號(hào)’機(jī)采棉棉鈴及棉株的物理參數(shù)，同時(shí)測(cè)量了棉株各部分的連接力以及棉花與膠棒間的摩擦系數(shù)，為膠棒滾筒棉花采摘頭的設(shè)計(jì)提供了理論支持[10]；王修山等研究了棉花鈴殼殼重率對(duì)絨長(zhǎng)、衣分的影響，建立了棉鈴體積測(cè)算模型，為進(jìn)一步分析棉花的經(jīng)濟(jì)效益提供了基礎(chǔ)[11]

綜上所述，國(guó)內(nèi)外針對(duì)機(jī)采棉采摘力學(xué)特性的研究較少且較為基礎(chǔ)，未考慮棉花成熟度、棉花品種以及多因素交互作用對(duì)機(jī)采棉采摘力學(xué)特性的影響規(guī)律.針對(duì)上述問(wèn)題，本文以棉花噴灑脫葉劑后的時(shí)間作為棉花成熟度的衡量指標(biāo)，以棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力為機(jī)采棉采摘力學(xué)特性指標(biāo)，通過(guò)全因子試驗(yàn)研究棉花含水率、棉花成熟時(shí)間以及棉花品種對(duì)棉花采摘力學(xué)特性的影響，建立各影響因素與機(jī)采棉采摘力學(xué)特性的回歸模型，分析多因素綜合影響對(duì)機(jī)采棉采摘力學(xué)特性的影響規(guī)律，為尋找棉花的合理采收時(shí)間以及確定棉花收獲機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)的合理范圍提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)因素

機(jī)采棉品種、含水率以及成熟度對(duì)機(jī)采棉采摘力學(xué)特性均有一定影響[7-8]，同時(shí)機(jī)采棉機(jī)械化采收過(guò)程中對(duì)棉花含水率、棉花成熟度有一定要求[12]：棉花含水率≤12%，棉鈴?fù)滦趼省?5%，脫葉率≥80%.機(jī)采棉生長(zhǎng)到一定時(shí)間須通過(guò)噴施脫葉劑使葉子脫落為機(jī)械化采收做準(zhǔn)備，因而本文以棉花噴灑脫葉劑后的時(shí)間作為棉花成熟度的衡量指標(biāo)，以下稱該指標(biāo)為棉花成熟時(shí)間.綜上，本文選取棉花品種、棉花含水率、棉花成熟時(shí)間為試驗(yàn)因素；機(jī)采棉含水率過(guò)低在機(jī)械化采收時(shí)容易引發(fā)火災(zāi)[13]，含水率過(guò)高會(huì)影響機(jī)采棉加工且不利于機(jī)械化采收[12]，本文選取含水率水平范圍為：4%～12%；查閱脫葉劑脫葉效果的相關(guān)文獻(xiàn)，脫葉劑噴施15 d后即可滿足機(jī)采棉脫葉率以及吐絮率要求[14]，同時(shí)考慮到采棉機(jī)作業(yè)時(shí)間約為30 d，因而本文選取棉花成熟時(shí)間范圍為15～45 d.

1.2 試驗(yàn)材料

在新疆采棉機(jī)械化的實(shí)施過(guò)程中，將按機(jī)械收獲方式種植的棉花稱為機(jī)采棉，且經(jīng)過(guò)幾十年的棉花種植實(shí)踐，新疆棉區(qū)機(jī)采棉形成了特有的“矮、密、早”生長(zhǎng)特性.本文以新疆石河子地區(qū)具有代表性的機(jī)采棉品種‘新陸中66號(hào)’‘中棉293號(hào)’為試驗(yàn)對(duì)象，樣本取自取自石河子146團(tuán)六分場(chǎng)七連，試驗(yàn)棉田采用66 cm+10 cm的寬窄行種植模式(適應(yīng)機(jī)械化棉花收獲)，于2019年4月25日播種，9月10日噴灑脫葉劑.為避免其他未知因素干擾，保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，在噴施脫葉劑當(dāng)天，選取長(zhǎng)勢(shì)良好、無(wú)病蟲害的棉株，考慮到棉桃成熟時(shí)間、采光效果以及棉花品質(zhì)，將棉株自下而上第四果枝靠近主莖處的棉花作為試驗(yàn)樣本進(jìn)行標(biāo)記，試驗(yàn)材料分別于9月25日、10月2日、10月9日、10月16日、10月23日中午12時(shí)采樣，共采樣5批次.

1.3 試驗(yàn)儀器設(shè)備

棉花采摘力學(xué)特性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，可進(jìn)行棉花與鈴殼間分離力以及棉花自身扯斷力的測(cè)試.

圖1 棉花采摘力學(xué)特性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)Figure.1 Experiment table of the mechanical properties of cotton picking test

試驗(yàn)過(guò)程中所用儀器如下：HY-0580電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、美國(guó)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(jī)(佳能中國(guó)，有效像素：1 510萬(wàn))、101-1BS電熱鼓風(fēng)干燥箱、德國(guó)Sartorius MA100快速水分測(cè)定儀(量程0～100 g，精度0.1 mg，可讀性0.001%，溫度設(shè)定40℃～230℃)，SPS402F精密電子天平(美國(guó)Ohaus Scout Pro，量程0～400 g，精度0.01 g)、皮尺、鋼板尺等.

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 樣品制備 為探究含水率對(duì)棉花采摘力學(xué)特性的影響，需制備不同含水率水平的棉花.參照GB/T 6102.1-2006含水率的測(cè)定方法，將采集的棉花進(jìn)行抽樣檢測(cè)，初步測(cè)得樣品的棉花含水率(干基)，然后采用先復(fù)水后烘干的方法獲取不同水平含水率.試驗(yàn)設(shè)定棉花含水率的取值范圍為4%～12%，將每批次樣本平均分為5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(shí)間以保證含水率均勻穩(wěn)定，然后將5組樣本分別放入干燥箱中，間隔一定時(shí)間測(cè)定含水率，達(dá)到含水率預(yù)設(shè)值時(shí)取出，裝入保鮮袋中封存[15-16].

測(cè)定試樣含水率時(shí)，將干凈的干燥紙放入MA100水分測(cè)試儀鋁碟中，儀器重新置零.用尖彎嘴鑷子將試樣放入MA100水分測(cè)試儀干燥紙上.稱重并記錄烘干前試樣的質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.001 g.設(shè)定水分測(cè)試儀以(105±3)℃對(duì)試樣進(jìn)行烘干，當(dāng)烘干完成后，儀器自動(dòng)停止加熱并發(fā)出提示音，此時(shí)讀取并記錄烘干后試樣的質(zhì)量[12].含水率的計(jì)算公式如下：

(1)

式中，W為所測(cè)棉花的含水率，%；G為試樣烘干前的質(zhì)量，g；G0為試樣烘干后的質(zhì)量，g.

1.4.2 棉花與鈴殼間分離力的測(cè)定 測(cè)試時(shí)，在每個(gè)棉鈴上任取兩瓣棉花進(jìn)行棉花與鈴殼間分離力測(cè)試，通過(guò)機(jī)臺(tái)的臺(tái)鉗將棉柄垂直夾持在機(jī)臺(tái)的臺(tái)盤上，棉花夾持在推拉力計(jì)的測(cè)試端，然后調(diào)整棉柄在臺(tái)盤上的夾持位置，使棉柄、棉花夾持點(diǎn)以及推拉力計(jì)的測(cè)試桿處于同一垂直線上.為避免試驗(yàn)時(shí)存在加速度導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，以及提高試驗(yàn)效率，試驗(yàn)中電動(dòng)機(jī)臺(tái)以90 mm/min的速度勻速將棉花與鈴殼分離，并通過(guò)計(jì)算機(jī)終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)[10].

1.4.3 棉花自身扯斷力的測(cè)定 對(duì)上述試驗(yàn)中同一棉鈴上剩余兩瓣棉花進(jìn)行棉花自身扯斷力測(cè)試，測(cè)試時(shí)將棉花完整的從鈴殼上取下，調(diào)整機(jī)臺(tái)，棉花的兩端分別夾持在推拉力計(jì)夾具、機(jī)臺(tái)夾具上，推拉力計(jì)置零，開(kāi)始測(cè)試.為避免試驗(yàn)時(shí)存在加速度導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，以及提高試驗(yàn)效率，試驗(yàn)中電動(dòng)機(jī)臺(tái)以90 mm/min的速度勻速將棉花與鈴殼分離，并通過(guò)計(jì)算機(jī)終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)[10].

1.4.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以棉花品種、棉花含水率、棉花成熟時(shí)間作為影響因子，以棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力為響應(yīng)指標(biāo)，試驗(yàn)因子與水平編碼表如表1所示.制定全因子試驗(yàn)方案，安排50組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)10次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果[19-24]，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2.

表1 試驗(yàn)因素與水平編碼

表2 全因子試驗(yàn)方案與結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花采摘力學(xué)特性及其影響因素的極差分析

對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，如表3所示.由極差分析結(jié)果可知，對(duì)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：成熟時(shí)間>含水率>棉花品種，且成熟時(shí)間對(duì)棉花與鈴殼間分離力的影響遠(yuǎn)大于含水率和棉花品種；在含水率為4%、12%時(shí)，棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力取到最大、最小值；在成熟時(shí)間為29、43 d時(shí)，棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力取到最大、最小值.

表3 棉花采摘力學(xué)特性的極差分析

2.2 棉花采摘力學(xué)特性及其影響因素的方差分析

極差分析法無(wú)法區(qū)分試驗(yàn)中由試驗(yàn)條件改變引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)和試驗(yàn)誤差引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)，為了彌補(bǔ)極差分析法的缺陷，本文采用SPSS對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到不同成熟度棉花采摘力學(xué)特性方差分析結(jié)果，如表4所示.方差分析結(jié)果表明，含水率、成熟時(shí)間以及棉花品種對(duì)棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力的影響均極顯著(P<0.01)，對(duì)于棉花與鈴殼間分離力，各影響因素F值由大到小的順序?yàn)椋撼墒鞎r(shí)間>棉花品種>含水率，對(duì)于棉花自身扯斷力，各影響因素F值由大到小的順序?yàn)椋撼墒鞎r(shí)間>含水率>棉花品種，這與極差分析結(jié)果略有差異[25-30].

表4 棉花采摘力學(xué)特性的方差分析

2.3 單因素對(duì)棉花采摘力學(xué)特性的影響

對(duì)表2數(shù)據(jù)各因素水平下棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力求取平均值，如表5所示.

針對(duì)不同品種棉花，分別以棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力為縱坐標(biāo)(y)，以含水率、成熟時(shí)間為橫坐標(biāo)(x)，對(duì)表5數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，回歸分析結(jié)果如表6所示.由表6可知，對(duì)于2個(gè)品種棉花，成熟時(shí)間與棉花與鈴殼間分離力呈顯著非線性相關(guān)(P<0.01，R2>0.88)，成熟時(shí)間與棉花自身扯斷力呈顯著非線性相關(guān)(P<0.01，R2>0.93)，含水率與棉花自身扯斷力呈極顯著正相關(guān)(P<0.01，R2>0.99)，含水率與棉花與鈴殼間分離力呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01，R2>0.99)[31-35].

表5 試驗(yàn)結(jié)果因素指標(biāo)分析

表6 棉花采摘力學(xué)特性與其影響因素的回歸分析結(jié)果

根據(jù)表6回歸模型，繪制成熟時(shí)間與棉花采摘力學(xué)特性的影響關(guān)系曲線，如圖2所示.由圖2可知，成熟時(shí)間對(duì)棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力的單因素效應(yīng)曲線均為拋物線.對(duì)于上述2種機(jī)采棉，當(dāng)成熟時(shí)間為27 d時(shí)，其棉花與鈴殼間分離力近似達(dá)到最大值，當(dāng)成熟時(shí)間大于或者小于27 d時(shí)，棉花與鈴殼間分離力均呈現(xiàn)下降趨勢(shì).棉花在成熟過(guò)程中棉花與鈴殼間的結(jié)合力逐漸增大，增大到一定程度時(shí)，棉株停止對(duì)棉花的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，棉花與鈴殼間分離力逐漸減小.

對(duì)于上述2種機(jī)采棉，當(dāng)成熟時(shí)間為34 d時(shí)，其棉花自身扯斷力近似達(dá)到最大值，當(dāng)成熟時(shí)間大于或小于34 d時(shí)，棉花自身扯斷力均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在測(cè)試區(qū)間內(nèi)，棉花自身扯斷力呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì).從圖中可以看出，在成熟時(shí)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，較大的棉花自身扯斷力使棉花不被扯斷，同時(shí)較小的棉花與鈴殼間分離力使棉花容易采摘，保證了棉花的有效采摘.

圖2 不同品種機(jī)采棉成熟時(shí)間與棉花采摘力學(xué)特性的影響關(guān)系Figure 2 Relationship between ripening time of different cotton varieties and the mechanical properties of cotton picking

根據(jù)表5回歸模型，繪制含水率與棉花采摘力學(xué)特性的影響關(guān)系曲線，如圖3所示.由圖3可知，當(dāng)含水率為4%時(shí)，棉花與鈴殼間分離力最大，棉花自身扯斷力最??；當(dāng)含水率為12%時(shí)，棉花與鈴殼間分離力最小，棉花自身扯斷力最大.棉花與鈴殼間分離力與含水率總體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，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.從圖中可以看出，在含水率相同的情況下，棉花自身扯斷力始終大于棉花與鈴殼間分離力，保證了在棉花采摘過(guò)程中既能完整采下棉花，又不把棉花扯斷，有助于提高采棉質(zhì)量.因此在棉花采摘過(guò)程中，在合適的含水率范圍內(nèi)，含水率越高棉花采摘效果越好.

圖3 不同品種機(jī)采棉含水率與棉花采摘力學(xué)特性的影響關(guān)系Figure 3 Relationship between the moisture content of different varieties of cotton and the mechanical properties of cotton picking

2.4 雙因素對(duì)棉花采摘力學(xué)特性的影響

采用數(shù)據(jù)處理軟件Design Expert10對(duì)表5數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到上述2種機(jī)采棉成熟時(shí)間、含水率與棉花自身扯斷力、棉花與鈴殼間分離力的響應(yīng)曲面圖，如圖4～5所示.

由圖4可知，對(duì)于2品種的棉花，隨著棉花含水率的提高，棉花與鈴殼間的分離力整體逐漸減小；隨著成熟時(shí)間增加，棉花與鈴殼間分離力整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且相對(duì)于含水率，棉花成熟時(shí)間對(duì)棉花與鈴殼間分離力的影響更大.當(dāng)成熟時(shí)間近似為29 d，含水率近似為4%時(shí)，棉花與鈴殼間分離力達(dá)到最大值；當(dāng)成熟時(shí)間近似為43 d，含水率為12%時(shí)，棉花與鈴殼間分離力達(dá)到最小值；上述分析與單因素效應(yīng)下棉花與鈴殼間分離力取得最大值、最小值的條件相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了單因素分析的結(jié)果.

圖4 含水率、成熟時(shí)間對(duì)棉花與鈴殼間分離力的影響Figure 4 Effect of the moisture content and the ripening time on the force of the cotton separating from cotton boll shell

圖5 含水率、成熟時(shí)間對(duì)棉花自身扯斷力的影響Figure 5 Effect of the moisture content and the ripening time on the force of the tearing force of the cotton wool itself

由圖5可知，隨著棉花含水率的提高，棉花自身扯斷力整體逐漸增大；同時(shí)隨著成熟時(shí)間增加，棉花自身扯斷力整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且成熟時(shí)間對(duì)棉花自身扯斷力的影響遠(yuǎn)大于含水率的影響.當(dāng)成熟時(shí)間近似為29 d，含水率近似為12%時(shí)，棉花自身扯斷力達(dá)到最大值；當(dāng)成熟時(shí)間近似為14 d，含水率近似為4%時(shí)，棉花自身扯斷力達(dá)到最小值；上述分析與單因素效應(yīng)下棉花自身扯斷力取得最大值、最小值的條件相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了單因素分析的結(jié)果.對(duì)比分析圖4～5，在相同因素水平下，棉花自身扯斷力始終大于棉花與鈴殼間的分離力，與單因素分析結(jié)果相同，這保證了棉花的有效采摘，即在棉花不扯斷的前提下，棉花與鈴殼能夠完整分離.

3 結(jié)論

采用全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析、方差分析，得出含水率、成熟時(shí)間以及棉花品種對(duì)棉花與鈴殼間分離力、棉花自身扯斷力的影響均極顯著(P<0.01)，對(duì)于棉花與鈴殼間分離力，各影響因素的主次順序?yàn)椋撼墒鞎r(shí)間>棉花品種>含水率，對(duì)于棉花自身扯斷力，各影響因素的主次順序?yàn)椋撼墒鞎r(shí)間>含水率>棉花品種，且成熟時(shí)間對(duì)棉花采摘力學(xué)特性的影響遠(yuǎn)大于含水率和棉花品種.

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(shí)隨著成熟時(shí)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(shì)，并且在相同因素水平下，棉花自身扯斷力始終大于棉花與鈴殼間的分離力.

通過(guò)響應(yīng)曲面圖分析試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的影響，當(dāng)成熟時(shí)間近似為29 d，含水率近似為4%時(shí)，棉花與鈴殼間的分離力達(dá)到理論上的最大值，當(dāng)成熟時(shí)間近似為43 d，含水率為12%時(shí)，棉花與鈴殼間分離力達(dá)到理論上的最小值；當(dāng)成熟時(shí)間為29 d，含水率為12%時(shí)，棉花自身扯斷力達(dá)到理論上的最大值；當(dāng)成熟時(shí)間為14 d，含水率為4時(shí)，棉花自身扯斷力達(dá)到理論上的最小值.

以上研究可為高效、低耗的棉花收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)和使用提供參考，同時(shí)也可為確定棉花合理收獲條件提供支撐.