棉秆拉拔力影响因素的分析及试验

代振维，全腊珍,2，邹运梅,2，姚祖玉，尹益文

（1. 湖南农业大学 工学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128）

0 引言

棉秆是棉花收获之后留在田间的茎秆，棉秆的根茎较硬不易腐烂，能保存在土壤中较长的时间，且易造成病虫害的传播，对后茬作业生产不利，故棉秆必须拔除干净。据统计，我国棉花种植面积为600 万hm2，每年棉秆的产量约为3000 万t，若将这些棉秆用于制造纸张，每年可以节省林木资源12 万m3，与此同时，每100 万t 棉秆，产生的经济效益为10 亿元。我国传统的拔棉秆方式是通过人力进行拔取，每0.06hm2用工0.5个，不仅费时费力，且效率低下，若采用机械拔取棉秆，在减轻棉农劳动强度的同时，也可增加一定的经济收入，研究机械化拔棉秆技术成为了近年来棉花收获全程机械化技术的研究重点之一。

经过深入调查和研究，笔者基于杠杆平衡原理，开展了拉拔力的测试试验，并通过测试试验对各影响因素下的影响规律进行了研究，以期为棉花拔秆机械的设计提供数据参考。同时在棉花拔秆机构的设计过程中，合理的选取起拔角度，根据土壤情况及当地气候选取合适的收获时间段，将有利于减少动力的消耗，提高生产效率[1～8]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2014年2～3月在湖南农业大学棉花实验基地进行试验。选用品种为Jx013 号棉秆，其株距为88～92cm，行距为49～53cm，棉秆高度为86～112cm。棉秆试样按照生长良好、茎秆直挺、粗细均匀的基本原则进行选取[9，10]。

1.2 试验方法

（1）棉秆拉拔力的测定。棉根属于直根系，分为主根和侧根，侧根又生长支根。大部分的根系分布在耕作层以内，在土壤养分、水分和土质合适的情况下，根系生长相当发达，主根可深入土壤中2m 左右，侧根长度可达1m 以上[11]。

在对棉秆进行拔秆时，拉拔力将会随着拉拔位移的上升而不断变化。主根与侧根对土壤具有较强的吸附力，拔秆过程中要克服棉根与土壤的吸附力和摩擦阻力，一开始拉拔力将增长较快，当主根断裂以后，拉拔力将逐渐减小，直到将所有侧根拉断，棉秆才从土壤中拔出。棉秆拉拔过程中拉拔力的最大值称为起拔力。

拉拔力与土壤的吸附力和摩擦阻力相关，故土壤的水分以及土壤的紧实度将会影响棉秆的拉拔力。土壤的吸附力和摩擦阻力综合称为拉拔阻力，当拉拔力大于拉拔阻力时，棉秆才能顺利的从土壤中拔出；当拉拔力小于拉拔阻力时，棉秆不能拔出，甚至棉根将断裂遗留在土壤中[12，13]。

由人力拉拔棉秆测得其拉拔力较大，从而选用实验室中500N 的管型测力计进行拉拔力的测定，发现仍不能满足其要求，故增加一杠秆机构，见图1，利用杠秆平衡原理进行拉拔力的测量。由杠秆原理可以测得拉拔力F=FL·L23/L12。式中FL为管型测力计上的读数，L12和L23分别为杠秆支点两端的力臂长度，其中L12为阻力臂，取L12=60cm，L23为动力臂，取L23=120cm。

图1 拉拔力测定Fig.1 The drawing force determination

（2）棉秆拉拔位移的测定。测定棉秆拉拔位移时，选取拉拔位置为地面向上10cm 处。当棉秆从土壤中垂直拔出时，测量拔出过程中的6 个位移点，同时记录下每个位移点管型测力计的读数，按照杠秆原理将读数转换为拉拔力，每个位移点测量30 次，取其平均值。

（3）棉秆直径的测定。棉秆直径的测定从地面开始测量，每向上6cm 测量一次，依次测量4 次，取其平均值。取60 株作为试验样本。

（4）土壤含水率和紧实度的测定。测量土壤水分以及紧实度分别采用TDR200 土壤水分测量仪和SC—900 土壤紧实度测量仪，测量土壤层下20cm 处，在不同时间段内分别对同一块地测量60 个样本。

（5）起拔角度与起拔力的测定。测定起拔角度与起拔力时，选取拉拔位置为地面向上10cm 处。选取合适起拔的角度，将减小起拔力，利于降低功耗，提高收获效率。于棉田中测量相近生长而长势基本一致的棉柴，以不同角度拉拔，测量角度为0°～90°，每隔15°测量一次，依次测量7 次，测得不同角度的起拔力。每个测量角度的试验样本为30 株，起拔力取其平均值。

1.3 数据处理

本文将对所测数据用SPSS 软件进行拟合以及图形处理，运用回归分析和概率论的方法进行分析[14～16]。

2 结果与分析

2.1 棉秆拉拔力与拉拔位移的关系

棉秆拉拔过程中，拉拔力与位移的曲线如图2 所示。拔除棉秆需克服拉拔阻力，主要分为两个阶段： 第一，刚开始进行拉拔时，主根与侧根都具有较强的拉拔阻力，拉拔力随位移的变化而增长较快；第二，拉拔位移到一定距离时，主根与大部分侧根发生断裂，仅少许侧根产生拉拔阻力，拉拔力随位移变化而持续减小，直到侧根全部断裂，拉拔力将为0。当主根与侧根发生断裂的瞬间，拉拔力达到最大值，为棉秆的起拔力。在田间所测土壤含水率为28.6%时，土壤紧实度为9.74Kg/cm2时，拉拔位移为14cm，起拔力为880N；土壤含水率为17.5%时，土壤紧实度为14.18 Kg/cm2时，拉拔位移为12cm，起拔力为926N。由曲线可知，在土壤含水率相对较高，土壤紧实度相对较小的条件下，起拔力相对偏小，但拉拔位移相对偏大。

图2 不同位移点的拉拔力Fig.2 The drawing force of different displacement

2.2 棉秆起拔力与棉秆直径的关系

棉秆起拔力与棉秆直径的关系如图3 中散点图所示，棉秆直径与起拔力呈正相关关系，起拔力具有随棉秆直径的增大而增大的趋势，试验测得棉秆直径为9.9mm~21.7mm，起拔力为282N~926N。

2.3 棉秆起拔力与土壤含水率的关系

棉秆起拔力与土壤含水率的关系如图4 中散点图所示。棉秆起拔力与土壤含水率呈负相关关系，起拔力具有随土壤含水率的增加而减小的趋势。

图3 不同棉秆直径的起拔力Fig.3 The pulling force of the different cotton stalk diameter

图4 不同土壤含水率下的棉秆起拔力Fig.4 The pulling force of the cotton stalk under the different soil moisture content

图5 不同土壤紧实度下的棉秆起拔力Fig.5 The pulling force of the cotton stalk under the different soil compactness

图6 不同起拔角度下的棉秆起拔力Fig.6 The pulling force of the cotton stalk under the different draft angle

2.4 棉秆起拔力与土壤紧实度的关系

棉秆起拔力与土壤紧实度的关系如图5 中散点图所示。棉秆起拔力与土壤紧实度呈正相关关系，起拔力具有随土壤紧实度的增加而增加的趋势。

2.5 棉秆起拔力与起拔角度的关系

棉秆起拔力与起拔角度的曲线如图6 所示。棉秆起拔力随着起拔角度的增加而变化，主要呈现三个阶段： ①从0°～30°棉秆起拔力不断减小，该阶段拉拔力需克服横向的拉拔阻力，起拔力较大，且易将棉秆拔断；②从30°～45°棉秆起拔力增加平缓，该阶段拉拔力克服主根和部分侧根的拉拔阻力，起拔力偏小，故易从土壤中拔出；③从45°～90°棉秆起拔力不断增加，该阶段随着角度的增加，拉拔力需克服主根和越来越多侧根的拉拔阻力，起拔力将不断增大。

3 结论和讨论

通过不同棉秆直径起拔力的试验，得到棉秆直径是影响起拔力的关键因素，棉秆直径越大，起拔力越大，当所测棉秆直径最大值为21.7mm 时，最大起拔力为926N。设计拔棉秆机过程中，可依据当地棉秆的直径来考虑最大起拔力的需求，以期得到最优功率参数，从而选取合理的动力装置。

通过土壤水分及紧实度与棉秆起拔力的试验，分析得到土壤含水率与起拔力呈负相关回归关系，土壤紧实度与起拔力呈正相关回归关系。当土壤中水分较高（28.6%），土壤紧实度较小（9.74kg/cm2）时，拉拔位移为14cm，最大拉拔力为880N；当土壤中水分较低（17.5%），土壤紧实度较大（14.18kg/cm2）时，拉拔位移为12cm，最大拉拔力为926N。如需使用拔秆机拔取棉秆，可根据当地气候情况适当考虑在雨后3~5日内拔取棉秆，减小起拔力，有利于减小动力的消耗，提高效率。

通过起拔力与起拔角度的试验，得到起拔角度是影响棉秆起拔力的一个重要因素，试验测得起拔角度为30°～45°时，起拔力较小。设计拔棉杆机时可根据所测角度适当将拔秆角度控制在35°左右，减小起拔力，有利于降低功率，减小功耗。

由于棉花茎秆生长情况、土壤情况的差异性，试验所测数据及方程更适合为南方地区拔秆机提供参考，若在其它地区设计拔秆机时，可根据当地实际茎秆生长情况及土壤情况进行试验得出各项数据参数。

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