棉株茎秆物理机械特性的测定分析

陈福祥,王维新,李 霞,闫毅敏

（石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003）

0 引言

棉花是我国纺织业主要原料来源。2018年，我国棉花种植面积达到317.8万hm2。近年来，由于良种棉花培育技术和先进种植技术的推广普及，我国棉花种植机械化水平不断提高，接近发达国家水平。目前，高质量的棉花打顶机械亟待研制，棉花打顶是通过棉花顶端切除消除顶端生长优势，调节棉花的生长，促进棉花早结铃、多结铃，以提高棉花的产量。由于国内棉花打顶作业主要是以人工打顶为主，不仅劳动强度大、效率低、作业环境恶劣，而且延长了打顶期限。国外主要采用药物对棉花顶尖进行处理，药物控制受到天气、温度等自然因素影响，而且会带来环境污染问题。棉花机械打顶作为棉花种植生产全程机械化必不可少的一环，所以高质量的棉花打顶机械的研制具有重要意义。

棉花茎秆的的物理机械特性对于棉花动态仿形打顶技术和装置的研究至关重要。近年来，研究人员主要研究棉花打顶机机械设计及控制系统的设计，但针对棉花生长状况、分布规律和茎秆的物理机械特性的研究鲜有报道。

1 棉花种植地的选择

试验地选择在石河子大学试验场棉田进行。试验棉田为一年一熟型；棉株种植密度为1.3～1.4万株/667m2；试验棉花品种为新疆陆地早熟棉花52号；试验温度为37度；试验时间为2018年7月1日，棉花处于打顶期，生长状况良好。

2 测定试验内容及数据统计分析

测定的棉花茎秆的物理机械特性主要包括棉花自然生长状态的分布规律、物理特征参数和棉花顶部茎秆的力学特性，是棉花顶端仿形切割装置设计与开发的最根本依据，是使棉花打顶机械、工艺和操作规程达到最大工作效率、最优质量的基础。

2.1 棉花生长模式和物理特性参数的测定

2.1.1 测定仪器设备

卷尺（量程0～5 mm，精度 1 mm）、直尺（量程 0～500 mm、精度1 mm）、数码相机。

2.1.2 测定试验方法

参考棉花生物学和农业田间试验方法，结合棉花顶部打顶装置的设计要求，选择处于打顶期的棉花，将棉花自然高度、棉花棉尖前后垂直间距2个参数作为棉花基本物理特性参数的评价指标。避开地头河沟区，选择棉株长势均匀处。在采集样本区内，选择范围为100×100 m的采集样本区。在采集样本区随机设定5个样本区，每个样本区采样2行，每行连续采样100个样本，共计1000个样本，通过数理统计分析棉花茎秆物理特征参数评价指标变化区间和分布规律。

2.1.3 试验统计指标与结果

试验统计指标主要从包括平均数、标准差、方差和变异系数，其计算统计公式见公式（1）、公式（2）、公式（3）、公式（4），有

其中，为所有样本的平均值。

其中，S为样本的标准偏为所有样本的平均值。统计结果如表1所示，1 000个样本的概率分布如图1所示。

表1 棉花基本物理特性参数

2.1.4 试验数据分析与讨论

由表1可知，棉花自然高度最大值与最小值差是34 cm，棉花高度的变异系数为0.14，变异系数略小，但少数棉花高度差异大，加大了棉花顶部仿形精度的要求；棉尖前后间距最大值与最小值差是23 cm，棉花棉尖前后间距变异系数较大，为0.27，前后间隔均匀性差异较大，给仿形加大了难度。

图1 棉花生长模式分布直方图

由图1（a）可知，棉花自然高度主要分布在40～55 cm，占据样本总量的76%；由图1（b）可知，棉花顶尖前后间距主要分布在10～25 cm，占据样本总量的87%，还有3%棉花棉尖前后间距处于30～35 cm，多数是由于播种空穴和棉苗死亡导致的少数棉花缺失。

2.2 棉花顶部茎秆的机械力学特性

2.2.1 试验设备

TA.XT Plus型质构仪（英国Stable Micro System公司设计生产，测试速度范围:0.01～40 mm/s，测试距离精度:0.001 mm，测试力量精度:0.1g，游标卡尺，计算机。相关数据和图形直接由计算机直接记录和呈现，所有数据都可以通过指定文件读出。

2.2.2 试验方法

从上述1 000个样本中采集生长状况良好的棉花，在其茎秆距离顶端50 mm处剪断，取样后去除枝叶、顶芽，截取10 mm茎秆作为试验对象。对于试验样本，直径采用游标卡尺进行测量，经过多次测量取平均值。

对样本茎秆进行压缩试验时，首先将质构仪与计算机相连接，开启记录软件，使用质构仪自带的柱形探头。然后。选取10株样本分别置于质构仪测试平台上，处于探头中心位置，施加速度为1 mm/s，探头接触样本后继续运行1 mm，完成10组试验，试验获得每个压缩的触发力-时间关系曲线。

2.2.3 试验结果统计和分析

根据需求选取直径为5.4 mm棉尖茎秆作为试验样本，在质构仪上进行实验，通过计算机记录下棉尖茎秆触发力与时间的变化轨迹。随着时间的变化，压缩过程中棉尖茎秆触发力变化如图2。

图2 触发力-时间关系图

棉尖顶部茎秆压缩试验结果如下表：

表2 棉花基本物理特性参数

图3 触发力-直径关系图

2.2.4 试验数据分析与讨论

由图2可知，棉尖茎秆触发力随着压缩时间增大先增大，当探头压缩时间达到1s时，触发力达到最大值14.89 N，然后棉花顶尖触发力逐渐减小，直至趋于平稳。

由表格2可知，棉尖茎秆直径平均值为5.6 mm，触发力平均值为16.74 N，棉花棉尖茎秆触发力数值较小。

由图3可知，棉花棉尖触发力与棉尖茎秆直径呈线性正相关。

3 结论

（1）棉花自然高度最大值和最小值差是34 cm，棉花自然高度主要集中在40～45 cm，变异系数小，离散程度低，表明少部分棉花高度变化较大，打顶机升降机构对不同自然高度的棉花适应性强，为棉花顶端仿形提出了较高要求。

（2）棉花棉尖前后间距范围是10～33 cm，变异系数为0.27，棉尖前后间隔变化较大，为打顶机切割刀具大小的设计、打顶机升降机构升降速度和打顶机作业行进速度的设定提供了依据。

（3）棉花棉尖茎秆触发力与棉尖茎秆直径呈线性正相关，棉花棉尖茎秆触发力平均值为16.74 N，数值较小，对棉花机械打顶影响不大。