不同成熟度机采棉采摘力学特性试验

张龙唱，张宏文，王磊，傅秀清，李树峰，王军，谷艳清

(1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；2.农业农村部西北农业装备重点实验室，新疆 石河子 832003；3.南京农业大学，江苏 南京 210031)

棉花是锦葵科棉属植物的纤维，原产地位于亚热带地区，品种繁多，用途广泛，是世界上重要的经济作物，对中国以及世界经济的发展具有重要作用.世界主要棉花产区位于中国、美国、印度、乌兹别克斯坦、埃及等地，棉花具有产量高、生产成本低等特点，随着经济的发展，棉花的用途也越来越广泛，主要用于纺织、精细化工原料以及国家重要战略物资等[1-2].

在棉花种植业中，收获是其中最关键的一环，棉花收获方式主要有2种，即人工采收与机械采收.人工采收棉花含杂率低，纤维品质高，但耗时耗力，工作效率低且成本高，降低了棉花的经济效益；机械采收棉花工作效率高，采收成本低，但含杂率较高且机械采收易损伤棉纤维.近年来随着农业机械化进程的不断发展，新疆机采棉种植面积达264.4万hm2，机械化采收率已超过42%，棉花机械化采收技术已渐成熟[3-5].

在机械采收过程中，棉花采摘力学特性是影响棉花收获的重要因素，也是设计棉花收获机械的重要依据.Friesen等在研究新品种抗风暴棉时提出棉花与铃壳间分离力与铃壳开放角度有关[6]；前苏联科学家通过单因素试验对比分析了下霜前后棉花与铃壳间分离力的变化规律[7]；李勇通过单因素试验探究了一天中不同时段棉花与铃壳间分离力与棉花含水率的关系，提出棉花含水率对棉花铃壳分离力有较显著影响[8]；史诺等通过中心组合试验分析了含水率、取样部位以及加载强度对棉杆挤压剥皮剪切力学特性的影响规律，为设计高效、低耗的棉杆剥皮设备提供了理论参考[9]；张宏文研究了‘新陆早26号’机采棉棉铃及棉株的物理参数，同时测量了棉株各部分的连接力以及棉花与胶棒间的摩擦系数，为胶棒滚筒棉花采摘头的设计提供了理论支持[10]；王修山等研究了棉花铃壳壳重率对绒长、衣分的影响，建立了棉铃体积测算模型，为进一步分析棉花的经济效益提供了基础[11]

综上所述，国内外针对机采棉采摘力学特性的研究较少且较为基础，未考虑棉花成熟度、棉花品种以及多因素交互作用对机采棉采摘力学特性的影响规律.针对上述问题，本文以棉花喷洒脱叶剂后的时间作为棉花成熟度的衡量指标，以棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力为机采棉采摘力学特性指标，通过全因子试验研究棉花含水率、棉花成熟时间以及棉花品种对棉花采摘力学特性的影响，建立各影响因素与机采棉采摘力学特性的回归模型，分析多因素综合影响对机采棉采摘力学特性的影响规律，为寻找棉花的合理采收时间以及确定棉花收获机械设计参数的合理范围提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验因素

机采棉品种、含水率以及成熟度对机采棉采摘力学特性均有一定影响[7-8]，同时机采棉机械化采收过程中对棉花含水率、棉花成熟度有一定要求[12]：棉花含水率≤12%，棉铃吐絮率≥85%，脱叶率≥80%.机采棉生长到一定时间须通过喷施脱叶剂使叶子脱落为机械化采收做准备，因而本文以棉花喷洒脱叶剂后的时间作为棉花成熟度的衡量指标，以下称该指标为棉花成熟时间.综上，本文选取棉花品种、棉花含水率、棉花成熟时间为试验因素；机采棉含水率过低在机械化采收时容易引发火灾[13]，含水率过高会影响机采棉加工且不利于机械化采收[12]，本文选取含水率水平范围为：4%～12%；查阅脱叶剂脱叶效果的相关文献，脱叶剂喷施15 d后即可满足机采棉脱叶率以及吐絮率要求[14]，同时考虑到采棉机作业时间约为30 d，因而本文选取棉花成熟时间范围为15～45 d.

1.2 试验材料

在新疆采棉机械化的实施过程中，将按机械收获方式种植的棉花称为机采棉，且经过几十年的棉花种植实践，新疆棉区机采棉形成了特有的“矮、密、早”生长特性.本文以新疆石河子地区具有代表性的机采棉品种‘新陆中66号’‘中棉293号’为试验对象，样本取自取自石河子146团六分场七连，试验棉田采用66 cm+10 cm的宽窄行种植模式(适应机械化棉花收获)，于2019年4月25日播种，9月10日喷洒脱叶剂.为避免其他未知因素干扰，保证试验结果的有效性，在喷施脱叶剂当天，选取长势良好、无病虫害的棉株，考虑到棉桃成熟时间、采光效果以及棉花品质，将棉株自下而上第四果枝靠近主茎处的棉花作为试验样本进行标记，试验材料分别于9月25日、10月2日、10月9日、10月16日、10月23日中午12时采样，共采样5批次.

1.3 试验仪器设备

棉花采摘力学特性测试试验台如图1所示，可进行棉花与铃壳间分离力以及棉花自身扯断力的测试.

图1 棉花采摘力学特性测试试验台Figure.1 Experiment table of the mechanical properties of cotton picking test

试验过程中所用仪器如下：HY-0580电子万能材料试验机、美国TRANSCELL S型拉式传感器BAB-5MT(量程0～50 N，精度0.001 N)、Canon 500D单反数码相机(佳能中国，有效像素：1 510万)、101-1BS电热鼓风干燥箱、德国Sartorius MA100快速水分测定仪(量程0～100 g，精度0.1 mg，可读性0.001%，温度设定40℃～230℃)，SPS402F精密电子天平(美国Ohaus Scout Pro，量程0～400 g，精度0.01 g)、皮尺、钢板尺等.

1.4 试验方法

1.4.1 样品制备 为探究含水率对棉花采摘力学特性的影响，需制备不同含水率水平的棉花.参照GB/T 6102.1-2006含水率的测定方法，将采集的棉花进行抽样检测，初步测得样品的棉花含水率(干基)，然后采用先复水后烘干的方法获取不同水平含水率.试验设定棉花含水率的取值范围为4%～12%，将每批次样本平均分为5组，根据干基含水率范围，在棉花样本上喷洒适量蒸馏水，将样本放入保鲜袋中一段时间以保证含水率均匀稳定，然后将5组样本分别放入干燥箱中，间隔一定时间测定含水率，达到含水率预设值时取出，装入保鲜袋中封存[15-16].

测定试样含水率时，将干净的干燥纸放入MA100水分测试仪铝碟中，仪器重新置零.用尖弯嘴镊子将试样放入MA100水分测试仪干燥纸上.称重并记录烘干前试样的质量，准确至0.001 g.设定水分测试仪以(105±3)℃对试样进行烘干，当烘干完成后，仪器自动停止加热并发出提示音，此时读取并记录烘干后试样的质量[12].含水率的计算公式如下：

(1)

式中，W为所测棉花的含水率，%；G为试样烘干前的质量，g；G0为试样烘干后的质量，g.

1.4.2 棉花与铃壳间分离力的测定 测试时，在每个棉铃上任取两瓣棉花进行棉花与铃壳间分离力测试，通过机台的台钳将棉柄垂直夹持在机台的台盘上，棉花夹持在推拉力计的测试端，然后调整棉柄在台盘上的夹持位置，使棉柄、棉花夹持点以及推拉力计的测试杆处于同一垂直线上.为避免试验时存在加速度导致试验结果不准确，以及提高试验效率，试验中电动机台以90 mm/min的速度匀速将棉花与铃壳分离，并通过计算机终端数据采集系统采集试验数据[10].

1.4.3 棉花自身扯断力的测定 对上述试验中同一棉铃上剩余两瓣棉花进行棉花自身扯断力测试，测试时将棉花完整的从铃壳上取下，调整机台，棉花的两端分别夹持在推拉力计夹具、机台夹具上，推拉力计置零，开始测试.为避免试验时存在加速度导致试验结果不准确，以及提高试验效率，试验中电动机台以90 mm/min的速度匀速将棉花与铃壳分离，并通过计算机终端数据采集系统采集试验数据[10].

1.4.4 试验设计 采用全因子试验设计，以棉花品种、棉花含水率、棉花成熟时间作为影响因子，以棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力为响应指标，试验因子与水平编码表如表1所示.制定全因子试验方案，安排50组试验，每组试验重复10次，取平均值作为试验结果[19-24]，试验方案及结果见表2.

表1 试验因素与水平编码

表2 全因子试验方案与结果

2 结果与分析

2.1 棉花采摘力学特性及其影响因素的极差分析

对上述试验数据进行极差分析，如表3所示.由极差分析结果可知，对于棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力，各影响因素的主次顺序均为：成熟时间>含水率>棉花品种，且成熟时间对棉花与铃壳间分离力的影响远大于含水率和棉花品种；在含水率为4%、12%时，棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力取到最大、最小值；在成熟时间为29、43 d时，棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力取到最大、最小值.

表3 棉花采摘力学特性的极差分析

2.2 棉花采摘力学特性及其影响因素的方差分析

极差分析法无法区分试验中由试验条件改变引起的数据波动和试验误差引起的数据波动，为了弥补极差分析法的缺陷，本文采用SPSS对试验结果进行方差分析，得到不同成熟度棉花采摘力学特性方差分析结果，如表4所示.方差分析结果表明，含水率、成熟时间以及棉花品种对棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力的影响均极显著(P<0.01)，对于棉花与铃壳间分离力，各影响因素F值由大到小的顺序为：成熟时间>棉花品种>含水率，对于棉花自身扯断力，各影响因素F值由大到小的顺序为：成熟时间>含水率>棉花品种，这与极差分析结果略有差异[25-30].

表4 棉花采摘力学特性的方差分析

2.3 单因素对棉花采摘力学特性的影响

对表2数据各因素水平下棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力求取平均值，如表5所示.

针对不同品种棉花，分别以棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力为纵坐标(y)，以含水率、成熟时间为横坐标(x)，对表5数据进行回归分析，回归分析结果如表6所示.由表6可知，对于2个品种棉花，成熟时间与棉花与铃壳间分离力呈显著非线性相关(P<0.01，R2>0.88)，成熟时间与棉花自身扯断力呈显著非线性相关(P<0.01，R2>0.93)，含水率与棉花自身扯断力呈极显著正相关(P<0.01，R2>0.99)，含水率与棉花与铃壳间分离力呈极显著负相关(P<0.01，R2>0.99)[31-35].

表5 试验结果因素指标分析

表6 棉花采摘力学特性与其影响因素的回归分析结果

根据表6回归模型，绘制成熟时间与棉花采摘力学特性的影响关系曲线，如图2所示.由图2可知，成熟时间对棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力的单因素效应曲线均为抛物线.对于上述2种机采棉，当成熟时间为27 d时，其棉花与铃壳间分离力近似达到最大值，当成熟时间大于或者小于27 d时，棉花与铃壳间分离力均呈现下降趋势.棉花在成熟过程中棉花与铃壳间的结合力逐渐增大，增大到一定程度时，棉株停止对棉花的营养供应，棉花与铃壳间分离力逐渐减小.

对于上述2种机采棉，当成熟时间为34 d时，其棉花自身扯断力近似达到最大值，当成熟时间大于或小于34 d时，棉花自身扯断力均呈现下降趋势，在测试区间内，棉花自身扯断力呈现出先增大后减小的变化趋势.从图中可以看出，在成熟时间相同的条件下，棉花自身扯断力始终大于棉花与铃壳间分离力，较大的棉花自身扯断力使棉花不被扯断，同时较小的棉花与铃壳间分离力使棉花容易采摘，保证了棉花的有效采摘.

图2 不同品种机采棉成熟时间与棉花采摘力学特性的影响关系Figure 2 Relationship between ripening time of different cotton varieties and the mechanical properties of cotton picking

根据表5回归模型，绘制含水率与棉花采摘力学特性的影响关系曲线，如图3所示.由图3可知，当含水率为4%时，棉花与铃壳间分离力最大，棉花自身扯断力最小；当含水率为12%时，棉花与铃壳间分离力最小，棉花自身扯断力最大.棉花与铃壳间分离力与含水率总体呈负相关关系，随着棉花含水率的升高，棉花与铃壳间分离力逐渐减小，棉花自身扯断力逐渐增大.从图中可以看出，在含水率相同的情况下，棉花自身扯断力始终大于棉花与铃壳间分离力，保证了在棉花采摘过程中既能完整采下棉花，又不把棉花扯断，有助于提高采棉质量.因此在棉花采摘过程中，在合适的含水率范围内，含水率越高棉花采摘效果越好.

图3 不同品种机采棉含水率与棉花采摘力学特性的影响关系Figure 3 Relationship between the moisture content of different varieties of cotton and the mechanical properties of cotton picking

2.4 双因素对棉花采摘力学特性的影响

采用数据处理软件Design Expert10对表5数据进行分析，得到上述2种机采棉成熟时间、含水率与棉花自身扯断力、棉花与铃壳间分离力的响应曲面图，如图4～5所示.

由图4可知，对于2品种的棉花，随着棉花含水率的提高，棉花与铃壳间的分离力整体逐渐减小；随着成熟时间增加，棉花与铃壳间分离力整体呈现先增大后减小的趋势，且相对于含水率，棉花成熟时间对棉花与铃壳间分离力的影响更大.当成熟时间近似为29 d，含水率近似为4%时，棉花与铃壳间分离力达到最大值；当成熟时间近似为43 d，含水率为12%时，棉花与铃壳间分离力达到最小值；上述分析与单因素效应下棉花与铃壳间分离力取得最大值、最小值的条件相同，进一步验证了单因素分析的结果.

图4 含水率、成熟时间对棉花与铃壳间分离力的影响Figure 4 Effect of the moisture content and the ripening time on the force of the cotton separating from cotton boll shell

图5 含水率、成熟时间对棉花自身扯断力的影响Figure 5 Effect of the moisture content and the ripening time on the force of the tearing force of the cotton wool itself

由图5可知，随着棉花含水率的提高，棉花自身扯断力整体逐渐增大；同时随着成熟时间增加，棉花自身扯断力整体呈现先增大后减小的趋势，且成熟时间对棉花自身扯断力的影响远大于含水率的影响.当成熟时间近似为29 d，含水率近似为12%时，棉花自身扯断力达到最大值；当成熟时间近似为14 d，含水率近似为4%时，棉花自身扯断力达到最小值；上述分析与单因素效应下棉花自身扯断力取得最大值、最小值的条件相同，进一步验证了单因素分析的结果.对比分析图4～5，在相同因素水平下，棉花自身扯断力始终大于棉花与铃壳间的分离力，与单因素分析结果相同，这保证了棉花的有效采摘，即在棉花不扯断的前提下，棉花与铃壳能够完整分离.

3 结论

采用全因子试验设计，通过对试验数据进行极差分析、方差分析，得出含水率、成熟时间以及棉花品种对棉花与铃壳间分离力、棉花自身扯断力的影响均极显著(P<0.01)，对于棉花与铃壳间分离力，各影响因素的主次顺序为：成熟时间>棉花品种>含水率，对于棉花自身扯断力，各影响因素的主次顺序为：成熟时间>含水率>棉花品种，且成熟时间对棉花采摘力学特性的影响远大于含水率和棉花品种.

随着棉花含水率的提高，棉花与铃壳间分离力逐渐减小，棉花自身扯断力逐渐增大；同时随着成熟时间增加，棉花与铃壳间分离力与棉花自身扯断力均呈现先增大后减小的趋势，并且在相同因素水平下，棉花自身扯断力始终大于棉花与铃壳间的分离力.

通过响应曲面图分析试验因素对响应指标的影响，当成熟时间近似为29 d，含水率近似为4%时，棉花与铃壳间的分离力达到理论上的最大值，当成熟时间近似为43 d，含水率为12%时，棉花与铃壳间分离力达到理论上的最小值；当成熟时间为29 d，含水率为12%时，棉花自身扯断力达到理论上的最大值；当成熟时间为14 d，含水率为4时，棉花自身扯断力达到理论上的最小值.

以上研究可为高效、低耗的棉花收获机械的设计和使用提供参考，同时也可为确定棉花合理收获条件提供支撑.