棉花收获期棉絮分离力的试验研究

李勇，张宏文，杨涛

（石河子大学机械电气工程学院，石河子832003）

棉花收获期棉絮分离力的试验研究

李勇，张宏文，杨涛

（石河子大学机械电气工程学院，石河子832003）

为了揭示棉花收获期棉絮分离力的状况，利用传感器计算机终端数据采集系统对新疆宽窄行种植模式下种植的棉花进行棉絮分离力的试验。结果表明：在早中晚三个时间段，随着棉花地温度与湿度的变化；棉絮含水率、棉絮分离力呈规律性的变化；在棉花成熟期选取最佳的棉花采收时间段进行棉花采收，有益于提高采净率及其棉花质量。

棉絮；纤维强度；含水率

棉花是一种重要的经济作物，对国民经济、人民生活、国防等都具有重要作用［1］。新疆是我国最大的优质棉种植区，经数十年的努力推广，已经实现了大面积66cm＋10cm的适应机采棉的种植模式，并以其先进的植棉技术和产业优势，在全国棉花主产区占有重要地位，而且新疆是最有条件率先实现棉花生产全程机械化的地区［2－4］。

在棉花收获机械的设计中，不论把棉花当作机器工作过程的介质，或视作工作部件的加工对象，对棉花的物理机械特性进行详细的研究都是正确设计棉花收获机械的必要条件，是机采棉花的理论依据［5］。通过对棉絮分离力的试验研究，其结果能为棉花收获机械的设计提供理论依据，也能为棉花的适时性采收予以指导性作用［6－7］。

棉絮分离力是指将棉絮与铃壳分离所需的最小力，其大小反映棉絮与铃壳的连接强度，也直接影响到机采棉的难易程度。因此，研究在不同的棉花采摘时间段空气温度、湿度变化对棉絮含水率的影响情况以及棉絮含水率与分离力的关系，能为选取最佳的棉花采摘期进行棉花的采摘起到指导性的作用。

1 材料、仪器与方法

1.1 材料

本试验选用石河子总场七分场六连种植的棉花，品种为中棉293（此品种棉花种植面积占石总场七分场棉花种植面积的70%以上）；试验棉田采用66cm＋10cm的宽窄行种植模式（适应机械化棉花收获），于2010年4月28号播种，9月15号喷洒脱叶剂，10月2日至10月6日采样进行测试，采样时棉花吐絮率大于96%，脱叶率大于98%。于10月8日进行棉花采收，籽棉产量约5100kg／hm2。

1.2 仪器

德国赛多利斯MA系列MA45电子精量天平（水分快速测试仪，量程45～145g，精度±0.001 g），香港希玛AR847数显式温湿度测试仪（温度：量程－10℃～50℃，精度±0.1℃；湿度：量程5.0%RH～98%RH，精度±3%RH），GDE－500电动单柱式立式机台（有效行程≤400mm，无级调速0～500 mm／min），HF－5推拉力计（量程5N，精度±0.001 N），计算机终端数据采集系统。

1.3 方法

样品的选取参照我国农业行业标准NY／T 1133－2006［8］规定进行。田间测试方法为：通过地块长宽边中点向对边的中点连十字线，将地块划成4块，随机选对角的2块作为检测点。沿检测地块的对角线，从地角算起以1／4、3／4点处为测点，再加上2个检测地块的交点，确定出5个检测点的位置。试验时间为10月2日至10月6日，分别于上午（9：00），中午（13：00），下午（19：00）各采样一次，在每个检测点选取株高45～55cm的成熟棉铃5个，并记录采样时棉田的温度和湿度，采样后即进行棉絮分离力的试验，以避免棉花含水率因时间过长而改变。

1.3.1 棉絮含水率的测定

棉絮含水率采用干燥法测定，参照GB／T 6102.1－2006［9］规定进行。具体方法为：测定含水率时，用尖弯嘴镊子将棉絮展平，并剥除棉籽，将去除棉籽后的棉絮放入MA45水分测试仪中；读取并记录烘干前试样的质量，准确至0.001g。设定水分测试仪以（105±3）℃对棉絮进行烘干，当烘干完成后，仪器会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。棉絮含水量的计算公式为：

W＝（G－Go）／G×100%， （1）式（1）中：W 为所测棉絮的含水率，%；G为试样烘干前的质量，g；Go试样烘干后的质量，g。

1.3.2 棉絮分离力的测定

测试时，通过机台的台钳将棉柄垂直夹持在机台的台盘上，棉絮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、棉絮夹持点以及推拉力计的测试杆处于同一垂直线上。试验中电动机台以10mm／s的速度将棉絮与铃壳分离，通过HF－5推拉力计的计算机终端数据采集系统进行分离力变化曲线及其相关统计数据的采集。试验中分别测试棉絮与铃壳的分离力和此瓣棉絮被扯断时的分离力。

2 结果与分析

按上述方法进行试验，试验结果见表1。

表1 棉絮分离试验结果Tab.1Experimental results of batt and fibber＇s detaching force

2.1 空气中温度与湿度变化的关系

随着时间的变化，空气中温度与湿度的变化情况及其相互关系见图1。

从图1可见：13：00～17：00为棉田一天中温度较高而湿度较低的时间段。空气中温度与湿度的变化明显成互反关系，即空气的湿度随着温度的长升会下降；而伴随着空气温度的下降，空气的湿度会相应的上升。一天中9：00～13：00与17：00至21：00这两个时段，空气温湿度的变化非常明显；在13：00～17：00这个时间段内空气的温度达到一天中的最高值，湿度达到一天中的最低值，而且温度与湿度的变动幅度较小。

图1 湿度、温度的变化Fig.1Trends of temperature and water content

2.2 棉絮分离力与含水率

棉絮与铃壳的分离力、棉絮扯断力以及棉絮含水率之间的关系见图2。

图2中棉絮与铃壳分离力和含水率的线性回归模型及和相关系数为：

y＝0.753－0.023x，p＝0.223；

图2中棉絮扯断力和含水率的线性回归模型和相关系数为：

y＝1.34－0.0207x，p＝0.225。

由上述回归模型分析可知：随着棉絮含水率的增加，棉絮与铃壳的分离力和棉絮扯断力的变化均成减小趋势。而棉絮扯断力的变化相对较小。

图2 棉絮分离力与含水率的关系Fig.2Relations between detaching force and water content

2.3 棉絮含水率

棉絮含水率的变化情况见图3。

由图3结合空气温度与湿度在一天内的变化情况分析可知，早晨空气温度较低、湿度较高，棉絮含水率相对较高；而在中午，伴随着空气温度的升高，空气的湿度明显降低，棉絮含水率较低；而在傍晚，空气温度降低，湿度升高，棉絮的含水率有所回升。棉絮含水率在一天之中总体呈现早晚较高，而中午较低的变化趋势。

图3 棉絮含水率Fig.3Fiber＇s water contents of cotton

2.4 棉絮分离力

棉絮分离力的变化情况如图4和图5所示，结合早、中、晚棉絮含水率的变化情况对棉絮分离力的变化进行分析可知：棉絮含水率对棉絮与铃壳间分离力的影响显著；棉絮扯断力同棉絮与铃壳间分离力总体均成早晚较低，而中午较高的变化趋势，但是棉絮扯断力早、中、晚三个时间段变化的幅度相对较小。

图4 棉絮与铃壳分离力变化Fig.4Trends of batt＇s detaching force

图5 棉絮扯断力变化Fig.5Trends of fibber＇s detaching force

3 结论

试验结果与分析表明：

早晨与下午空气温度相对较低，中午空气温度相对较高，而空气湿度则成相反趋势变化，即早晨与下午空气湿度较高，中午相对较低。

空气温湿度对棉絮含水率的变化影响显著，棉絮含水率随空气湿度的升高明显升高，而同空气温度成相反趋势变化。棉絮含水率对棉絮与铃壳间的分离力影响显著，即随着棉絮含水率的降低，棉絮与铃壳间的分离力会升高，所以选取温度较低、湿度较高的时间段内进行棉花的机械化收获能够降低采棉机的功耗。

在同一天之中采样，将棉絮扯断力与棉絮分离力进行比较，棉絮扯断力与棉絮分离力成相同趋势变化，而棉絮扯断力的变化幅度相对较小，所以选取温度较低、湿度较高的时间段进行棉花的机械化收获亦能提高棉花采净率。

［1］张献龙.棉花生物技术研究概况［J］.武汉植物学研究，1999，17（4）：362－370.

［2］叶伟.胶棒滚筒式采棉机摘辊采摘机理的研究［D］.石河子：石河子大学，2010：8－9.

［3］黄勇.对新疆机采棉技术的探讨［J］.中国棉花，2005，32（10）：9－11.

［4］David D M，Clarence D R.The effect of harvesting procedures on fiber and yarn quality of ultra－narrow－row cotton［J］.The Journal of Cotton Science，2005（9）：15－26.

［5］中国科学院农业机械化研究所编译.棉花收获机械译文集［M］.北京：机械工业出版社，1960：18－19.

［6］毕新胜，王维新，武传宇，等.采棉机水平摘锭的工作原理及采摘力学分析［J］.石河子大学学报：自然科学版，2007，25（6）：786－789.

［7］张宏文，康敏，傅秀清，等.胶棒滚筒棉花采摘头的设计与试验［J］.农业工程学报，2011，27（2）：109－113.

［8］全国农业机械标准化技术委员会农业机械化分技术委员会.NY／T 1133－2006采棉机作业质量［S］.北京：中国农业出版社，2006.

［9］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB／T6102.1－2006原棉回潮率试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2006.

Batt and Fibber's Detaching Force during Cotton Harvest－time

LI Yong，ZHANG Hongwen，YANG Tao
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

In order to reveal the trends and influencing factors of batt and fibber's detaching force of cracked cotton bolls in harvest－time，a test was done under sensor－computer data collection system to the cotton which planted under ultra－narrow row planting style of Xingjiang.The result suggested the detaching force varied significantly with the water content of cotton，and water content varied with temperature，air humidity and periods of time.So it is beneficially to improve harvesting quality while choose the correct periods of time to harvest cotton.

batt；fiber strength；water content

S511.01；Q789

A

1007－7383（2011）05－0633－04

2011－01－29

国家自然科学基金项目（50865011）

李勇（1985－），男，硕士研究生，专业方向为现代机械设计；e－mail：liyong＿lee＠yeah.net。

张宏文（1969－），男，副教授，从事农业机械设计及机械系统仿真；e－mail：zhw＿mac＠shzu.edu.cn。