棉稈拉拔力影響因素的分析及試驗(yàn)

代振維，全臘珍,2，鄒運(yùn)梅,2，姚祖玉，尹益文

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

0 引言

棉稈是棉花收獲之后留在田間的莖稈，棉稈的根莖較硬不易腐爛，能保存在土壤中較長(zhǎng)的時(shí)間，且易造成病蟲害的傳播，對(duì)后茬作業(yè)生產(chǎn)不利，故棉稈必須拔除干凈。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)棉花種植面積為600 萬(wàn)hm2，每年棉稈的產(chǎn)量約為3000 萬(wàn)t，若將這些棉稈用于制造紙張，每年可以節(jié)省林木資源12 萬(wàn)m3，與此同時(shí)，每100 萬(wàn)t 棉稈，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為10 億元。我國(guó)傳統(tǒng)的拔棉稈方式是通過(guò)人力進(jìn)行拔取，每0.06hm2用工0.5個(gè)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且效率低下，若采用機(jī)械拔取棉稈，在減輕棉農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，也可增加一定的經(jīng)濟(jì)收入，研究機(jī)械化拔棉稈技術(shù)成為了近年來(lái)棉花收獲全程機(jī)械化技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。

經(jīng)過(guò)深入調(diào)查和研究，筆者基于杠桿平衡原理，開展了拉拔力的測(cè)試試驗(yàn)，并通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)對(duì)各影響因素下的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，以期為棉花拔稈機(jī)械的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。同時(shí)在棉花拔稈機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理的選取起拔角度，根據(jù)土壤情況及當(dāng)?shù)貧夂蜻x取合適的收獲時(shí)間段，將有利于減少動(dòng)力的消耗，提高生產(chǎn)效率[1～8]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2014年2～3月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn)。選用品種為Jx013 號(hào)棉稈，其株距為88～92cm，行距為49～53cm，棉稈高度為86～112cm。棉稈試樣按照生長(zhǎng)良好、莖稈直挺、粗細(xì)均勻的基本原則進(jìn)行選取[9，10]。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）棉稈拉拔力的測(cè)定。棉根屬于直根系，分為主根和側(cè)根，側(cè)根又生長(zhǎng)支根。大部分的根系分布在耕作層以內(nèi)，在土壤養(yǎng)分、水分和土質(zhì)合適的情況下，根系生長(zhǎng)相當(dāng)發(fā)達(dá)，主根可深入土壤中2m 左右，側(cè)根長(zhǎng)度可達(dá)1m 以上[11]。

在對(duì)棉稈進(jìn)行拔稈時(shí)，拉拔力將會(huì)隨著拉拔位移的上升而不斷變化。主根與側(cè)根對(duì)土壤具有較強(qiáng)的吸附力，拔稈過(guò)程中要克服棉根與土壤的吸附力和摩擦阻力，一開始拉拔力將增長(zhǎng)較快，當(dāng)主根斷裂以后，拉拔力將逐漸減小，直到將所有側(cè)根拉斷，棉稈才從土壤中拔出。棉稈拉拔過(guò)程中拉拔力的最大值稱為起拔力。

拉拔力與土壤的吸附力和摩擦阻力相關(guān)，故土壤的水分以及土壤的緊實(shí)度將會(huì)影響棉稈的拉拔力。土壤的吸附力和摩擦阻力綜合稱為拉拔阻力，當(dāng)拉拔力大于拉拔阻力時(shí)，棉稈才能順利的從土壤中拔出；當(dāng)拉拔力小于拉拔阻力時(shí)，棉稈不能拔出，甚至棉根將斷裂遺留在土壤中[12，13]。

由人力拉拔棉稈測(cè)得其拉拔力較大，從而選用實(shí)驗(yàn)室中500N 的管型測(cè)力計(jì)進(jìn)行拉拔力的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)仍不能滿足其要求，故增加一杠稈機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖1，利用杠稈平衡原理進(jìn)行拉拔力的測(cè)量。由杠稈原理可以測(cè)得拉拔力F=FL·L23/L12。式中FL為管型測(cè)力計(jì)上的讀數(shù)，L12和L23分別為杠稈支點(diǎn)兩端的力臂長(zhǎng)度，其中L12為阻力臂，取L12=60cm，L23為動(dòng)力臂，取L23=120cm。

圖1 拉拔力測(cè)定Fig.1 The drawing force determination

（2）棉稈拉拔位移的測(cè)定。測(cè)定棉稈拉拔位移時(shí)，選取拉拔位置為地面向上10cm 處。當(dāng)棉稈從土壤中垂直拔出時(shí)，測(cè)量拔出過(guò)程中的6 個(gè)位移點(diǎn)，同時(shí)記錄下每個(gè)位移點(diǎn)管型測(cè)力計(jì)的讀數(shù)，按照杠稈原理將讀數(shù)轉(zhuǎn)換為拉拔力，每個(gè)位移點(diǎn)測(cè)量30 次，取其平均值。

（3）棉稈直徑的測(cè)定。棉稈直徑的測(cè)定從地面開始測(cè)量，每向上6cm 測(cè)量一次，依次測(cè)量4 次，取其平均值。取60 株作為試驗(yàn)樣本。

（4）土壤含水率和緊實(shí)度的測(cè)定。測(cè)量土壤水分以及緊實(shí)度分別采用TDR200 土壤水分測(cè)量?jī)x和SC—900 土壤緊實(shí)度測(cè)量?jī)x，測(cè)量土壤層下20cm 處，在不同時(shí)間段內(nèi)分別對(duì)同一塊地測(cè)量60 個(gè)樣本。

（5）起拔角度與起拔力的測(cè)定。測(cè)定起拔角度與起拔力時(shí)，選取拉拔位置為地面向上10cm 處。選取合適起拔的角度，將減小起拔力，利于降低功耗，提高收獲效率。于棉田中測(cè)量相近生長(zhǎng)而長(zhǎng)勢(shì)基本一致的棉柴，以不同角度拉拔，測(cè)量角度為0°～90°，每隔15°測(cè)量一次，依次測(cè)量7 次，測(cè)得不同角度的起拔力。每個(gè)測(cè)量角度的試驗(yàn)樣本為30 株，起拔力取其平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文將對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)用SPSS 軟件進(jìn)行擬合以及圖形處理，運(yùn)用回歸分析和概率論的方法進(jìn)行分析[14～16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉稈拉拔力與拉拔位移的關(guān)系

棉稈拉拔過(guò)程中，拉拔力與位移的曲線如圖2 所示。拔除棉稈需克服拉拔阻力，主要分為兩個(gè)階段： 第一，剛開始進(jìn)行拉拔時(shí)，主根與側(cè)根都具有較強(qiáng)的拉拔阻力，拉拔力隨位移的變化而增長(zhǎng)較快；第二，拉拔位移到一定距離時(shí)，主根與大部分側(cè)根發(fā)生斷裂，僅少許側(cè)根產(chǎn)生拉拔阻力，拉拔力隨位移變化而持續(xù)減小，直到側(cè)根全部斷裂，拉拔力將為0。當(dāng)主根與側(cè)根發(fā)生斷裂的瞬間，拉拔力達(dá)到最大值，為棉稈的起拔力。在田間所測(cè)土壤含水率為28.6%時(shí)，土壤緊實(shí)度為9.74Kg/cm2時(shí)，拉拔位移為14cm，起拔力為880N；土壤含水率為17.5%時(shí)，土壤緊實(shí)度為14.18 Kg/cm2時(shí)，拉拔位移為12cm，起拔力為926N。由曲線可知，在土壤含水率相對(duì)較高，土壤緊實(shí)度相對(duì)較小的條件下，起拔力相對(duì)偏小，但拉拔位移相對(duì)偏大。

圖2 不同位移點(diǎn)的拉拔力Fig.2 The drawing force of different displacement

2.2 棉稈起拔力與棉稈直徑的關(guān)系

棉稈起拔力與棉稈直徑的關(guān)系如圖3 中散點(diǎn)圖所示，棉稈直徑與起拔力呈正相關(guān)關(guān)系，起拔力具有隨棉稈直徑的增大而增大的趨勢(shì)，試驗(yàn)測(cè)得棉稈直徑為9.9mm~21.7mm，起拔力為282N~926N。

2.3 棉稈起拔力與土壤含水率的關(guān)系

棉稈起拔力與土壤含水率的關(guān)系如圖4 中散點(diǎn)圖所示。棉稈起拔力與土壤含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，起拔力具有隨土壤含水率的增加而減小的趨勢(shì)。

圖3 不同棉稈直徑的起拔力Fig.3 The pulling force of the different cotton stalk diameter

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

圖5 不同土壤緊實(shí)度下的棉稈起拔力Fig.5 The pulling force of the cotton stalk under the different soil compactness

圖6 不同起拔角度下的棉稈起拔力Fig.6 The pulling force of the cotton stalk under the different draft angle

2.4 棉稈起拔力與土壤緊實(shí)度的關(guān)系

棉稈起拔力與土壤緊實(shí)度的關(guān)系如圖5 中散點(diǎn)圖所示。棉稈起拔力與土壤緊實(shí)度呈正相關(guān)關(guān)系，起拔力具有隨土壤緊實(shí)度的增加而增加的趨勢(shì)。

2.5 棉稈起拔力與起拔角度的關(guān)系

棉稈起拔力與起拔角度的曲線如圖6 所示。棉稈起拔力隨著起拔角度的增加而變化，主要呈現(xiàn)三個(gè)階段： ①?gòu)?°～30°棉稈起拔力不斷減小，該階段拉拔力需克服橫向的拉拔阻力，起拔力較大，且易將棉稈拔斷；②從30°～45°棉稈起拔力增加平緩，該階段拉拔力克服主根和部分側(cè)根的拉拔阻力，起拔力偏小，故易從土壤中拔出；③從45°～90°棉稈起拔力不斷增加，該階段隨著角度的增加，拉拔力需克服主根和越來(lái)越多側(cè)根的拉拔阻力，起拔力將不斷增大。

3 結(jié)論和討論

通過(guò)不同棉稈直徑起拔力的試驗(yàn)，得到棉稈直徑是影響起拔力的關(guān)鍵因素，棉稈直徑越大，起拔力越大，當(dāng)所測(cè)棉稈直徑最大值為21.7mm 時(shí)，最大起拔力為926N。設(shè)計(jì)拔棉稈機(jī)過(guò)程中，可依據(jù)當(dāng)?shù)孛薅挼闹睆絹?lái)考慮最大起拔力的需求，以期得到最優(yōu)功率參數(shù)，從而選取合理的動(dòng)力裝置。

通過(guò)土壤水分及緊實(shí)度與棉稈起拔力的試驗(yàn)，分析得到土壤含水率與起拔力呈負(fù)相關(guān)回歸關(guān)系，土壤緊實(shí)度與起拔力呈正相關(guān)回歸關(guān)系。當(dāng)土壤中水分較高（28.6%），土壤緊實(shí)度較小（9.74kg/cm2）時(shí)，拉拔位移為14cm，最大拉拔力為880N；當(dāng)土壤中水分較低（17.5%），土壤緊實(shí)度較大（14.18kg/cm2）時(shí)，拉拔位移為12cm，最大拉拔力為926N。如需使用拔稈機(jī)拔取棉稈，可根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚯闆r適當(dāng)考慮在雨后3~5日內(nèi)拔取棉稈，減小起拔力，有利于減小動(dòng)力的消耗，提高效率。

通過(guò)起拔力與起拔角度的試驗(yàn)，得到起拔角度是影響棉稈起拔力的一個(gè)重要因素，試驗(yàn)測(cè)得起拔角度為30°～45°時(shí)，起拔力較小。設(shè)計(jì)拔棉桿機(jī)時(shí)可根據(jù)所測(cè)角度適當(dāng)將拔稈角度控制在35°左右，減小起拔力，有利于降低功率，減小功耗。

由于棉花莖稈生長(zhǎng)情況、土壤情況的差異性，試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)及方程更適合為南方地區(qū)拔稈機(jī)提供參考，若在其它地區(qū)設(shè)計(jì)拔稈機(jī)時(shí)，可根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際莖稈生長(zhǎng)情況及土壤情況進(jìn)行試驗(yàn)得出各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)。

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