棉稈拔除阻力測(cè)定臺(tái)架設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S223 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-5553（2025）07-0028-08

Abstract：Accuratemeasurementof thesoilresistanceofrotsystemduringcotonstalkuproting isaprerequisiteforoptimizing thedesignof cotton stalk uproting equipmentandachieving eficientcoton stalk uproting.This paper proposesa method formeasuring thecoton stalkuprotingresistance and designs a measurement bench.Innovatively，twothree-dimensional forcesensors weresymmetricallyarranged toacquiretheaxialandradialforcerespectivelyduringcottonstalkuproting.The experiment wasconducted basedonfactors such as uprooting speed，uproting angle andclamping height，andtheresults showed thatthedesign programmecouldsimultaneouslymeasuretheradialandaxialforceactingonthecotonstalk，duringtheuprooting process，theforceactingonthecotonstalkwasmainlyaxial.Theinfluencedegreeofthe three factorsonthecotonstalk uprooting resistance was uprooting speed gt; uprooting angle gt; clamping height. The ideal combination of uprooting parameters is an uprooting speed of 600mm/s ，an uprooting angle of 60^° ，and a clamping height of 100mm .The bench can efectivelymeasuretheaxialforceandradialforceduringcotonstalkuprooting，whichcanprovideesential theoreticalreference forthe design of the cotton stalk uprooting mechanism.

Keywords：cotton stalk；uprooting resistance；bench；three-dimensional force sensor

0 引言

總產(chǎn)量為 5 618kt^[1] ，以棉花草谷比 5：1 計(jì)算[2]，2023年棉稈產(chǎn)量為 28 090kt ，資源量極大。棉稈可以堆肥制肥，還可用作飼料、能源材料、建材和紡織材料2023年我國(guó)棉花種植面積達(dá) 27881khm² ，棉花的原料，用途廣泛。目前棉稈處理方式仍以粉碎還田為主，該方式雖能夠快速清理棉稈，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，但造成棉稈資源的浪費(fèi)，且根茬留地后不利于后續(xù)殘膜回收、耕整地和播種等作業(yè)，易將本年的病蟲害帶至下一年[3]。棉稈的機(jī)械化收獲是實(shí)現(xiàn)資源化利用的前提。棉稈拔除的本質(zhì)是克服土壤對(duì)棉稈根系的錨固力，使棉稈脫離土壤，因此，測(cè)定棉稈拔除阻力并分析其影響因素是提高棉稈拔凈率和作業(yè)效率的前提。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞棉稈拔除阻力已開展相關(guān)研究。李怡等4設(shè)計(jì)了棉稈起拔力測(cè)量裝置，該裝置使用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，減少了人工測(cè)量產(chǎn)生的速度和角度的誤差，試驗(yàn)得出起拔力與棉稈直徑成正比，起拔角度對(duì)起拔力存在顯著影響，起拔線速度對(duì)棉稈起拔力的影響受土壤條件差異影響。劉雄[5]設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式棉稈拔取力學(xué)參數(shù)性能測(cè)定裝置，可在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下進(jìn)行拔取力測(cè)量，并研究了起拔角度、起拔線速度、土壤含水率對(duì)棉稈起拔力的影響程度，結(jié)果表明，起拔角度對(duì)棉稈起拔力影響最為顯著，次之為土壤含水率、起拔線速度。Demian為了測(cè)試單棵棉稈的拔除阻力，設(shè)計(jì)了一種安裝在拖拉機(jī)三點(diǎn)式液壓懸掛機(jī)構(gòu)上的測(cè)量裝置，便于在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整和移動(dòng)，試驗(yàn)測(cè)得最大需要 1210N 的力可將棉稈全部拔除。Sun等[7]研究了不同植物的根土錨固強(qiáng)度，拔除試驗(yàn)表明，玉米、向日葵等主根系植物的莖稈高低和粗細(xì)與拔除力峰值呈極顯著相關(guān)，灰藜、甜菜等須根系植物呈弱相關(guān)。

棉稈拔除過(guò)程中通常存在軸向和徑向多維度受力，但現(xiàn)有研究?jī)H使用了一個(gè)力傳感器，測(cè)得拔除機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向的受力數(shù)據(jù)，由于拔除角度不明確，該力難以分解為棉稈所受軸向力和徑向力。準(zhǔn)確采集棉稈軸向和徑向的受力數(shù)據(jù)，對(duì)于確定棉稈發(fā)生拔除斷裂的原因，從而提高拔凈率和改善作業(yè)質(zhì)量十分重要。針對(duì)這一問(wèn)題，本文采用三維力傳感器，設(shè)計(jì)棉稈多維拔除阻力測(cè)定臺(tái)架，開展不同拔除條件對(duì)拔除阻力的影響研究，有助于后續(xù)提升拔稈作業(yè)質(zhì)量和效率。

1總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

棉稈拔除阻力測(cè)定臺(tái)架整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（a）、夾持機(jī)構(gòu)（b）、測(cè)控系統(tǒng)（c）等組成。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由角度圓盤、高度側(cè)板、滑軌、位移傳感器等組成，安裝在機(jī)架的前端，可實(shí)現(xiàn)拔除角度（0^°～90^°） 和夾持高度 （0～500mm） 的調(diào)節(jié)。夾持機(jī)構(gòu)由夾持裝置、2個(gè)三維力傳感器組成，與滑軌連接，可在拔除時(shí)測(cè)量棉稈夾持點(diǎn)所受的軸向力與徑向力。測(cè)控系統(tǒng)由四通道變送器、數(shù)據(jù)采集卡、電壓轉(zhuǎn)換器、PLC控制器、觸摸屏、電源及伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成，負(fù)責(zé)控制電機(jī)啟停并實(shí)時(shí)采集保存?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)。

圖1棉稈拔除阻力測(cè)定臺(tái)架總體結(jié)構(gòu)

Fig.1 Overall structure of the cotton stalk uprootingresistance measurement bench

1.地腳撐2.電源3.減速器4.伺服電機(jī)5.機(jī)架6.四通道變送器7.PLC控制器8.觸屏控制器9.定滑輪10.數(shù)據(jù)采集卡11.24V轉(zhuǎn)換電源 12.高度側(cè)板13.角度圓盤14.位移傳感器15.滑軌滑塊 16.滑塊一夾具連接板17.三維力傳感器18.夾塊19.傳感器—滑塊連接板

1.2 工作原理

本臺(tái)架通過(guò)PLC控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止，LabVIEW測(cè)量程序采集數(shù)據(jù)。棉稈拔除過(guò)程如圖2所示。試驗(yàn)前，在設(shè)定夾持高度使用夾具對(duì)棉稈進(jìn)行夾持預(yù)緊，并設(shè)置好拔除速度、拔除角度和拔除距離等參數(shù)。開始后，通過(guò)PLC控制電機(jī)，驅(qū)動(dòng)滑軌及夾持機(jī)構(gòu)沿著滑塊向設(shè)定的方向移動(dòng)，完成棉稈的拔除作業(yè)。LabVIEW數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)同步采集2個(gè)三維力傳感器與位移傳感器的信號(hào)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理。

圖2棉稈拔除過(guò)程示意圖

Fig.2Schematic diagram of cotton stalk uprooting process

假設(shè)棉稈根系在拔除過(guò)程中所處位置不發(fā)生變化，忽略棉稈彎曲變形，棉稈受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。其中，棉稈所受徑向力可以分解為正交兩個(gè)方向的力，棉稈作為橫觀各向同性的非均質(zhì)材料，可認(rèn)為具有對(duì)稱性[8，9]，因此只考慮在拔除運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)的徑向力。由圖3可知，棉稈所受軸向力 F_a 和徑向力 與力傳感器測(cè)得的力 F_x ！ F_z 存在如式（1）所示的關(guān)系。

式中： h ——夾持高度， mm s 拔除位移， mm α （204號(hào) 拔除角度， （^°） ：F_a （20 棉稈所受軸向力，

F， 棉稈所受徑向力，N；

F_x 三維力傳感器 X 軸方向受力，N；

F_z （204號(hào) 三維力傳感器 Z 軸方向受力，N；

β （204號(hào) 棉稈所受徑向力 F_r 與傳感器 Z 軸方向受力 F_z 的夾角， （^°） 。

圖3棉稈拔除過(guò)程受力簡(jiǎn)圖 Fig. 3Stress diagram of cotton stalk removal process

1.3 硬件選型

參考文獻(xiàn)[10，11]所述，并結(jié)合前期調(diào)研數(shù)據(jù)，選擇以下硬件，可以滿足各種不同拔除條件下棉稈拔除阻力的測(cè)定需求。具體名稱型號(hào)及參數(shù)如表1所示。

表1棉稈拔除阻力測(cè)定臺(tái)架硬件選型及參數(shù)

Tab.1Hardware types and parameters of cotton stalk uprooting resistance measurement bench

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有部分拔除阻力測(cè)定裝置1是通過(guò)線繩直接拉動(dòng)夾持棉稈的夾具，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，但在拔除過(guò)程中拔除角度不能維持預(yù)設(shè)狀態(tài)不變。如圖4所示，本臺(tái)架采用軌道與夾具直接連接的方式，能有效保證拔除角度一直處于預(yù)設(shè)狀態(tài)。同時(shí)，將角度與高度調(diào)節(jié)集成于一處，設(shè)計(jì)角度圓盤和高度側(cè)板。角度圓盤按等比例分割，可以進(jìn)行 0^°～90^° 內(nèi)的角度調(diào)整；高度側(cè)板裝夾在機(jī)架兩側(cè)，可以根據(jù)實(shí)際棉稈位置確定夾持高度。

圖4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖

Fig.4 Schematic diagram of adjustment mechanism

1.滑軌2.固定架3.拉線板4.定滑輪5.滑塊 6.角度圓盤7.高度側(cè)板8.位移傳感器

2. 2 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)拔除機(jī)構(gòu)與棉稈有效固定的關(guān)鍵，不能有效固定則無(wú)法成功拔除棉稈。為實(shí)現(xiàn)快速便捷的夾持，夾持機(jī)構(gòu)采用了外部夾持部件與內(nèi)部分離式夾塊相組合的設(shè)計(jì)方案。如圖5所示，外部夾持部件使得2個(gè)三維力傳感器在拔除過(guò)程中可以對(duì)稱分布在棉稈兩側(cè)，通過(guò)銷軸與夾塊連接。內(nèi)部分離式夾塊采用櫸木材質(zhì)，原因?yàn)椋海?）木質(zhì)材料摩擦力大，在拔除過(guò)程中不容易滑脫；（2）櫸木為優(yōu)良硬木，堅(jiān)固、抗沖擊，通過(guò)比較相關(guān)文獻(xiàn)12中櫸木、棉稈的各項(xiàng)力學(xué)性能數(shù)據(jù)，得出其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于棉稈；（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于更換。通過(guò)更換不同的夾塊可以適應(yīng)不同粗細(xì)的棉稈，可夾持直徑范圍為 6～20mm 。

圖5夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

Fig.5Design of clamping mechanism

1.木質(zhì)夾塊2.傳感器—夾具連接件3.三維力傳感器 4.傳感器—滑塊連接板5.滑塊6.固定支架 7.支架固定板8.鍍鉻硬軸9.滑軌連接件10.張緊彈簧

三維力傳感器也稱為三軸力傳感器，與普通單軸力傳感器相比，三維力傳感器能夠全面準(zhǔn)確反映物體的受力狀態(tài)，它既保證了被測(cè)力分量靈敏度的單調(diào)性和一致性，還解決了被測(cè)分量引起的軸與軸之間的干涉問(wèn)題，進(jìn)一步提高了測(cè)量的精度和穩(wěn)定性[13]。本文研究的對(duì)象是棉稈拔除過(guò)程中所受拔除阻力，前文提到，棉稈拔除過(guò)程中不僅受到軸向力，同時(shí)還受到徑向力的影響，為了能夠同時(shí)測(cè)量棉稈所受正交方向的兩個(gè)力（實(shí)際上是3個(gè)力，考慮到棉稈只在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，假設(shè)根系受力關(guān)于該平面對(duì)稱，那么棉稈垂直于該平面的徑向力為0），選擇使用三維力傳感器測(cè)量棉稈拔除阻力。為了試驗(yàn)過(guò)程中裝夾棉稈方便，采用2個(gè)三維力傳感器對(duì)稱分布在棉稈兩側(cè)的方案。參考文獻(xiàn)[14，15]中的棉稈拔除阻力數(shù)據(jù)，最大值絕大部分為 200～1000N 。為保證測(cè)定精度和安全使用壽命，兩個(gè)傳感器量程上限都為 1000N 。綜上所述，如圖6所示，選擇了3F20M三維力傳感器。

圖6三維力傳感器示意圖

Fig.6Schematic diagram of the three-dimensional force sensor

2.3 測(cè)控系統(tǒng)

針對(duì)田間試驗(yàn)對(duì)不同參數(shù)組合的需求，設(shè)計(jì)了臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)。選擇PLC控制器作為控制端，可根據(jù)試驗(yàn)方案控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而調(diào)整棉稈拔除速度、拔除位移，實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作等；筆記本電腦作為采集端，基于LabVIEW軟件編寫了數(shù)據(jù)測(cè)量采集程序，采集力傳感器和位移傳感器的數(shù)據(jù)。圖7為測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，圖8是測(cè)定程序的流程。

圖9拔除角度測(cè)定示意圖

3試驗(yàn)條件與方法

3.1 試驗(yàn)條件

棉稈拔除阻力測(cè)定試驗(yàn)于2023年11月在江蘇省鹽城市大豐區(qū)上海棉花原種場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行。該地位于江蘇沿海（黃海）中部，是長(zhǎng)江和黃河?xùn)|流人海泥沙長(zhǎng)期淤積而成的濱海平原，屬于亞熱帶與暖溫帶的過(guò)渡地帶，適宜喜溫作物的生長(zhǎng)[16]。試驗(yàn)田的棉花品種為鹽棉118，棉稈行距 750mm ，株距 160mm 。為方便夾持、減少棉稈側(cè)枝影響、降低測(cè)量誤差，選擇生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)良好、未受蟲害、直徑相當(dāng)、莖稈挺拔且完好無(wú)損的棉稈，并將中部以上的主莖和側(cè)枝全部去除，保留下部主莖作為試驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)地土壤含水率為 22.14% ，棉稈含水率為 61.4% ，棉稈的直徑區(qū)間為 8～14mm 。

3.2 試驗(yàn)方法

棉稈拔除阻力受多重因素的影響，棉稈根系狀態(tài)、土壤條件等客觀因素屬于不可控制的變量，但棉稈收獲機(jī)械可以調(diào)整工作參數(shù)以降低拔除阻力，提高工作效率。因此，為探究不同拔除條件對(duì)棉稈拔除阻力的影響程度，選擇拔除角度、拔除速度、夾持高度作為田間試驗(yàn)因素，拔除角度和夾持高度通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，拔除速度通過(guò)PLC控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

3.2.1 試驗(yàn)因素確定

1）拔除角度。通過(guò)調(diào)節(jié)高度側(cè)板和角度圓盤，設(shè)置棉稈夾持高度和拔除角度，如圖9所示。為研究拔除角度對(duì)棉稈拔除阻力的影響，選取的拔除角度分別為 30^°?60^° 和 90^° 。

2）拔除速度。拔除速度即伺服電機(jī)的線速度。選用SD110AEA18030—SH3型號(hào)伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min ;減速器型號(hào)為NMRV63，減速比 i=10 ；帶輪直徑為 82mm 。參考文獻(xiàn)[17-19]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，機(jī)具最快前進(jìn)速度為 1 000mm/s ，故拔除速度選用 v₁= 100mm/s，v₂=600mm/s，v₃=1100mm/s 三個(gè)水平，分別計(jì)算出電機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為： n₁=232.91r/min_?n₂= 1 397.46r/min.n₃=2 562r/min 。最大轉(zhuǎn)速小于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，滿足試驗(yàn)需求。

3）夾持高度。棉稈拔除作業(yè)時(shí)，降低夾持高度可減少棉稈所受彎矩，但拔除高度過(guò)低易導(dǎo)致拔稈機(jī)構(gòu)與地面發(fā)生干涉，考慮上述影響，同時(shí)參考部分農(nóng)作物收獲機(jī)械的作業(yè)高度為 100～300mm^[20，21] ，選擇100mm，150mm，200mm 的夾持高度進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選定拔除角度、拔除速度、夾持高度作為試驗(yàn)因素，拔除阻力峰值為響應(yīng)值，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，如表2所示。為判斷試驗(yàn)的結(jié)果是否由誤差引起，在設(shè)計(jì)正交設(shè)計(jì)表時(shí)添加一列空白列。按照L₉（3⁴） 建立正交試驗(yàn)表[22]

表2試驗(yàn)因素與水平編碼表 Tab.2 Test factors and horizontal coding table

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1棉稈拔除阻力與拔除位移的關(guān)系

棉稈拔除阻力實(shí)時(shí)變化曲線如圖10所示，整體變化規(guī)律是拔除阻力隨位移呈先升后降變化趨勢(shì)，棉稈根系上行位移逐漸增大，對(duì)應(yīng)的拔除阻力逐漸增加，到達(dá)峰值后逐漸降低。該曲線趨勢(shì)與已有文獻(xiàn)研究的拔除阻力曲線近似，可判斷臺(tái)架測(cè)量方案合理，真實(shí)可行。拔除位移在 0～225mm ，可以將棉稈成功拔除。拔除阻力峰值范圍為 210～360N 。

后最終棉稈被完全拔除，拔除達(dá)到峰值后，阻力歸零，完成拔除過(guò)程。

4.2 不同拔除因素對(duì)拔除阻力的影響

通過(guò)單因素試驗(yàn)，分析單個(gè)拔除因素不同水平對(duì)拔除阻力的影響規(guī)律，結(jié)果如圖11所示。選取拔除速度為 600mm/s. 夾持高度為 150mm 、拔除角度為 30^° 、60^° 和 90^° ，進(jìn)行拔除角度單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖11（a）所示， 30^° 拔除阻力峰值最大， 60^° 拔除阻力峰值最小，整體呈先降后升的趨勢(shì)。該結(jié)果與文獻(xiàn)［3，23]結(jié)果不一致，分析其原因： 30^° 時(shí)棉稈拔除狀態(tài)會(huì)更偏向于橫向拔除，因?yàn)樵囼?yàn)地棉稈根系結(jié)構(gòu)為塔形居多，側(cè)根及須根繁多，需要同時(shí)克服橫向和側(cè)向的拔除阻力[24，25]，因此該角度拔除阻力最大； 60^° 時(shí)棉稈整體傾斜，拔除過(guò)程中，只受主根與部分側(cè)根的拔除阻力，此時(shí)所受的徑向力較小，因此該角度拔除阻力最小；90^° 時(shí)棉稈需要克服主根和全部側(cè)根的拔除阻力，該角度拔除阻力也較大。

圖10棉稈拔除阻力一拔除位移關(guān)系 Fig.10 Relationship between uprooting resistance and displacement of cotton-stalk

由圖10可知，初始AB階段，棉稈受到拉拔動(dòng)作后，克服與土壤間的黏附阻力，根系迅速向上，拔除阻力急劇上升，隨著棉稈逐漸上移，根系在土壤中也向上移動(dòng)，二者間相互作用，拔除阻力持續(xù)增加，隨后到達(dá)峰值；BC段，隨著根系與土壤發(fā)生破壞而開始下降，由于主根與須根長(zhǎng)度不一，造成其在土壤中斷裂產(chǎn)生的阻力具有不規(guī)則的波動(dòng)，棉稈主根與側(cè)根發(fā)生斷裂，隨選取拔除角度為 60^° 、夾持高度為 150mm 、拔除速度為 100mm/s，600mm/s 和 1100mm/s ，進(jìn)行拔除速度單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖11（b）所示，拔除阻力峰值呈先降后升的趨勢(shì)，在 600mm/s 時(shí)最小，在1100mm/s 時(shí)最大。拔除速度為 100mm/s 時(shí)，棉稈向外拔除的時(shí)間長(zhǎng)，根系在土壤中位移時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致棉稈與土壤之間的黏附力增加，從而需要較大的拔除阻力；隨著速度增加至 600mm/s 時(shí)，兩者的作用力不穩(wěn)定，拔除阻力有所降低，文獻(xiàn)[26，27]認(rèn)為，其原因可能是根系在土壤中以不同速度移動(dòng)，由低速至高速所受的剪切力并不是呈現(xiàn)穩(wěn)定的線性增長(zhǎng)，而因根王間復(fù)雜的力學(xué)特性，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)臨界值，使得整體受力表現(xiàn)出明顯的非線性特點(diǎn)。在拔除速度為 1100mm/s 時(shí)，棉稈被迅速拔除，停留在土壤的時(shí)間短，電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高[28]，導(dǎo)致拔除棉稈的瞬時(shí)峰值力大。選取拔除角度為 60^° 、拔除速度為 600mm/s 、夾持高度為100mm，150mm 和 200mm ，進(jìn)行夾持高度單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖11（c）所示，拔除阻力峰值整體呈遞增趨勢(shì)，在夾持高度為 100mm 時(shí)最小。因?yàn)閵A持高度的增加，棉稈在拔除過(guò)程中所彎曲程度增加，使得所受徑向力增加，從而整體拔除阻力也隨之增加。同時(shí)，棉稈強(qiáng)度和韌性越往上越低，為保證拔稈效果拔除位置應(yīng)該靠近底部。綜上所述，為降低棉稈拔除阻力，可呈一定的角度起拔，拔除速度需注意不宜過(guò)快，夾持高度盡量接近棉稈下部。

4.3軸向力與徑向力變化規(guī)律

為分析棉稈拔除阻力對(duì)棉稈的具體作用，以3個(gè)拔除因素下3種不同水平共計(jì)9組參數(shù)組合的試驗(yàn)結(jié)果繪制軸向力和徑向力隨拔除位移變化的關(guān)系圖。如圖12所示，軸向力值整體均大于徑向力值。由圖12（a）可知，棉稈在拔除過(guò)程中，所受軸向力和徑向力隨拔除角度變化顯著。圖12（a）中徑向力在 25～ 50mm 有一定波動(dòng)的原因：（1）在試驗(yàn)設(shè)備啟動(dòng)前夾具已對(duì)棉稈產(chǎn)生預(yù)緊力；（2）棉稈根系在土壤中受力規(guī)律不是線性變化。由圖12（b）可知，棉稈在拔除過(guò)程中，所受軸向力隨拔除速度變化顯著，所受徑向力隨拔除速度變化不大。由圖12（c）可知，棉稈在拔除過(guò)程中，所受軸向力和徑向力隨夾持高度變化顯著。綜上，棉稈拔除角度、拔除速度、夾持高度對(duì)棉稈拔除過(guò)程中軸向力影響較大，拔除角度、夾持高度對(duì)徑向力影響較大。根據(jù)文獻(xiàn)[29，30可知，棉稈抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于抗彎強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度，因此，應(yīng)盡量減少棉稈拔除過(guò)程中所受徑向力，根據(jù)本試驗(yàn)的結(jié)果，應(yīng)盡量采用傾斜低速拔除，且拔除高度盡量低。

4.4 三因素正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)SPSS27.0軟件在顯著性水平 α=0.05 下，對(duì)各因素進(jìn)行方差分析，試驗(yàn)結(jié)果與極差分析如表3所示，其中 A，B，C，D （空列）為因素編碼值。方差分析如表4所示[31]。

表3試驗(yàn)結(jié)果與極差分析Tab.3Test results and range analysis

表4正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果Tab.4Results of variance analysis of orthogonal experiment

由表3可知，本次試驗(yàn)測(cè)量的棉稈拔除阻力峰值最小值為 208.67N ，最大值為 352.9N 。3個(gè)拔除因素對(duì)拔除阻力的影響主次順序?yàn)?B，A，C ，由于在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，需要獲得較小的拔除阻力[32]，則 K 值數(shù)據(jù)越小越匹配，較優(yōu)方案為 B₂A₂C₁ ，即拔除速度為600mm/s ，拔除角度 60^° ，夾持高度 100mm 。

由表4可知，拔除速度和拔除角度對(duì)棉稈拔除阻力峰值影響顯著，而夾持高度對(duì)拔除阻力峰值影響程度小。該結(jié)果與相關(guān)棉稈拔除阻力文獻(xiàn)得出的拔除角度與拔除速度對(duì)棉稈拔除阻力的影響程度顯著的結(jié)論一致[4]。拔除角度和拔除速度兩因素之間的交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不顯著，說(shuō)明二者相互獨(dú)立，對(duì)拔除阻力的影響規(guī)律不隨另一因素的變化而變化。

5 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)一種棉稈拔除阻力測(cè)定裝置，結(jié)構(gòu)上采用在棉稈兩側(cè)對(duì)稱布置三維力傳感器的方案，精確地測(cè)定出棉稈拔除過(guò)程中所受軸向力與徑向力。繪制拔除阻力實(shí)時(shí)變化曲線，證明臺(tái)架方案的可行性。試驗(yàn)表明，棉稈在各參數(shù)組合條件下，所受阻力主要為軸向力，測(cè)得最大值為 405.56N ，最小值為 184.49N ；所受徑向力較小，測(cè)得最大值為105.83N，最小值為 10.27N 。

2）對(duì)不同拔除條件下測(cè)得的拔除阻力結(jié)果進(jìn)行極差與方差分析，結(jié)果表明，拔除三因素對(duì)棉稈拔除阻力的影響顯著程度順序：拔除速度 gt; 拔除角度 gt; 夾持高度。較為理想的拔除參數(shù)組合：拔除速度為600mm/s ，拔除角度為 60^° ，夾持高度為 100mm ，為后續(xù)拔稈機(jī)械降低拔除阻力、提高拔稈效果提供一種參考。

參考文獻(xiàn)

[1]國(guó)家統(tǒng)計(jì)局關(guān)于2023年棉花產(chǎn)量的公告[N].中國(guó)信息報(bào)， 2023-12-26（001）

[2]畢于運(yùn).秸稈資源評(píng)價(jià)與利用研究[D]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2010.Bi Yuyun. Study on straw resources evaluationandutilization in China [D]. Beijing：Chinese Academy ofAgriculturalSciences，2010.

[3]郜周明．橫軸對(duì)輥夾持式棉稈起拔機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2022.Gao Zhouming. Design and experiment of horizontal-roller clamping cotton stalk pulling device[D]. Urumqi：Xinjiang Agricultural University，2022.

[4]李怡，張國(guó)忠，周勇，等.棉稈田間起拔力測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（18）：43-50.LiYi，Zhang Guozhong，Zhou Yong，et al.Design andfield experiment of drawing resistance measurement systemforcotton stalk [J].Transactions of the Chinese Society ofAgriculturalEngineering，2013，29（18）：43-50.

[5]劉雄.移動(dòng)式棉稈拔取力學(xué)參數(shù)性能測(cè)定裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D]．烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020.Liu Xiong.Design and experiment ofmobile deviceformeasuring mechanical parameters of cotton culms[D].Urumqi： Xinjiang Agricultural University，2020.

[6]Demian TF. The pulland liftrequired to removecotton stalks in the Sudan [J]. Experimental Agriculture，1978，14（2）：129—135.

[7]SunY，Lammers P S，Lin J，et al.Determining root-soilanchorage strengthwith amodified penetrometer[J].Transactions of the ASABE，2011，54（1）：155-161.

[8]秦翠蘭．棉稈力學(xué)性能的研究[D]．阿拉爾：塔里木大學(xué)，2016.Qin Cuilan. Study on mechanical properties of cottonstalk[D]. Alar： Tarim University，2016.

[9]史諾．棉稈去皮方法研究及擠壓揉搓疏解剝皮機(jī)的研制[D]．楊陵：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2018.Shi Nuo. Peeling method of cotton stalk and developmentof rubbing peeling machine [D]. Yangling：NorthwestA amp; F University，2018.

[10]宋占華，肖靜，張世福，等．曲柄連桿式棉稈切割試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（S1）：162—167.Song Zhanhua，Xiao Jing，Zhang Shifu，et al. Design andexperiment on crank-connecting rod cotton stalk cuttingtest bench [J].Transactions of the Chinese Society forAgricultural Machinery，201l，42（Sl）：162—167.

[11]李怡．棉稈起拔機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]．武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.Li Yi. Design and experiment study on key componentsof coton stalks pulling machine [D]. Wuhan：HuazhongAgricultural University，2014.

[12］曹東平．銀錠榫連接組合式CLT墻體力學(xué)性能研究[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2023.Cao Dongping. Mechanical properties of combined CLTwall with double-dovetail connection [D]. Yangzhou：Yangzhou University，2023.

[13]卓鑫．基于三維力傳感器的飛機(jī)翼身對(duì)合干涉檢測(cè)與位置修正[D]．南昌：南昌航空大學(xué)，2022.Zhuo Xin. Interference detection and position correctionof aircraft wing-fuselage abutment based on three-dimensional force sensor [D]. Nanchang ：Nanchang Hangkong University， 2022.

[14]Gupta RA，Singh S，Sharda V.Study on pull forcefor cotton stalk and its relation with crop and soilparameters [J]. Journal of the Institution of Engineers（India）：Agricultural Engineering Division，2oo8，89（1）：（204號(hào) 35-39 ：

[15］陳明江，宋德平，王振偉，等．棉稈拉拔阻力的研究［J].農(nóng)機(jī)化研究，2016，38（6）：64—68.

[16］儲(chǔ)苗苗．基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需變化的土地生態(tài)分區(qū)研究[D]．南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020.ChuMiaomiao. Study on the land ecological zoning based onthe change of supply and demand of ecosystem services：Take dafeng district of Yancheng city asa case [D].Nanjing：Nanjing Agricultural University，2020.

[17]Gadir E A， Gibreel T M. Development of tractoroperated cotton stalk puller [J]. American Journal ofExperimental Agriculture，2013，3（3）：495-505.

[18］陳明江，趙維松，王振偉，等．齒盤式多行拔棉稈裝置拔稈過(guò)程分析與參數(shù)優(yōu)化[J]：農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，50（3）：109-120.Chen Mingjiang，Zhao Weisong，Wang Zhenwei，et al.Operation process analysis and parameter optimizationof dentate disc cotton-stalk uprooting mechanism [J].Transactions of the Chinese Society for AgriculturalMachinery，2019，50（3）：109-120.

[19]Ahmad F，Jamil M T，Akhtar Khan A，et al.Fieldperformance evaluation and finite element simulationofcottonstalkpuller-shredder：Asustainablemechanicalsolutiontocontrol pink bollworm（pectinophora gossypiella）[J]. Sustainability，2020，12（8）：3407.

[20]周冬冬，金誠(chéng)謙，倪有亮，等．聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)高度模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]：江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（13）：264—267.Zhou Dongdong，Jin Chengqian，Ni Youliang，et al.Design and test on fuzzy control system for heightof combine harvester header [J]. Jiangsu AgriculturalSciences，2019，47（13）：264-267.

[21］劉華偉．自適應(yīng)小麥割臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及控制策略研究[D].淄博：山東理工大學(xué)，2022.LiuHuawei.Researchonstructuraloptimizationandcontrol strategiesforadaptivewheatcuttingtables [D] Zibo： Shandong University ofTechnology，2022.

[22]陳魁．試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[23]Abdalla HE，EL-Sheikha M A，Elenany M E.Asimple machine for lifting cotton stalks [J]. MansouraUniversity Journal of Agricultural Sciences，2Oo6 31（7）：83-98.

[24]代振維．棉花拔稈機(jī)拔取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]．長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.Dai Zhenwei.Design and research on cotton stalkdrawing institutionsofpull-outcottonstalkmechanism.[D]. Changsha： Hunan AgriculturalUniversity，2015.

[25]盛越．基于離散元法的秸稈飼料收獲機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]．呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2022.Sheng Yue. Improved design and experimental researchofstraw forage harvester based on discrete elementmethod [D]. Hohhot：Inner Mongolia AgriculturalUniversity，2022.

[26]黃文勝.土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果與其它指標(biāo)的關(guān)系及影響因素分析[J]．西北水電，2011（3）：82-85.

[27］那順．北沙柳等4種植物根—土界面拉拔摩阻特性研究[D]．呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2021.Na Shun. The study on the friction drag characteristicsofroot-soil interface of four plants includingsalixpsammophila[D]. Hohhot：Inner Mongolia AgriculturalUniversity，2021.

[28]李玉道.回轉(zhuǎn)式棉花秸稈切割試驗(yàn)臺(tái)的研制與試驗(yàn)研究[D]．泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.Li Yudao. Rotary experiment study on developmentofcotton stalk cutting test bench and experimentalinvestigations[D]. Tai'an： Shandong AgriculturalUniversity，2012.

[29]韓林壯.新疆棉稈疏解及剝皮預(yù)處理裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D]．阿拉爾：塔里木大學(xué)，2023.Han Linzhuang. Design and experiment ofcottonstalkdredging andpeelingpretreatmentdeviceinXinjiang[D].Alar：TarimUniversity，2023.

[30］陳明江，王振偉，曲浩麗，等．棉稈彎曲和拉伸力學(xué)特性試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015，36（5）：29-32.Chen Mingjiang，Wang Zhenwei，Qu Haoli，etal.Bending and tensile properties tests of the cotton-stalk[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2015，36（5）：29-32.

[31］王宗源，明家銳，王其歡，等．機(jī)械式漏播檢測(cè)與補(bǔ)種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2023，44（10）：21—29.Wang Zongyuan， Ming Jiarui，Wang Qihuan，et al.Design and test of mechanical leakage detection andreseedingdevice[J].JournalofChineseAgriculturalMechanization，2023，44（10）：21-29.

[32]芮照鈺．前置式皮帶夾持輸送棉稈起拔機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D]．烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2022.Rui Zhaoyu. Design and test of front mounted beltclamping and conveying cotton-stalk pulling device [D].Urumqi： Xinjiang Agricultural University，2022.