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摘要：通过试验分析，研究棉花在收获期不同开放状态下棉絮与铃壳分离力及棉絮扯断力的情况，利用与计算机终端相连的拉力计采集装置，对新疆机采棉种植模式下的棉花进行棉絮相关力学特性试验。试验表明，随棉絮含水率的不同，棉絮与铃壳的分离力及棉絮的扯断力亦成规律性变化。在喷洒脱叶剂后18～20 d进行棉花采收更有益于提高棉花采净率。
关键词：棉絮；分离力；扯断力
中图分类号： S562.01文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0504-03
收稿日期：2014-12-11
基金项目：石河子大学高层次人才科研启动项目（编号：RCZX201309）。
作者简介：张新建（1987—），男，山东菏泽人， 硕士研究生，研究方向为先进性制造技术。E-mail： zhangxinjianzxj001@163.com。
通信作者：张宏文，教授，主要从事农业机械设计及机械系统仿真的研究。E-mail：zhw_mac@shzu.edu.cn。新疆是中国最大的优质棉生产基地，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；新疆具有得天独厚的地理位置及天然气候，使得新疆棉花以纤维长、色泽洁白、拉力强著称[1-3]。据统计，2013年新疆棉花的种植面积为169.2万hm2，总产量为340万t，棉花产量大约占全国的46%，占世界总产量的12%，棉花已成为新疆的支柱产业[4]。随着新疆生产建设兵团对机采棉技术的推广和普及，采棉机的数量得到了迅速的发展。但要解决进口采棉机在国外采净率高，到新疆采净率下降[5]的问题是迫在眉睫的事情。
棉花作为机械工作过程中的一种介质，它在不同开放状态下物理特性的研究为正确设计采棉机提供了必要条件，通过对棉絮与铃壳的分离力及棉絮纤维扯断力的试验研究，试验数据对采棉机的设计提供理论依据，同时还可以指导棉农进行棉花的适时采摘。
棉絮和铃壳之间的分离力是指将棉絮和铃壳分离所需要的拉力。分离力的大小反映棉絮与铃壳之间的连接强度，并且该指标直接影响采棉机的采摘效果。棉絮与铃壳之间的分离力越小，说明棉絮越容易从棉壳上采摘，相反，棉絮与铃壳之间的分离力越大，棉絮越难从铃壳上采摘下来。当单瓣棉絮分离力大于此瓣棉花纤维撕裂而断开的最小力时，棉絮不能完整地从铃壳上采摘出来，最终未被采摘出的棉花遗留在铃壳中，这就直接导致了采棉机采净率降低。所以，探究棉花在喷洒脱叶剂之后棉铃不同开放状态下，不同含水率棉絮与铃壳分离力之间的关系，确定棉花最适合采棉机采摘的时间，为提高采棉机的采净率提供理论指导[6-8]。
1材料与方法
1.1试验材料
棉花取自石河子146团六分场七连当年种植的棉花，品种为新陆中棉66号（此品种棉花种植面积占七连棉花种植面积的85%以上），此棉田采用机采棉种植模式（66 10）cm于2014年9月18日喷洒脱叶剂，10月4—10日采样进行测试，采样时棉田中棉铃的吐絮率大于94%，脱叶率大于90%，棉絮含水率小于10%[9]。此地块于10月11日采收棉花，籽棉产量5 400 kg/hm2。
1.2试验设备
GDE-500电动单柱立式机台（有效行程≤400 mm，无级调速0～500 mm/min）、HF-5推拉力计（量程5 N，精度±0.001 N）及与其相连的数据采集装置、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45～145 g，精度±0.001 g）。
1.3试验方法
在试验地的大型棉田中随机选取一块测试地，在选取的测试地上找到地块各边的中点，分别从各边中点向对边中点连线，这样把测试地块平均分成4部分，任意选取对角线上的两部分作为测试地块。在所选对角的2个小的测试地块上，分别找到长、宽边的中点向对边中点连线，分别沿中点的连线从地边算起，选取连线长的1/4、3/4点处作为检测点，此外还有检测地块2个连线的交点，共5个检测点位置，试验时间为2014年10月1—7日，连续7 d棉田检测点采样测试。
根据前期学者的研究[10]，定于每天14：00进行采样测试，在每个标记好的棉田检测点确定60株完整的棉花，并记录棉株上青棉铃数、半开放棉铃数、完全开放棉铃数、过开放棉铃数；此后随机选取上述4种状态的棉铃进行取样，样品取出后马上进行棉絮含水率测试、棉絮与铃壳分离力及棉絮扯断力大小的测试，防止因取样时间过长对分离力及扯断力的大小产生较大影响。
在选定的每个测试点上对半开放、完全开放、过开放3种不同开放状态的棉铃进行取样，相同条件下随机各取10个，将它们随机分成均等的2组（A组和B组）。对A组3种开放状态的棉花不作任何处理直接测定棉絮的含水率；B组测试前要先把棉絮加湿，再进行棉絮含水率的测定，但必须保证棉絮的含水率小于10%。最后分别测定含水率不同的两组棉铃的分离力。
1.3.1棉絮含水率的测定棉絮样品含水率的测定采用干燥法，参照GB/T 6102.1—2006规定[11]进行。在对棉絮含水率测试之前，先用尖嘴镊子将籽棉中的棉籽摘除，然后把摘除棉籽的籽棉絮放在MA45电子精量天平上。获取并且记录此时试样的质量m。将试样放入干燥箱内， 在（103±2） ℃的温度下干燥一段时间后， 从中选定2 ～ 3个试样进行第 1 次称量， 以后每隔 1 min称量1次， 至最后2次称量之差不超过0.002 g时， 即认为试样达到全干。把干燥后的去籽籽棉再次放在MA45电子精量天平上，获取并且记录此时试样的质量m1。去籽籽棉含水率的计算公式如下：
1.3.2棉絮分离力的测定测试时利用GDE-500电动单柱立式机台的台钳将棉柄垂直夹在机台的拉力盘上，单瓣籽棉夹在HF-5推拉力计的测试端，最后调整棉柄在拉力盘上的夹持位置，保证棉柄和籽棉的夹持点及HF-5推拉力计的测试杆在同一直线上。该试验GDE-500电动单柱立式机台以10 mm/s的速度将籽棉从铃壳中拉出，利用HF-5推拉力计的计算机终端采集分离力数据并记录。试验测定籽棉和铃壳之间的分离力以及单瓣籽棉被扯断时的扯断力。 2结果与分析
由表1可知，10月4—10日对选定的300株完整棉花、共2 983个棉铃对其不同开放状态进行统计显示，喷洒脱叶剂后16～18 d（10月4—6日），半开放棉铃、青棉铃的数量迅速减少，全开棉铃数量增加较快，过开棉铃数量增加相对较慢；但是喷洒脱叶剂后19～20 d（10月7—8日）半开棉铃、过开棉铃、青棉铃数量增加相对平稳，此时完全开放棉铃数量最多；喷洒脱叶剂后20～22 d（10月8—10日）半开放棉铃和青棉铃个数逐渐减少，过开放棉铃数量快速增加，完全开放棉铃数量不断减少。
2.1棉絮分离力与含水率的关系
通过10月4—10日对棉絮含水率及棉絮与铃壳分离力的测定，结果见表2、图1、图2。棉絮含水率的不同，A组半开棉铃、全开棉铃、过开棉铃的棉絮与铃壳分离力均略大于B组棉絮与铃壳分离力。分析棉铃含水率不同、开放状态不同可以得出：全开棉铃的棉絮与铃壳分离力均大于半开棉铃和过开棉铃的棉絮与铃壳分离力，并且半开棉铃、过开棉铃的棉絮与铃壳分离力比较接近。即含水率越高其棉絮和铃壳之间的分离力就越小。
2.2棉絮扯断力与含水率的关系
棉絮扯断力的变化如图3、图4所示：半开棉铃棉絮扯断力远小于全开棉铃和过开棉铃的棉絮扯断力。相同开放状态的棉铃不同含水率情况下含水率越高对应的棉絮扯断力越大，所以含水率对棉絮扯断力的影响较显著。
2.3综合分析
结合图1和图3分析A组的测试结果可得：棉铃半开状态下棉絮与铃壳分离力和棉絮扯断力的大小比较接近。在测定其分离力的过程中，会出现棉絮与铃壳没有完全分离的现象，但此时棉花纤维已经断裂，这样测定的棉絮与铃壳分离力也就是棉絮扯断力，棉絮与铃壳分离力和棉絮扯断力大小比较接近，这就导致了机采棉过程中采净率的下降。全开棉铃和过开棉铃的棉絮扯断力接近棉絮与铃壳分离力的2倍，说明全开棉铃和过开棉铃在机采棉过程中，很少会出现棉花纤维被扯断的情况。
结合图2和图4分析B组的测试结果可得：适当增大半开棉铃棉絮的含水率可使棉絮的扯断力略大于其分离力，在实际机采棉过程中也会提高采净率。
3结论
根据棉铃在不同开放状态下的拉力试验结果显示，在喷洒脱叶剂之后的18～20 d机采棉采摘效果最好，在此期间全开棉铃的数量达到最大，半开棉铃和过开棉铃的数量相对较少；当喷洒脱叶剂之后小于18 d时，半开棉铃的数量相对较多，由于半开棉铃的棉絮与铃壳分离力和棉絮扯断力比较接近，在实际的机采棉过程中棉絮容易被拉断，导致采净率下降；当喷洒脱叶剂之后大于20 d时，过开棉铃的数量逐渐增多，因为过开棉铃棉絮与铃壳分离力相对较小，所以在机采棉过程中容易造成籽棉落地量的增加，也会造成采净率下降。
根据棉花与铃壳分离力及棉絮扯断力的试验分析得出，B组3种状态下棉花与铃壳的分离力要略小于对应A组3种不同状态下棉花的分离力，即适当提高棉絮的含水率更有利于棉花的采摘。
参考文献：
[1]叶炜，叶关荣，肖中高，等. 大容量棉花纤维测试仪的色泽测量研究[J]. 仪器仪表学报，2011，32（8）：1871-1878.
[2]余渝，邓福军，田笑明，等. 新疆兵团棉花品种纤维品质现状分析[J]. 中国棉花，2003，30（7）：2-4.
[3]姜茹琴，姜保功. 新疆棉花品种纤维品质检测和分析[J]. 中国棉花，2001，28（5）：4-6.
[4]聂新富，徐新洲，董国光. 影响机采棉发展的制约因素分析及对策[J]. 新疆农机化，2004（1）：42-43.
[5]中国科学院农业机械化研究所，中国科学院情报资料室编译.棉花收获机械译文集[M]. 北京：机械工业出版社，1960.
[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]李勇，张宏文，杨涛. 棉花收获期棉絮分离力的试验研究[J]. 石河子大学学报：自然科学版，2011，29（5）：633-636.
[9]NY/T 1133—2006采棉机作业质量[S]. 2006.
[10]GB/T 6102.1—2006原棉回潮率试验方法[S]. 2006.窦超银，李趋，陈伟，等. 微喷带灌溉田间灌溉方式的选择与应用研究[J]. 江苏农业科学，2015，43（11：507-509.
关键词：棉絮；分离力；扯断力
中图分类号： S562.01文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0504-03
收稿日期：2014-12-11
基金项目：石河子大学高层次人才科研启动项目（编号：RCZX201309）。
作者简介：张新建（1987—），男，山东菏泽人， 硕士研究生，研究方向为先进性制造技术。E-mail： zhangxinjianzxj001@163.com。
通信作者：张宏文，教授，主要从事农业机械设计及机械系统仿真的研究。E-mail：zhw_mac@shzu.edu.cn。新疆是中国最大的优质棉生产基地，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；新疆具有得天独厚的地理位置及天然气候，使得新疆棉花以纤维长、色泽洁白、拉力强著称[1-3]。据统计，2013年新疆棉花的种植面积为169.2万hm2，总产量为340万t，棉花产量大约占全国的46%，占世界总产量的12%，棉花已成为新疆的支柱产业[4]。随着新疆生产建设兵团对机采棉技术的推广和普及，采棉机的数量得到了迅速的发展。但要解决进口采棉机在国外采净率高，到新疆采净率下降[5]的问题是迫在眉睫的事情。
棉花作为机械工作过程中的一种介质，它在不同开放状态下物理特性的研究为正确设计采棉机提供了必要条件，通过对棉絮与铃壳的分离力及棉絮纤维扯断力的试验研究，试验数据对采棉机的设计提供理论依据，同时还可以指导棉农进行棉花的适时采摘。
棉絮和铃壳之间的分离力是指将棉絮和铃壳分离所需要的拉力。分离力的大小反映棉絮与铃壳之间的连接强度，并且该指标直接影响采棉机的采摘效果。棉絮与铃壳之间的分离力越小，说明棉絮越容易从棉壳上采摘，相反，棉絮与铃壳之间的分离力越大，棉絮越难从铃壳上采摘下来。当单瓣棉絮分离力大于此瓣棉花纤维撕裂而断开的最小力时，棉絮不能完整地从铃壳上采摘出来，最终未被采摘出的棉花遗留在铃壳中，这就直接导致了采棉机采净率降低。所以，探究棉花在喷洒脱叶剂之后棉铃不同开放状态下，不同含水率棉絮与铃壳分离力之间的关系，确定棉花最适合采棉机采摘的时间，为提高采棉机的采净率提供理论指导[6-8]。
1材料与方法
1.1试验材料
棉花取自石河子146团六分场七连当年种植的棉花，品种为新陆中棉66号（此品种棉花种植面积占七连棉花种植面积的85%以上），此棉田采用机采棉种植模式（66 10）cm于2014年9月18日喷洒脱叶剂，10月4—10日采样进行测试，采样时棉田中棉铃的吐絮率大于94%，脱叶率大于90%，棉絮含水率小于10%[9]。此地块于10月11日采收棉花，籽棉产量5 400 kg/hm2。
1.2试验设备
GDE-500电动单柱立式机台（有效行程≤400 mm，无级调速0～500 mm/min）、HF-5推拉力计（量程5 N，精度±0.001 N）及与其相连的数据采集装置、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45～145 g，精度±0.001 g）。
1.3试验方法
在试验地的大型棉田中随机选取一块测试地，在选取的测试地上找到地块各边的中点，分别从各边中点向对边中点连线，这样把测试地块平均分成4部分，任意选取对角线上的两部分作为测试地块。在所选对角的2个小的测试地块上，分别找到长、宽边的中点向对边中点连线，分别沿中点的连线从地边算起，选取连线长的1/4、3/4点处作为检测点，此外还有检测地块2个连线的交点，共5个检测点位置，试验时间为2014年10月1—7日，连续7 d棉田检测点采样测试。
根据前期学者的研究[10]，定于每天14：00进行采样测试，在每个标记好的棉田检测点确定60株完整的棉花，并记录棉株上青棉铃数、半开放棉铃数、完全开放棉铃数、过开放棉铃数；此后随机选取上述4种状态的棉铃进行取样，样品取出后马上进行棉絮含水率测试、棉絮与铃壳分离力及棉絮扯断力大小的测试，防止因取样时间过长对分离力及扯断力的大小产生较大影响。
在选定的每个测试点上对半开放、完全开放、过开放3种不同开放状态的棉铃进行取样，相同条件下随机各取10个，将它们随机分成均等的2组（A组和B组）。对A组3种开放状态的棉花不作任何处理直接测定棉絮的含水率；B组测试前要先把棉絮加湿，再进行棉絮含水率的测定，但必须保证棉絮的含水率小于10%。最后分别测定含水率不同的两组棉铃的分离力。
1.3.1棉絮含水率的测定棉絮样品含水率的测定采用干燥法，参照GB/T 6102.1—2006规定[11]进行。在对棉絮含水率测试之前，先用尖嘴镊子将籽棉中的棉籽摘除，然后把摘除棉籽的籽棉絮放在MA45电子精量天平上。获取并且记录此时试样的质量m。将试样放入干燥箱内， 在（103±2） ℃的温度下干燥一段时间后， 从中选定2 ～ 3个试样进行第 1 次称量， 以后每隔 1 min称量1次， 至最后2次称量之差不超过0.002 g时， 即认为试样达到全干。把干燥后的去籽籽棉再次放在MA45电子精量天平上，获取并且记录此时试样的质量m1。去籽籽棉含水率的计算公式如下：
1.3.2棉絮分离力的测定测试时利用GDE-500电动单柱立式机台的台钳将棉柄垂直夹在机台的拉力盘上，单瓣籽棉夹在HF-5推拉力计的测试端，最后调整棉柄在拉力盘上的夹持位置，保证棉柄和籽棉的夹持点及HF-5推拉力计的测试杆在同一直线上。该试验GDE-500电动单柱立式机台以10 mm/s的速度将籽棉从铃壳中拉出，利用HF-5推拉力计的计算机终端采集分离力数据并记录。试验测定籽棉和铃壳之间的分离力以及单瓣籽棉被扯断时的扯断力。 2结果与分析
由表1可知，10月4—10日对选定的300株完整棉花、共2 983个棉铃对其不同开放状态进行统计显示，喷洒脱叶剂后16～18 d（10月4—6日），半开放棉铃、青棉铃的数量迅速减少，全开棉铃数量增加较快，过开棉铃数量增加相对较慢；但是喷洒脱叶剂后19～20 d（10月7—8日）半开棉铃、过开棉铃、青棉铃数量增加相对平稳，此时完全开放棉铃数量最多；喷洒脱叶剂后20～22 d（10月8—10日）半开放棉铃和青棉铃个数逐渐减少，过开放棉铃数量快速增加，完全开放棉铃数量不断减少。
2.1棉絮分离力与含水率的关系
通过10月4—10日对棉絮含水率及棉絮与铃壳分离力的测定，结果见表2、图1、图2。棉絮含水率的不同，A组半开棉铃、全开棉铃、过开棉铃的棉絮与铃壳分离力均略大于B组棉絮与铃壳分离力。分析棉铃含水率不同、开放状态不同可以得出：全开棉铃的棉絮与铃壳分离力均大于半开棉铃和过开棉铃的棉絮与铃壳分离力，并且半开棉铃、过开棉铃的棉絮与铃壳分离力比较接近。即含水率越高其棉絮和铃壳之间的分离力就越小。
2.2棉絮扯断力与含水率的关系
棉絮扯断力的变化如图3、图4所示：半开棉铃棉絮扯断力远小于全开棉铃和过开棉铃的棉絮扯断力。相同开放状态的棉铃不同含水率情况下含水率越高对应的棉絮扯断力越大，所以含水率对棉絮扯断力的影响较显著。
2.3综合分析
结合图1和图3分析A组的测试结果可得：棉铃半开状态下棉絮与铃壳分离力和棉絮扯断力的大小比较接近。在测定其分离力的过程中，会出现棉絮与铃壳没有完全分离的现象，但此时棉花纤维已经断裂，这样测定的棉絮与铃壳分离力也就是棉絮扯断力，棉絮与铃壳分离力和棉絮扯断力大小比较接近，这就导致了机采棉过程中采净率的下降。全开棉铃和过开棉铃的棉絮扯断力接近棉絮与铃壳分离力的2倍，说明全开棉铃和过开棉铃在机采棉过程中，很少会出现棉花纤维被扯断的情况。
结合图2和图4分析B组的测试结果可得：适当增大半开棉铃棉絮的含水率可使棉絮的扯断力略大于其分离力，在实际机采棉过程中也会提高采净率。
3结论
根据棉铃在不同开放状态下的拉力试验结果显示，在喷洒脱叶剂之后的18～20 d机采棉采摘效果最好，在此期间全开棉铃的数量达到最大，半开棉铃和过开棉铃的数量相对较少；当喷洒脱叶剂之后小于18 d时，半开棉铃的数量相对较多，由于半开棉铃的棉絮与铃壳分离力和棉絮扯断力比较接近，在实际的机采棉过程中棉絮容易被拉断，导致采净率下降；当喷洒脱叶剂之后大于20 d时，过开棉铃的数量逐渐增多，因为过开棉铃棉絮与铃壳分离力相对较小，所以在机采棉过程中容易造成籽棉落地量的增加，也会造成采净率下降。
根据棉花与铃壳分离力及棉絮扯断力的试验分析得出，B组3种状态下棉花与铃壳的分离力要略小于对应A组3种不同状态下棉花的分离力，即适当提高棉絮的含水率更有利于棉花的采摘。
参考文献：
[1]叶炜，叶关荣，肖中高，等. 大容量棉花纤维测试仪的色泽测量研究[J]. 仪器仪表学报，2011，32（8）：1871-1878.
[2]余渝，邓福军，田笑明，等. 新疆兵团棉花品种纤维品质现状分析[J]. 中国棉花，2003，30（7）：2-4.
[3]姜茹琴，姜保功. 新疆棉花品种纤维品质检测和分析[J]. 中国棉花，2001，28（5）：4-6.
[4]聂新富，徐新洲，董国光. 影响机采棉发展的制约因素分析及对策[J]. 新疆农机化，2004（1）：42-43.
[5]中国科学院农业机械化研究所，中国科学院情报资料室编译.棉花收获机械译文集[M]. 北京：机械工业出版社，1960.
[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]李勇，张宏文，杨涛. 棉花收获期棉絮分离力的试验研究[J]. 石河子大学学报：自然科学版，2011，29（5）：633-636.
[9]NY/T 1133—2006采棉机作业质量[S]. 2006.
[10]GB/T 6102.1—2006原棉回潮率试验方法[S]. 2006.窦超银，李趋，陈伟，等. 微喷带灌溉田间灌溉方式的选择与应用研究[J]. 江苏农业科学，2015，43（11：507-509.