棉秸稈力學(xué)特性和拉拔阻力研究

汪珽玨,陳明江,張佳喜,王振偉,趙維松,曲浩麗

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京 210014)

0 引言

棉花的種植在我國已有2 800年的歷史,人工種植的區(qū)域主要分布在長江流域、黃河流域及西北內(nèi)陸地區(qū)[1-3]。棉花產(chǎn)業(yè)會(huì)產(chǎn)生很多副產(chǎn)品。棉稈是棉花的主要副產(chǎn)品。我國2017年棉花播種面積3.2296×1011m2(4844.5萬畝),按照單產(chǎn)秸稈300kg/667m2計(jì)算,全國每年棉稈產(chǎn)量約為1 453萬t。如果這樣大量的資源實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用,將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前,棉稈的機(jī)收率還比較低,主要原因包括整稈收獲較為困難、拔取回收機(jī)械研究欠缺及機(jī)械化原理研究不透徹[4-5]。

開展棉稈的機(jī)械物理特性試驗(yàn)研究,獲得其機(jī)械物理特性,可為分析棉稈收獲過程中應(yīng)力、應(yīng)變分布狀態(tài)、確定棉稈起拔方式等提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù),對(duì)棉稈的高效收獲機(jī)具的設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義[6-9]。國內(nèi)外對(duì)于棉稈的研究主要集中在小麥、玉米等的力學(xué)性能及收割收獲方面,對(duì)于棉稈的力學(xué)綜合性能研究并不全面,無法對(duì)農(nóng)機(jī)機(jī)具的設(shè)計(jì)提供現(xiàn)實(shí)參考意義[10-13]。棉稈的物理性質(zhì)是秸稈收獲和加工的重要參數(shù),主要力學(xué)性能為抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和拉拔阻力等;物理性質(zhì)為含水率、秸稈直徑等。其中,棉稈的拉拔阻力是棉稈收獲機(jī)理的重要研究參數(shù),棉稈的物理性質(zhì)和拉拔阻力直接影響棉稈的收獲和加工成本,對(duì)研究棉稈循環(huán)利用具有積極意義[14-20]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)地為山東省濱州市無棣縣棉花全程機(jī)械化示范基地,試驗(yàn)材料為機(jī)采棉品種是中棉所50,棉花采用76cm等行距種植,采集時(shí)間為2015年10月23日—2016年3月21日,共分6個(gè)批次。主要設(shè)備有WDW—10型電子萬能試驗(yàn)機(jī)、TYD—1型土壤硬度計(jì)、SH—1000型數(shù)顯示推拉力計(jì)、HN202—2真空烘干箱及游標(biāo)卡尺等[21-22]。

1.2 試驗(yàn)方法

采用三點(diǎn)彎曲方法,試驗(yàn)測(cè)定棉稈在發(fā)生破壞時(shí)的最大載荷,試驗(yàn)方法參考《GB/T 1936.1—2009木材抗彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法》;拉伸試驗(yàn)參考《GB/T 1938—2009 木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》;棉稈相對(duì)含水量的測(cè)定方法參考《GB/T 1931—2009木材含水量測(cè)定方法》。棉稈起拔力測(cè)定的具體方法為:用尼龍繩一端拴在棉稈的根部,另一端連接到推拉力計(jì)的掛鉤上,并豎直向上緩慢提拔,根部脫離土壤后,讀取最大數(shù)據(jù)[23-27],如圖1所示。

圖1 棉稈起拔力以及力學(xué)特性測(cè)量Fig.1 Cotton rod pull-out force and physical properties measurement

1.3 處理方法

利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS 9.3進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,通過典型相關(guān)性分析棉稈的力學(xué)特性和物理性質(zhì)的關(guān)系,并采用多元回歸分析棉稈起拔力與棉稈物理性質(zhì)的關(guān)系[27-31]。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉秸稈物理特性以及起拔力的描述統(tǒng)計(jì)

2.1.1 棉秸稈物理特性統(tǒng)計(jì)描述

分別對(duì)不同批次棉稈的含水率、直徑、彎曲破壞載荷、抗拉強(qiáng)度、拉伸破壞載荷和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,統(tǒng)計(jì)如表1所示。由表1可以看出:隨著采樣時(shí)間的增長,棉稈的含水率逐漸降低,從第1批次到第3批次時(shí)棉稈含水率下降較為緩慢,在第3批以后棉稈的含水率下降較快,以每個(gè)月超過10%的幅度下降;棉稈的直徑在一個(gè)穩(wěn)定的水平,并沒有隨著采樣時(shí)間的改變發(fā)生較大變化;棉稈的平均抗拉強(qiáng)度隨著采樣時(shí)間的增長逐漸下降,且下降的幅度逐漸變小;棉稈的抗彎強(qiáng)度隨著采樣時(shí)間的增長,總體呈增長趨勢(shì)。

表1 棉秸稈物理特性指標(biāo)的總體統(tǒng)計(jì)Table 1 Overall statistics of physical characteristics of cotton straw

2.1.2 棉稈起拔力統(tǒng)計(jì)描述

對(duì)棉稈起拔力及主要影響因素棉稈平均直徑、土壤硬度和棉稈含水率進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,如表2所示。由表2可以看出:棉稈的平均拉拔阻力最大達(dá)到670.82N,最小為340.7N。由于在1月份以后土壤已經(jīng)逐漸發(fā)生冰凍,隨著氣溫的下降凍土深度增加,棉稈拉拔阻力急劇增大且寒冬不適合田間作業(yè),棉稈起拔力的收集失去其意義,故未收集相關(guān)數(shù)據(jù)。平均土壤硬度隨著時(shí)間推移最大達(dá)到9.4kg/m2,最小為3.3kg/m2。

表2 棉秸稈起拔力描述統(tǒng)計(jì)Table 2 Description and statistics of uplift force of cotton straw

2.2 典型相關(guān)性分析

2.2.1棉稈的彎曲力特性與含水率及直徑的典型相關(guān)分析

對(duì)棉稈的抗彎強(qiáng)度、彎曲力、直徑和含水率進(jìn)行典型相關(guān)性分析,共得到兩組典型變量。典型關(guān)聯(lián)分析如表3所示,相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)如表4所示。

表3 棉稈的抗彎強(qiáng)度與影響因素的相關(guān)系數(shù)及特征值Table 3 Correlation coefficient and eigenvalue of bending strength of cotton stalk and its influencing factors

由表3、表4可以看出:兩組典型變量都極為顯著。因此,選擇兩組典型變量進(jìn)行分析,得出棉稈的彎曲力特性與影響因素的典型相關(guān)模型,如表5所示。

從建立的典型相關(guān)模型可以看出,典型變量的重要程度及系數(shù)大小和兩個(gè)自變量代表的影響組對(duì)棉稈的彎曲特性可以用1對(duì)典型相關(guān)變量予以綜合描述。具體體現(xiàn)在如下方面:

1)棉稈直徑對(duì)棉稈的彎曲破壞載荷起著很大影響。棉稈直徑與棉稈的彎曲特性反應(yīng)在典型相關(guān)模型中,v1是棉稈彎曲力與棉稈彎曲強(qiáng)度的線性組合,彎曲破壞載荷的載荷為1.074 3,是彎曲性能中最大的。w1是影響因素指標(biāo)的線性組合,棉稈直徑的載荷為0.979 1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過w1內(nèi)其他指標(biāo)的數(shù)值?？紤]到第1對(duì)典型相關(guān)變量的相關(guān)系數(shù)幾乎接近于1,可以認(rèn)為棉稈的直徑與棉稈的彎曲破壞載荷有著極大的相關(guān)性。通過觀察表2可知棉稈直徑越大則其彎曲破壞載荷越大,且直徑對(duì)彎曲破壞載荷的影響遠(yuǎn)大于含水率對(duì)彎曲破壞載荷的影響。

2)棉稈含水率是決定棉稈抗彎強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。在第2對(duì)典型變量中,秸稈抗彎強(qiáng)度在典型變量v2中的載荷為-0.803 1,是秸稈彎曲性能指標(biāo)中最大的;而棉稈的含水率在典型變量w2中載荷最大,為-1.027 2。這一對(duì)典型相關(guān)變量的相關(guān)系數(shù)非常之高,表明含水率對(duì)棉稈的抗彎強(qiáng)度相關(guān)性很大,含水率越高,抗彎強(qiáng)度越低。

2.2.2棉稈的拉伸力特性與含水率及直徑的典型相關(guān)分析

對(duì)棉稈的抗拉強(qiáng)度,最大拉伸力、直徑及含水率進(jìn)行典型相關(guān)性分析,可以得到兩組典型變量他們的典型關(guān)聯(lián)分析如表6所示,相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)如表7所示。

表6 棉稈的抗拉強(qiáng)度與影響因素的相關(guān)系數(shù)及特征值Table 6 Correlation coefficient and eigenvalue of tensilestrength of cotton stalk and its influencing factors

表7 相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)Table 7 Correlation coefficient test

由表6、表7可以看出:兩組典型變量極為顯著,對(duì)兩組典型變量進(jìn)行分析,得到拉伸特性與影響因素的典型相關(guān)模型如表8所示。

表8 棉稈的抗拉強(qiáng)度與影響因素的典型相關(guān)模型Table 8 Canonical correlation model of tensile strength and influencing factors of cotton stalk

棉稈含水率決定棉稈抗拉強(qiáng)度及棉稈的拉伸破壞載荷。在第2對(duì)典型變量中,棉稈抗拉強(qiáng)度在典型變量m2中的載荷為0.559 6;棉稈的最大拉伸力在典型變量中m2的載荷是0.579 4。棉稈的最大拉伸力與棉稈抗拉強(qiáng)度的載荷相近,此處認(rèn)為棉稈的含水率對(duì)抗拉強(qiáng)度及最大拉伸力都有相關(guān)性。對(duì)比表1可知,都為正相關(guān),即含水率越大,棉稈的抗拉強(qiáng)度越大,棉稈的拉伸破壞載荷越大。

棉稈的直徑?jīng)Q定棉稈的拉伸破壞載荷。在第1對(duì)典型變量中,棉稈抗拉強(qiáng)度在典型變量m1中的載荷為-1.049 8;棉稈的拉伸破壞載荷在典型變量m1中的載荷是1.039 0。棉稈的拉伸破壞載荷與棉稈的抗拉強(qiáng)度相近,此處認(rèn)為棉稈的直徑對(duì)最大拉伸力具有顯著相關(guān)性,對(duì)比表1知棉稈的直徑與拉伸破壞載荷呈正相關(guān),即棉稈的直徑越大,最大拉伸力越大,且直徑對(duì)拉伸破壞載荷的影響遠(yuǎn)大于含水率對(duì)拉伸破壞載荷的影響。

2.3 棉稈起拔力與其物理特性的分析

2.3.1 棉稈起拔力分析的方法選擇

基于棉稈的直徑、含水率、土壤緊實(shí)度及起拔力的相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),采用多元統(tǒng)計(jì)中的回歸分析方法對(duì)棉稈起拔力進(jìn)行分析。

2.3.2 棉稈起拔力與含水率關(guān)系

通過對(duì)第1批次、第2批次、第6批次的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,分析結(jié)果如圖2(a)所示。棉稈起拔力與含水率的線性回歸模型為

圖2 棉稈拉拔阻力與影響因素的關(guān)系Fig.2 Relationship between pulling resistance of cotton rod and influencing factors

y1=17.74325x1+409.40949

(1)

其中,y1為棉稈的起拔力(N);x1為棉稈的含水率(%)。在棉稈含水率與起拔力的回歸分析的方程中,回歸方程的P值為0.963 8,說明回歸模型不顯著,棉稈的含水率對(duì)于起拔力的大小不會(huì)造成影響。

2.3.3 棉稈起拔力與棉稈直徑的關(guān)系

通過對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,分析結(jié)果如圖2(b)所示。棉稈起拔力與棉稈直徑的線性回歸模型為

y2=27.88644x2

(2)

其中,y2為棉稈的起拔力(N);x2為棉稈直徑(mm)。在棉稈起拔力與含水率的回歸方程中,方程的假定值P?0.001,說明模型顯著。參數(shù)x2的P值遠(yuǎn)小于0.001,但是常數(shù)項(xiàng)的P值為0.752 8,舍去。模型的擬合優(yōu)度為0.346 7,擬合優(yōu)度偏低。由回歸模型可以看出,棉稈的直徑與棉稈起拔力呈正相關(guān)。

2.3.4 棉稈起拔力與土壤硬度的關(guān)系

對(duì)棉稈的起拔力與土壤硬度進(jìn)行回歸分析,分析結(jié)果如圖2(c)所示。棉稈起拔力與棉稈直徑的線性回歸方程模型為

y3=37.16027x3+244.42547

(3)

其中,y3為棉稈的起拔力(N);x3為秸稈地的土壤緊實(shí)度(kg/m)。在棉稈起拔力與棉稈直徑的線性回歸方程中,模型假定值p=0.001<0.05,說明模型顯著。參數(shù)x3、常數(shù)項(xiàng)的p值(假定值)都符合檢驗(yàn),模型的擬合優(yōu)度R-Square為0.179 0,擬合優(yōu)度偏低。由回歸模型可以看出,棉稈的直徑與棉稈的起拔力呈正相關(guān)。

2.3.5 棉稈起拔力多元線性回歸分析

多元線性回歸是以多個(gè)解釋變量的給定值為條件的回歸分析,是研究一個(gè)因變量和多個(gè)自變量間的線性關(guān)系方法,多元線性回歸模型的一般形式為

Y=β0+β1X1+β2X2+…+βiXi+…βkXk+u

其中,k為解釋變量數(shù)目;βi(j=1,2,k)為回歸系數(shù);u為去除k個(gè)自變量對(duì)Y影響后的隨機(jī)誤差[32-33]。本文以濱州地區(qū)2015年10月23日-2016年3月21日采集的6批次棉稈實(shí)測(cè)得出的棉稈直徑、含水率、土壤緊實(shí)度及棉稈起拔力作為基礎(chǔ)系列數(shù)據(jù),利用SAS軟件對(duì)各變量數(shù)據(jù)進(jìn)行一元回歸分析得出:棉稈直徑和土壤緊實(shí)度是影響棉稈起拔力的主要因素,棉稈的含水率對(duì)棉稈的起拔力幾乎沒有影響。

由式(1)～式(3)中能得到符合條件的模型,但是無論是土壤緊實(shí)度,還是棉稈半徑的模型,其擬合度都達(dá)不到理想的效果,不能很好地描述起拔力與棉稈直徑及土壤緊實(shí)度的關(guān)系。引入多元回歸,以棉稈起拔力為因變量,棉稈的直徑及土壤緊實(shí)度為自變量建立多元回歸模型,回歸方程式為

y4=36.32720x3+27.56728x2

(4)

其中,y4為棉稈的起拔力(N);x3為秸稈地的土壤硬度(kg/m2);x2為棉稈直徑(mm)。模型的的假定值P<0.001,故拒絕原假設(shè),接受備選假設(shè),認(rèn)為y與x3、x2之間具有顯著線性相關(guān)關(guān)系;但是模型擬合優(yōu)度R-Square為0.517 6,偏低。

由式(4)可知,回歸方程顯著擬合優(yōu)度偏低。其主要原因如下:棉稈的起拔力影響因素很多,方程中的影響因素不能全部囊括進(jìn)來,但棉稈直徑及土壤緊實(shí)度與起拔力模型能達(dá)到50%的擬合度,對(duì)于只需大體確定棉稈起拔力范圍的拔桿機(jī)械具有重要指導(dǎo)作用,所以本文起拔力的影響因素可設(shè)為土壤硬度和棉稈直徑。

為了提高模型的擬合度,使得模型更加準(zhǔn)確,此處引入多元線性回歸的回歸診斷圖,如圖3所示。圖3中包括殘差分析影響分析。根據(jù)影響分析圖剔除統(tǒng)計(jì)樣本中的離群點(diǎn),剔除樣本中的離群點(diǎn)后重新對(duì)樣本進(jìn)行回歸分析,模型為

圖3 多元線性分析回歸診斷Fig.3 Multiva Multivariate linear regression regression diagnosis

y=-111.73707+45.39254x3+23.89125x2

(5)

分析得出模型及參數(shù)p值均顯著,且模型擬合優(yōu)度達(dá)到0.81。

2.3.6 回歸驗(yàn)證與預(yù)測(cè)

對(duì)回歸模型進(jìn)行驗(yàn)證,2018年3月收集的棉稈的起拔力實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的變化情況如圖4所示。由圖4可知:棉稈的起拔力值和預(yù)測(cè)值接近。由SAS軟件相關(guān)分析得出,棉稈起拔力的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值相關(guān)系數(shù)為0.76。上述多元線性回歸分析模型適用于棉稈起拔力的預(yù)測(cè),對(duì)于拔棉稈機(jī)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

圖4 棉稈起拔力和預(yù)測(cè)力對(duì)比Fig.4 Comparison of uplift force and prediction force of cotton rod

3 結(jié)論

1)抗拉強(qiáng)度在含水率最高為61%時(shí)達(dá)到最大值37.65MPa,當(dāng)含水率在在15%～50%之間,棉稈的抗拉強(qiáng)度變化不大,平均抗拉強(qiáng)度集中在21.5～25.8MPa之間;對(duì)于抗彎強(qiáng)度,在含水率為15%時(shí)達(dá)到最高值33MPa,當(dāng)含水率在25%～55%之間時(shí)棉稈的抗彎強(qiáng)度變化不大,平均抗彎強(qiáng)度集中在23.5～27MPa之間。

2)對(duì)于棉稈起拔力,在土壤緊實(shí)度為最低的3.3kg/cm2時(shí)達(dá)到最小值340.7N,棉稈的起拔力隨著土壤緊實(shí)度的降低而降低。

3)棉稈的彎曲破壞載荷及拉伸破壞載荷與棉稈的直徑和棉稈的含水率都有著顯著的相關(guān)性,且棉稈直徑對(duì)彎曲和拉伸破壞載荷的影響遠(yuǎn)大于含水率對(duì)棉稈拉伸和彎曲破壞載荷的影響。

4)棉稈的抗彎強(qiáng)度隨著棉稈的含水率增大而減小,棉稈的抗拉強(qiáng)度隨著含水率的增大而增大。

5)對(duì)棉稈的起拔力與棉稈含水率、棉稈直徑及土壤緊實(shí)度進(jìn)行回歸分析,發(fā)現(xiàn)棉稈的起拔力與棉稈的含水率相關(guān)性不顯著,棉稈的起拔力與土壤緊實(shí)度及棉稈的直徑都呈正相關(guān)。

6)對(duì)棉稈的回歸分析進(jìn)行分析診斷,對(duì)棉稈起拔力的多元分析模型進(jìn)行優(yōu)化得到棉稈起拔力與棉稈直徑及土壤緊實(shí)度的模型y=-111.73707+45.39254x1+23.89125x2。其擬合優(yōu)度為0.81,可以用于對(duì)棉稈起拔力的預(yù)測(cè)及拔棉稈機(jī)的設(shè)計(jì)研究。