摘要:棉秆力学特性是研究棉秆收获机械的理论基础。为此，通过采集不同时期的棉秆，测定力学性能和物理性能;通过典型相关性分析，研究棉秆的物理性能与力学特性的关系;采用线性回归模型分析棉秆起拔力、土壤紧实度、棉秆直径及棉秆含水率的关系，对模型进行优化并建立棉秆的起拔力模型。试验结果表明:抗拉强度在含水率最高为61%时达到最大值37.65MPa，当含水率在在15%～50%之间，棉秆的抗拉强度变化不大，平均抗拉强度集中在21.5～25.8MPa之间;对于抗弯强度，在含水率在为15%时达到最高值33MPa，当含水率在25%～55%之间，棉秆的抗弯强度变化不大，平均抗弯强度集中在23.5～27MPa之间;对于棉秆起拔力，在土壤紧实度为最低的3.3kg/cm时达到最小值340.7N，棉秆的起拔力随着土壤紧实度的降低而减小。通过典型相关性分析可知:棉秆的弯曲破坏载荷及拉伸破坏载荷与棉秆的直径和棉秆的含水率都有着显著的相关性，且棉秆直径对弯曲和拉伸破坏载荷的影响远大于含水率对棉秆拉伸和弯曲破坏载荷的影响;含水率与棉秆的抗拉强度呈正相关，与抗弯强度呈负相关。对棉秆的起拔力与棉秆含水率、棉秆直径及土壤紧实度进行多元回归分析，得到棉秆起拔力与棉秆直径以及土壤紧实度的模型为y=-111.73707+45.39254x1+23.89125x2，其拟合优度为0.81，可用于对棉秆起拔力的预测和拔棉秆机的设计研究。该研究对于推进棉秆机械化回收发展具有重要的指导意义。
关键词:棉花拔秆;力学特性;典型相关性分析;多元回归
0引言
棉花的种植在我国已有2800年的历史，人工种植的区域主要分布在长江流域、黄河流域及西北内陆地区[1-3]。棉花产业会产生很多副产品。棉秆是棉花的主要副产品。我国2017年棉花播种面积3.2296×1011m2(4844.5万亩)，按照单产秸秆300kg/667m2计算，全国每年棉秆产量约为1453万t。如果这样大量的资源实现循环利用，将产生巨大的经济效益。目前，棉秆的机收率还比较低，主要原因包括整秆收获较为困难、拔取回收机械研究欠缺及机械化原理研究不透彻[4-5]。
开展棉秆的机械物理特性试验研究，获得其机械物理特性，可为分析棉秆收获过程中应力、应变分布状态、确定棉秆起拔方式等提供理论依据和技术参数，对棉秆的高效收获机具的设计有重要的指导意义[6-9]。国内外对于棉秆的研究主要集中在小麦、玉米等的力学性能及收割收获方面，对于棉秆的力学综合性能研究并不全面，无法对农机机具的设计提供现实参考意义[10-13]。棉秆的物理性质是秸秆收获和加工的重要参数，主要力学性能为抗弯强度、抗拉强度和拉拔阻力等;物理性质为含水率、秸秆直径等。其中，棉秆的拉拔阻力是棉秆收获机理的重要研究参数，棉秆的物理性质和拉拔阻力直接影响棉秆的收获和加工成本，对研究棉秆循环利用具有积极意义[14-20]。
相关期刊推荐：《应用力学学报》Chinese Journal of Applied Mechanics(双月刊)1984年创刊，是核心级学术刊物。主要反映现代力学在工程实际中的应用，及时交流运用控力学理论、计算方法和实验技术在解决工程实际问题中取得的新成果。涉及内容包括流体、振动、强度等方面的问题。
1材料与方法.
1.1试验材料与设备
.试验地为山东省滨州市无棣县棉花全程机械化示范基地，试验材料为机采棉品种是中棉所50，棉花采用76cm等行距种植，采集时间为2015年10月23日—2016年3月21日，共分6个批次。主要设备有WDW—10型电子万能试验机、TYD—1型土壤硬度计、SH—1000型数显示推拉力计、HN202—2真空烘干箱及游标卡尺等[21-22]。
1.2试验方法
采用三点弯曲方法，试验测定棉秆在发生破坏时的最大载荷，试验方法参考《GB/T1936.1—2009木材抗弯曲强度试验方法》;拉伸试验参考《GB/T1938—2009木材顺纹抗拉强度试验方法》;棉秆相对含水量的测定方法参考《GB/T1931—2009木材含水量测定方法》。棉秆起拔力测定的具体方法为:用尼龙绳一端拴在棉秆的根部，另一端连接到推拉力计的挂钩上，并竖直向上缓慢提拔，根部脱离土壤后，读取最大数据[23-27]，如图1所示。
1.3处理方法
利用统计分析软件SAS9.3进行统计分析，通过典型相关性分析棉秆的力学特性和物理性质的关系，并采用多元回归分析棉秆起拔力与棉秆物理性质的关系[27-31]。
2结果与分析
2.1棉秸秆物理特性以及起拔力的描述统计
2.1.1棉秸秆物理特性统计描述
分别对不同批次棉秆的含水率、直径、弯曲破坏载荷、抗拉强度、拉伸破坏载荷和抗拉强度进行试验测试，统计如表1所示。由表1可以看出:随着采样时间的增长，棉秆的含水率逐渐降低，从第1批次到第3批次时棉秆含水率下降较为缓慢，在第3批以后棉秆的含水率下降较快，以每个月超过10%的幅度下降;棉秆的直径在一个稳定的水平，并没有随着采样时间的改变发生较大变化;棉秆的平均抗拉强度随着采样时间的增长逐渐下降，且下降的幅度逐渐变小;棉秆的抗弯强度随着采样时间的增长，总体呈增长趋势。
2.1.2棉秆起拔力统计描述
对棉秆起拔力及主要影响因素棉秆平均直径、土壤硬度和棉秆含水率进行试验测试，如表2所示。由表2可以看出:棉秆的平均拉拔阻力最大达到670.82N，最小为340.7N。由于在1月份以后土壤已经逐渐发生冰冻，随着气温的下降冻土深度增加，棉秆拉拔阻力急剧增大且寒冬不适合田间作业，棉秆起拔力的收集失去其意义，故未收集相关数据。平均土壤硬度随着时间推移最大达到9.4kg/m2，最小为3.3kg/m2
2.2典型相关性分析
2.2.1棉秆的弯曲力特性与含水率及直径的典型相关分析
对棉秆的抗弯强度、弯曲力、直径和含水率进行典型相关性分析，共得到两组典型变量。典型关联分析如表3所示，相关系数检验如表4所示。
由表3、表4可以看出:两组典型变量都极为显著。因此，选择两组典型变量进行分析，得出棉秆的弯曲力特性与影响因素的典型相关模型，如表5所示。
从建立的典型相关模型可以看出，典型变量的重要程度及系数大小和两个自变量代表的影响组对棉秆的弯曲特性可以用1对典型相关变量予以综合描述。具体体现在如下方面:
1)棉秆直径对棉秆的弯曲破坏载荷起着很大影响。棉秆直径与棉秆的弯曲特性反应在典型相关模型中，v1是棉秆弯曲力与棉秆弯曲强度的线性组合，弯曲破坏载荷的载荷为1.0743，是弯曲性能中最大的。w1是影响因素指标的线性组合，棉秆直径的载荷为0.9791，远远超过w1内其他指标的数值。考虑到第1对典型相关变量的相关系数几乎接近于1，可以认为棉秆的直径与棉秆的弯曲破坏载荷有着极大的相关性。通过观察表2可知棉秆直径越大则其弯曲破坏载荷越大，且直径对弯曲破坏载荷的影响远大于含水率对弯曲破坏载荷的影响。
2)棉秆含水率是决定棉秆抗弯强度的关键因素。在第2对典型变量中，秸秆抗弯强度在典型变量v2中的载荷为-0.8031，是秸秆弯曲性能指标中最大的;而棉秆的含水率在典型变量w2中载荷最大，为-1.0272。这一对典型相关变量的相关系数非常之高，表明含水率对棉秆的抗弯强度相关性很大，含水率越高，抗弯强度越低。
2.2.2棉秆的拉伸力特性与含水率及直径的典型相关分析.
对棉秆的抗拉强度，最大拉伸力、直径及含水率进行典型相关性分析，可以得到两组典型变量他们的典型关联分析如表6所示，相关系数检验如表7所示。
由表6、表7可以看出:两组典型变量极为显著，对两组典型变量进行分析，得到拉伸特性与影响因素的典型相关模型如表8所示。
棉秆含水率决定棉秆抗拉强度及棉秆的拉伸破坏载荷。在第2对典型变量中，棉秆抗拉强度在典型变量m2中的载荷为0.5596;棉秆的最大拉伸力在典型变量中m2的载荷是0.5794。棉秆的最大拉伸力与棉秆抗拉强度的载荷相近，此处认为棉秆的含水率对抗拉强度及最大拉伸力都有相关性。对比表1可知，都为正相关，即含水率越大，棉秆的抗拉强度越大，棉秆的拉伸破坏载荷越大。
棉秆的直径决定棉秆的拉伸破坏载荷。在第1对典型变量中，棉秆抗拉强度在典型变量m1中的载荷为-1.0498;棉秆的拉伸破坏载荷在典型变量m1中的载荷是1.0390。棉秆的拉伸破坏载荷与棉秆的抗拉强度相近，此处认为棉秆的直径对最大拉伸力具有显著相关性，对比表1知棉秆的直径与拉伸破坏载荷呈正相关，即棉秆的直径越大，最大拉伸力越大，且直径对拉伸破坏载荷的影响远大于含水率对拉伸破坏载荷的影响。
3结论
1)抗拉强度在含水率最高为61%时达到最大值37.65MPa，当含水率在在15%～50%之间，棉秆的抗拉强度变化不大，平均抗拉强度集中在21.5～25.8MPa之间;对于抗弯强度，在含水率为15%时达到最高值33MPa，当含水率在25%～55%之间时棉秆的抗弯强度变化不大，平均抗弯强度集中在23.5～27MPa之间。
2)对于棉秆起拔力，在土壤紧实度为最低的3.3kg/cm2时达到最小值340.7N，棉秆的起拔力随着土壤紧实度的降低而降低。
3)棉秆的弯曲破坏载荷及拉伸破坏载荷与棉秆的直径和棉秆的含水率都有着显著的相关性，且棉秆直径对弯曲和拉伸破坏载荷的影响远大于含水率对棉秆拉伸和弯曲破坏载荷的影响。
4)棉秆的抗弯强度随着棉秆的含水率增大而减小，棉秆的抗拉强度随着含水率的增大而增大。
5)对棉秆的起拔力与棉秆含水率、棉秆直径及土壤紧实度进行回归分析，发现棉秆的起拔力与棉秆的含水率相关性不显著，棉秆的起拔力与土壤紧实度及棉秆的直径都呈正相关。
6)对棉秆的回归分析进行分析诊断，对棉秆起拔力的多元分析模型进行优化得到棉秆起拔力与棉秆直径及土壤紧实度的模型y=-111.73707+45.39254x1+23.89125x2。其拟合优度为0.81，可以用于对棉秆起拔力的预测及拔棉秆机的设计研究。
