王金峰 鞠金艷 尹大慶

摘要 為研究尿素與機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的相互作用，必須研究尿素的物理特性，因此采用靜態(tài)測(cè)量法，應(yīng)用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)尿素的彈性模量進(jìn)行測(cè)試。通過分析測(cè)試曲線，得出壓力與時(shí)間關(guān)系曲線具有典型初始加載彎曲段、線彈性段、彎曲上升段，峰值點(diǎn)和下降段。在試驗(yàn)溫度22 ℃、環(huán)境濕度45%、尿素顆粒密度1.33×103 kg/m3的條件下，尿素顆粒的彈性模量的數(shù)值范圍為8.2×107～8.9×107 Pa。

關(guān)鍵詞 尿素;彈性模量;試驗(yàn)

中圖分類號(hào) S143.1+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）33-11626-03

Test and Analysis of Elastic Modulus of Urea Particle

WANG Jin-feng1，2， JU Jin-yan3， YIN Da-qing1

（1.College of Engineering， Northeast agricultural University， Harbin， Heilongjiang 150030; 2. Heilongjiang Province Collaborative Innovation Center of Grain Production Capacity Promotion， Harbin， Heilongjiang 150030; 3. College of Mechanical Engineering， Heilongjiang University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang 150022）

Abstract In order to research the interaction between urea particle and mechanical structure， the physical properties of urea particle must be researched. Therefore， using static measurement method， the elastic modulus of urea particle was tested by texture analyzer. Through analyzing the test curve， the results are obtained： the relation curve of pressure and time has typical initial load bending section， linear elasticity section， bend rising section， peak point and the declining section. Under the condition of the test temperature 22 ℃， environment humidity 45%， the density of urea particles 1.33 ×103 kg/m3， the numerical range of the elastic modulus of urea granules 8.2×107-8.9×107 Pa was measured.

Key words Urea; Elastic modulus; Test

基金項(xiàng)目 黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12531025）。

作者簡介 王金峰（1981- ），男，黑龍江同江人，副教授，博士，從事田間作業(yè)機(jī)械方面的研究。

收稿日期 2014-10-15

中國是世界上人口最多的國家，也是肥料生產(chǎn)和消費(fèi)大國。雖然已出現(xiàn)可生產(chǎn)無公害、無污染綠色食品的活性有機(jī)肥料，但化肥在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中仍占重要地位。在今后相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，施用化肥仍是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展必不可少的手段之一[1]。

水稻是中國主要的糧食作物之一，在種植過程中廣泛施用尿素。對(duì)于尿素的研究，主要集中在尿素在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用、尿素與其他肥料的施肥比例、尿素的肥效利用率、尿素的合成、尿素的化學(xué)成分等，而對(duì)于尿素物理特性的研究很少。由于尿素在水稻種植過程中起重要作用，傳統(tǒng)的水田化肥施播均是采用人力手工漫撒或旋轉(zhuǎn)盤離心漫撒的作業(yè)方式，存在化肥與土壤混合度差、化肥損失大、利用率低、污染環(huán)境等諸多問題。當(dāng)采用水田施肥機(jī)械進(jìn)行施肥作業(yè)時(shí)，由于化肥極易吸潮，吸潮后肥料流動(dòng)性變差，黏附性增大，潮解的化肥經(jīng)常黏附在肥箱壁面和輸肥管道壁面上，造成施肥量減少、施肥質(zhì)量下降的技術(shù)問題，甚至出現(xiàn)輸肥管路堵塞、不能繼續(xù)作業(yè)的故障，降低機(jī)具的作業(yè)效率。因此，在研究尿素與機(jī)械結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，必須研究尿素的物理特性，如密度、彈性模量、剪切模量和泊松比等[2-3]。筆者采用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)尿素的彈性模量進(jìn)行測(cè)試，獲得尿素的彈性模量，為尿素物理特性的研究提供相關(guān)的研究方法和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 質(zhì)構(gòu)儀結(jié)構(gòu)及工作原理

質(zhì)構(gòu)儀可以準(zhǔn)確地檢測(cè)樣品隨時(shí)間變化的位置和質(zhì)量，從而獲得樣品的物性特征。測(cè)試數(shù)據(jù)能夠保存在表格，并且用曲線顯示。質(zhì)構(gòu)儀結(jié)構(gòu)包括儀器主體、測(cè)量探頭、數(shù)據(jù)線和測(cè)控程序（圖1）。

圖1 質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量彈性模量

選擇用于測(cè)試尿素的測(cè)量探頭，并且安裝在質(zhì)構(gòu)儀上。質(zhì)構(gòu)儀采用專用數(shù)據(jù)線插入電腦的USB端口，另一端連接質(zhì)構(gòu)儀數(shù)據(jù)通訊接口。打開質(zhì)構(gòu)儀的電源開關(guān)，在電腦上啟動(dòng)TexturePro Lite測(cè)控程序，軟件會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)聯(lián)機(jī)畫面。

試驗(yàn)時(shí)，在電腦的測(cè)控程序中輸入測(cè)控參數(shù)，將被測(cè)尿素顆粒固定在載物臺(tái)上，在電腦的測(cè)控程序中點(diǎn)擊“運(yùn)行”鍵，儀器開始?jí)嚎s尿素顆粒，當(dāng)尿素顆粒被壓碎，試驗(yàn)結(jié)束。電腦的測(cè)控程序能夠記錄壓力和時(shí)間的數(shù)據(jù)，并且顯示曲線。

1.2 試驗(yàn)裝置

質(zhì)構(gòu)儀結(jié)構(gòu)包括儀器主體、測(cè)量探頭、數(shù)據(jù)線和TexturePro Lite測(cè)控程序。

1.2.1 質(zhì)構(gòu)儀。

彈性模量的測(cè)量采用英國SMS公司生產(chǎn)型號(hào)TA.XT plus質(zhì)構(gòu)儀，適用電源范圍85～264 V，功率47～63 Hz，選擇探頭P/50。

1.2.2 測(cè)控程序。

測(cè)控程序設(shè)置了質(zhì)構(gòu)儀的工作控制、參數(shù)設(shè)定、試驗(yàn)曲線顯示和試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理等多種功能。試驗(yàn)曲線顯示窗口顯示的曲線為時(shí)間—壓力曲線，測(cè)控程序輸入的測(cè)試參數(shù)：測(cè)試模型為壓縮模型，測(cè)試前速度為1.0 mm/s，測(cè)試速度為 5.0 mm/s，測(cè)試后速度為10.00 mm/s，目標(biāo)模型應(yīng)變?yōu)?0%。記錄的數(shù)據(jù)以Excel文件格式存儲(chǔ)到電腦中。

1.3 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為尿素顆粒。選擇尿素化肥結(jié)構(gòu)尺寸較大的尿素顆粒，用銼和沙紙將尿素化肥磨成圓柱體作為試驗(yàn)的試樣。試驗(yàn)溫度為22 ℃，環(huán)境濕度為45%，尿素顆粒密度為1.33×103 kg/m3。

1.4 試驗(yàn)方法

尿素彈性模量的測(cè)試方法采用靜態(tài)測(cè)量法，應(yīng)用質(zhì)構(gòu)儀獲得壓力與時(shí)間的變化曲線，在時(shí)間—壓力曲線上找出線彈性變形處的直線段，根據(jù)式（1）得出彈性模量（E）。

E=σε=ΔF/Av·Δt/h=hvA·ΔFΔt=khvA（1）

式中，E為尿素顆粒在線彈性變形時(shí)壓力增量，N;

A為圓柱形尿素顆粒橫截面的面積，mm2;

Δt為尿素顆粒在線彈性變形時(shí)時(shí)間的增量，s;

v為質(zhì)構(gòu)儀在壓縮過程的移動(dòng)速度，mm/s;

v·Δt為尿素顆粒在線彈性變形時(shí)位移增量，mm;

h為圓柱形尿素顆粒試樣的高度，mm;

k為尿素顆粒在線彈性變形時(shí)壓力增量與時(shí)間增量的比值，即時(shí)間—壓力曲線上線彈性變形處的斜率。

2 結(jié)果與分析

選擇14組不同高度和橫截面積的尿素顆粒進(jìn)行彈性試驗(yàn)，測(cè)出尿素顆粒的彈性模量。尿素顆粒測(cè)試試樣數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 尿素顆粒測(cè)試試樣數(shù)據(jù)表

由于篇幅有限，僅在文中列出表1中編號(hào)為1的尿素顆粒彈性模量測(cè)試過程，即選擇高度為3.48 mm、橫截面積為11.335 mm2的尿素顆粒進(jìn)行彈性試驗(yàn)，應(yīng)用測(cè)控程序得出試驗(yàn)曲線。

由圖2可知，壓力與時(shí)間關(guān)系曲線具有典型初始加載彎曲段、線彈性段、彎曲上升段、峰值點(diǎn)和下降段。當(dāng)質(zhì)構(gòu)儀的探頭壓縮尿素顆粒時(shí)，應(yīng)力與尿素顆粒的應(yīng)變呈正比，應(yīng)力去除，變形消失，即尿素顆粒處于彈性變形階段。應(yīng)用靜態(tài)測(cè)量法測(cè)量尿素顆粒的彈性模量，應(yīng)在線彈性變形階段進(jìn)行測(cè)量。圖中AB段為線彈性段，在線彈性段內(nèi)尿素顆粒服從胡克定律，即變形與受力呈正比，應(yīng)力與應(yīng)變的比例常數(shù)就是尿素顆粒的彈性模量。由于質(zhì)構(gòu)儀輸出曲線為壓力與時(shí)間的變化曲線，因此記錄的數(shù)據(jù)也是壓力與時(shí)間的數(shù)據(jù)。在Excel記錄的數(shù)據(jù)中，0～0.2 s內(nèi)共有80組壓力數(shù)值。從0到A的測(cè)試點(diǎn)不能選為直線段，因?yàn)橐话銉x器在10%的量程內(nèi)存在誤差或尿素顆粒試件制作不夠標(biāo)準(zhǔn)。在線彈性AB段選取一段直線。由式（1）可知，該段直線的斜率可以反映出尿素顆粒的彈性模量[4-11]。

圖2 編號(hào)為1的尿素顆粒壓力與時(shí)間歷程

為了在線彈性AB段選取一段直線，在測(cè)控程序得出高度為3.48 mm、橫截面積為11.335 mm2尿素顆粒的5組測(cè)試結(jié)果中尋找到壓力呈現(xiàn)線性變化規(guī)律的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。應(yīng)用Design-Expert6.0.1軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

以壓力為性能指標(biāo)，以測(cè)試時(shí)間為因子，選取線彈性段0.05～0.06 s壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得壓力時(shí)間的函數(shù)關(guān)系式。

在時(shí)間為0.050、0.052、0.055、0.058、0.060 s時(shí)，壓力分別為37.707 9、41.311 7、45.091 8、48.801 3、52.621 0 N。

應(yīng)用Design-Expert 6.0.1軟件擬合出高度為3.48 mm、橫截面積為11.335 mm2尿素顆粒測(cè)試時(shí)間對(duì)壓力影響的回歸方程曲線圖（圖3）。

圖3 尿素顆粒測(cè)試時(shí)間對(duì)壓力影響的回歸方程曲線

通過方差分析表明，模型在0.05水平顯著，時(shí)間（t）是有效的模型項(xiàng)。擬合的回歸方程為：

F=1 426.96t-33.38（2）

將式（2）中曲線的斜率1 426.96代入式（1），得出尿素顆粒E的數(shù)值為8.7×107 Pa。

將表1中的14組數(shù)據(jù)采用相同的測(cè)試方法進(jìn)行試驗(yàn)，獲得尿素顆粒E的數(shù)值范圍為8.2×107～8.9×107 Pa。

3 結(jié)論

（1）將測(cè)控程序得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用Design-Expert軟件擬合尿素顆粒處于彈性變形時(shí)的回歸方程，得出高度為3.48 mm、橫截面積為11.335 mm2尿素顆粒的彈性模量為8.7×107 Pa。

（2）在試驗(yàn)溫度22 ℃、環(huán)境濕度45%、尿素顆粒密度1.33×103 kg/m3的條件下，應(yīng)用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)得尿素顆粒E的數(shù)值范圍為8.2×107～8.9×107 Pa。

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