湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)院 黃世明

固體秸稈腐熟劑及混合物物理性能測(cè)定分析

湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)院 黃世明

固體秸稈腐熟劑為一種新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，目前正大量地運(yùn)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。通過對(duì)固體秸稈腐熟劑、尿素顆粒及混合物諸如容重、休止角、滑動(dòng)摩擦角、外滑動(dòng)摩擦系數(shù)的試驗(yàn)測(cè)定，為腐熟劑的機(jī)械施用裝配設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

腐熟劑；物理特性；測(cè)定

1 研究背景、意義及目的

秸稈還田技術(shù)是在我國廣泛推廣應(yīng)用的保護(hù)性耕作技術(shù)之一。秸稈粉碎腐熟還田可以增加土壤有機(jī)質(zhì)，從而改變施肥結(jié)構(gòu)，減少化肥施用量，是農(nóng)業(yè)節(jié)本增效、增產(chǎn)增收的有效途徑[1]。秸稈自然腐熟時(shí)間長，沒有腐爛的秸稈不利于作物的種植、生長。在施加腐熟劑的情況下，秸稈腐熟時(shí)間可縮短10～15 d，對(duì)節(jié)約農(nóng)時(shí)，滿足作物生長周期十分重要。

秸稈腐熟劑是由能夠強(qiáng)烈分解纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的嗜熱耐熱細(xì)菌、真菌、放射菌和生物酶組成，在適宜溫度下，能迅速將秸稈中的碳、氮、磷、鉀、硫等分解礦化，形成簡(jiǎn)單有機(jī)物，從而進(jìn)一步分解為作物可吸收的營養(yǎng)成分[2-4]。

微生物在分解秸稈時(shí)需要消耗氮素，會(huì)出現(xiàn)與作物爭(zhēng)氮的現(xiàn)象[5]。因此適量的腐熟劑（粉末狀）與秸稈營養(yǎng)物尿素（顆粒狀）混合物均勻的施加在秸稈上，可加快秸稈腐爛。

秸稈腐熟劑為一種新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，目前采用的是人工拋撒施加方式，隨著秸稈還田技術(shù)的大力推廣,機(jī)械化作業(yè)的需求越來越迫切。施撒裝配與秸稈還田機(jī)、聯(lián)合收獲機(jī)配套使用，既節(jié)約了勞動(dòng)用工量，又能做到施量精準(zhǔn)。

測(cè)定、分析作業(yè)對(duì)象的物理特征是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件，通過對(duì)秸稈腐熟劑、尿素及混合物物理性能的測(cè)定和分析，為秸稈腐熟劑施加機(jī)具設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

2 腐熟劑、尿素顆粒機(jī)械物理特性測(cè)定分析

2.1 腐熟劑、尿素顆粒及混合物物理特性參數(shù)確定

混合物顆粒的物理機(jī)械特性直接決定了出料過程中物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此，研究腐熟劑與尿素顆粒的物理機(jī)械特性是施用機(jī)械設(shè)計(jì)與研究的一個(gè)重要前提條件。

本文用于測(cè)試及實(shí)驗(yàn)的腐熟劑從湖北省農(nóng)科院購入，尿素顆粒從市場(chǎng)中購入。腐熟劑品種有：綠狀元(武漢)有機(jī)物料腐熟劑，科諾科微康（武漢）有機(jī)物料腐熟劑，家農(nóng)（武漢）微生物腐熟劑；尿素：三寧尿素（粒度1.18～3.35 mm），如圖2.1及2.2所示。測(cè)試地點(diǎn)：湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)工程研究設(shè)計(jì)院實(shí)驗(yàn)室。

圖2.1 多種腐熟劑

圖2.2 三寧尿素

測(cè)試內(nèi)容：分別測(cè)試腐熟劑與尿素顆粒的容重、休止角、滑動(dòng)摩擦角、外滑動(dòng)摩擦系數(shù)，以及它們按質(zhì)量比2:5比例混合后的容重、休止角、滑動(dòng)摩擦角、外滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

2.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

試驗(yàn)所用的儀器以及設(shè)備如表2.1所示。

表2.1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

2.3 試驗(yàn)方法與分析

下面將簡(jiǎn)要地解釋散粒物料機(jī)械物理特性以及其測(cè)試步驟與方法。

2.3.1 散粒物料容重的測(cè)定

物料的容重是指單位體積內(nèi)所具有的重量，單位為“N/ L”[27-28]。將物料試樣分3層裝入量杯內(nèi)，每裝一層，在量杯底墊直徑為25 mm的圓棒，把杯按住，左右各搖震25次，然后用略小于量杯口直徑的重鐵壓實(shí)。依次按此方法裝入第二層、第三層。裝到特定高度后，將凹陷處填平，然后稱量量杯和物料的質(zhì)量和[33]。3種腐熟劑、尿素顆粒、按定比混合物各做5次平行試驗(yàn)，最后取其平均值。

容重按式（2-1）計(jì)算：

式中：—容重，N/L;

m1—量杯和物料試樣的質(zhì)量和，g；

m0—量杯經(jīng)測(cè)定的質(zhì)量，g；

V—量杯中物料試樣的體積，L；

g—重力加速度，取9.81m/s2。

2.3.2 散粒物料堆積角的測(cè)定

散粒物料的堆積角又稱休止角和安息角，是指物料自然堆積時(shí)料堆的坡度。堆積角的測(cè)量有2種方法，一種是注入角，指從某一高度粉體注入到一無限大的平板上形成的堆積角;另一種是排出角，指將粉體注入到某一有限直徑的圓板上，當(dāng)粉體堆積到圓板的邊緣時(shí)，粉體開始從邊緣排出，此時(shí)圓板上粉體形成的堆積角為排出角。粉體堆積底層的直徑不能太大，太大了下方堆積面將受自重的影響而壓縮，堆積角會(huì)有明顯變化，但底層直徑也不能太小，太小了注入角會(huì)增大，一般10 cm為好[29-30]。我們這里使用第一種方法。

調(diào)節(jié)儀器下料孔口距堆積平板高度為250 mm；將備好的物料試樣分成2份，任取一份裝入堆積角測(cè)定儀的料筒內(nèi)，裝入時(shí)使物料高出筒口成錐體，刮平。將堆積平板清刷干凈后，打開集料筒下料口，讓物料自由下落在堆積平板上成錐形料堆。用角度尺測(cè)定料堆的自然堆積角，或用高度游標(biāo)卡尺和游標(biāo)卡尺測(cè)量料堆上自然堆積角的各計(jì)算參數(shù)（圖2.3），并記錄。3種腐熟劑、尿素顆粒、按定比混合物各做10次平行試驗(yàn)，最后取其平均值。

圖2.3 堆積角測(cè)試儀

靜態(tài)堆積角按式（2-2）計(jì)算：

式中：—物料的堆積角，（°）；

h—料堆的測(cè)量高度，mm；

d2—料堆的測(cè)量底徑，mm；

d1—料堆的測(cè)量上底徑，mm。

2.3.3 散粒物料滑動(dòng)摩擦角的測(cè)定

散粒物料滑動(dòng)摩擦角是指散粒物料與表面接觸，物料處于臨界滑動(dòng)時(shí)接觸面與底面的夾角?；瑒?dòng)摩擦角測(cè)試儀如圖2.4所示，主要有支撐底座、接觸斜面、轉(zhuǎn)軸、拉繩等組成。測(cè)量時(shí)將儀器平放在水平面上，接觸斜面平放入支撐底座。將物料裝入集料盒內(nèi)（一端開口），裝滿集料盒并將盒口物料刮平使之與接觸斜面充分接觸。將集料盒稍稍提起，使集料盒與接觸斜面稍有間隙，避免集料盒外壁與接觸斜面發(fā)生摩擦。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)拉繩將接觸斜面一遍緩緩提起，直到物料表面與接觸斜面發(fā)生相對(duì)滑移[31]。測(cè)量并記錄接觸斜面被提起高度。3種腐熟劑、尿素顆粒、按定比混合物各做5次平行試驗(yàn)，最后取其最大值。

圖2.4 滑動(dòng)摩擦角測(cè)試儀

滑動(dòng)摩擦角按式（2-3）計(jì)算：

式中：—物料的滑動(dòng)摩擦角，（°）；

h1—接觸斜面被提升高度，mm；

L—接觸斜面長度，mm。

2.3.4 散粒物料外滑動(dòng)摩擦系數(shù)

散粒物料外滑動(dòng)摩擦系數(shù)簡(jiǎn)易測(cè)量方法如圖2.5所示，裝置由滑動(dòng)平面、集料盒、壓塊重物、彈簧測(cè)力計(jì)等組成。將物料裝入集料盒內(nèi)，裝滿集料盒并將盒口物料刮平使之與滑動(dòng)平面充分接觸。將壓塊重物置于集料盒頂部，用彈簧測(cè)力計(jì)牽引集料盒緩緩滑動(dòng)，待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄下讀數(shù)[30]。3種腐熟劑、尿素顆粒、按定比混合物各做10次平行試驗(yàn)，最后取其平均值。

圖2.5 外滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定裝置

外滑動(dòng)摩擦系數(shù)按式（2-4）計(jì)算：

式中：—外滑動(dòng)摩擦系數(shù)；

F—彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)，N；

m2—集料盒與物料的質(zhì)量和，g；

m3—壓塊重物的質(zhì)量，g；

g—重力加速度，取9.81m/s2。

2.4 結(jié)果與分析

研究腐熟劑及尿素顆粒的機(jī)械物理特性是后續(xù)研究物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要前提準(zhǔn)備，為固體腐熟劑噴施機(jī)械的設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，保證最終機(jī)器能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。表2.2、表2.3是腐熟劑與尿素顆粒的測(cè)試結(jié)果。

從表2.2中可以直觀的看出3種腐熟劑的容重相差不大，反映散粒物料流動(dòng)特性的堆積角、滑動(dòng)摩擦角以及外滑動(dòng)摩擦系數(shù)同樣相差無幾，故為節(jié)省勞動(dòng)力后面可以將一種腐熟劑的物理特性統(tǒng)一作為代表性的計(jì)算參數(shù)。而尿素顆粒的容重大于腐熟劑，其堆積角、滑動(dòng)摩擦角以及外滑動(dòng)摩擦系數(shù)均明顯小于腐熟劑的數(shù)值，說明尿素顆粒的流動(dòng)性好于腐熟劑的流動(dòng)性。

表2.3反映的是不同的3種腐熟劑與尿素顆粒以2:5比例充分混合后的機(jī)械物理特性。同樣由于3種腐蝕劑的物理特性差別不大，混合后物料的物理特性也是非常接近?；旌虾笪锪系牧鲃?dòng)性要優(yōu)于純腐熟劑，又劣于純的尿素顆粒。由此我們不難得出：腐熟劑與尿素混合后，隨著尿素顆粒量的增多，混合物料的流動(dòng)性會(huì)越來越好。通常腐熟劑在使用時(shí)配比尿素為：每2 kg腐熟劑，配比5～10 kg尿素顆粒。也就是說腐熟劑與尿素的配比在2:5～2:10之間都能滿足使用要求，且流動(dòng)性也是隨尿素比例的增高越來越好。由于尿素顆粒的流動(dòng)性明顯優(yōu)于腐熟劑，在固體腐熟劑噴施機(jī)械工作期間必然是尿素顆粒出料要更加容易，最終噴施入田間的腐熟劑在混合物料中的比例要小于原始比例，所以將物料2:5混合比例的物料定為計(jì)算時(shí)的參數(shù)能滿足最終腐熟劑的施用要求。

表2.2 物料機(jī)械物理特性參數(shù)（1）

表2.3 物料機(jī)械物理特性參數(shù)（2）

3 小結(jié)

對(duì)3種腐熟劑、尿素顆粒機(jī)械物理特性進(jìn)行了研究與分析。測(cè)試得到腐熟劑與尿素顆粒單獨(dú)以及按一定比例混合后的容重、休止角、滑動(dòng)摩擦角、外滑動(dòng)摩擦系數(shù)等重要參數(shù)，為固體腐熟劑噴施機(jī)械主要參數(shù)的設(shè)計(jì)與研究提供必要的前提條件和重要的理論依據(jù)。

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