尿素顆粒彈性模量的測試與分析

王金峰 鞠金艷 尹大慶

摘要 為研究尿素與機械結構之間的相互作用，必須研究尿素的物理特性，因此采用靜態測量法，應用質構儀對尿素的彈性模量進行測試。通過分析測試曲線，得出壓力與時間關系曲線具有典型初始加載彎曲段、線彈性段、彎曲上升段，峰值點和下降段。在試驗溫度22 ℃、環境濕度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值范圍為8.2×107～8.9×107 Pa。

關鍵詞 尿素;彈性模量;試驗

中圖分類號 S143.1+4 文獻標識碼 A 文章編號 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

基金項目 黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12531025）。

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

收稿日期 2014-10-15

中國是世界上人口最多的國家，也是肥料生產和消費大國。雖然已出現可生產無公害、無污染綠色食品的活性有機肥料，但化肥在現代農業生產中仍占重要地位。在今后相當長的時期內，施用化肥仍是實現農業可持續發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。對于尿素的研究，主要集中在尿素在農業上的應用、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、尿素的化學成分等，而對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，傳統的水田化肥施播均是采用人力手工漫撒或旋轉盤離心漫撒的作業方式，存在化肥與土壤混合度差、化肥損失大、利用率低、污染環境等諸多問題。當采用水田施肥機械進行施肥作業時，由于化肥極易吸潮，吸潮后肥料流動性變差，黏附性增大，潮解的化肥經常黏附在肥箱壁面和輸肥管道壁面上，造成施肥量減少、施肥質量下降的技術問題，甚至出現輸肥管路堵塞、不能繼續作業的故障，降低機具的作業效率。因此，在研究尿素與機械結構相互作用時，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]。筆者采用質構儀對尿素的彈性模量進行測試，獲得尿素的彈性模量，為尿素物理特性的研究提供相關的研究方法和數據參考。

1 材料與方法

1.1 質構儀結構及工作原理

質構儀可以準確地檢測樣品隨時間變化的位置和質量，從而獲得樣品的物性特征。測試數據能夠保存在表格，并且用曲線顯示。質構儀結構包括儀器主體、測量探頭、數據線和測控程序（圖1）。

圖1 質構儀測量彈性模量

選擇用于測試尿素的測量探頭，并且安裝在質構儀上。質構儀采用專用數據線插入電腦的USB端口，另一端連接質構儀數據通訊接口。打開質構儀的電源開關，在電腦上啟動TexturePro Lite測控程序，軟件會自動出現聯機畫面。

試驗時，在電腦的測控程序中輸入測控參數，將被測尿素顆粒固定在載物臺上，在電腦的測控程序中點擊“運行”鍵，儀器開始壓縮尿素顆粒，當尿素顆粒被壓碎，試驗結束。電腦的測控程序能夠記錄壓力和時間的數據，并且顯示曲線。

1.2 試驗裝置

質構儀結構包括儀器主體、測量探頭、數據線和TexturePro Lite測控程序。

1.2.1 質構儀。

彈性模量的測量采用英國SMS公司生產型號TA.XT plus質構儀，適用電源范圍85～264 V，功率47～63 Hz，選擇探頭P/50。

1.2.2 測控程序。

測控程序設置了質構儀的工作控制、參數設定、試驗曲線顯示和試驗數據管理等多種功能。試驗曲線顯示窗口顯示的曲線為時間—壓力曲線，測控程序輸入的測試參數：測試模型為壓縮模型，測試前速度為1.0 mm/s，測試速度為 5.0 mm/s，測試后速度為10.00 mm/s，目標模型應變為10%。記錄的數據以Excel文件格式存儲到電腦中。

1.3 試驗材料

試驗材料為尿素顆粒。選擇尿素化肥結構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的試樣。試驗溫度為22 ℃，環境濕度為45%，尿素顆粒密度為1.33×103 kg/m3。

1.4 試驗方法

尿素彈性模量的測試方法采用靜態測量法，應用質構儀獲得壓力與時間的變化曲線，在時間—壓力曲線上找出線彈性變形處的直線段，根據式（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時間的增量，s;

v為質構儀在壓縮過程的移動速度，mm/s;

v·Δt為尿素顆粒在線彈性變形時位移增量，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壓力增量與時間增量的比值，即時間—壓力曲線上線彈性變形處的斜率。

2 結果與分析

選擇14組不同高度和橫截面積的尿素顆粒進行彈性試驗，測出尿素顆粒的彈性模量。尿素顆粒測試試樣數據如表1所示。

表1 尿素顆粒測試試樣數據表

由于篇幅有限，僅在文中列出表1中編號為1的尿素顆粒彈性模量測試過程，即選擇高度為3.48 mm、橫截面積為11.335 mm2的尿素顆粒進行彈性試驗，應用測控程序得出試驗曲線。

由圖2可知，壓力與時間關系曲線具有典型初始加載彎曲段、線彈性段、彎曲上升段、峰值點和下降段。當質構儀的探頭壓縮尿素顆粒時，應力與尿素顆粒的應變呈正比，應力去除，變形消失，即尿素顆粒處于彈性變形階段。應用靜態測量法測量尿素顆粒的彈性模量，應在線彈性變形階段進行測量。圖中AB段為線彈性段，在線彈性段內尿素顆粒服從胡克定律，即變形與受力呈正比，應力與應變的比例常數就是尿素顆粒的彈性模量。由于質構儀輸出曲線為壓力與時間的變化曲線，因此記錄的數據也是壓力與時間的數據。在Excel記錄的數據中，0～0.2 s內共有80組壓力數值。從0到A的測試點不能選為直線段，因為一般儀器在10%的量程內存在誤差或尿素顆粒試件制作不夠標準。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 編號為1的尿素顆粒壓力與時間歷程

為了在線彈性AB段選取一段直線，在測控程序得出高度為3.48 mm、橫截面積為11.335 mm2尿素顆粒的5組測試結果中尋找到壓力呈現線性變化規律的試驗數據。應用Design-Expert6.0.1軟件對試驗數據進行分析。

以壓力為性能指標，以測試時間為因子，選取線彈性段0.05～0.06 s壓力數據進行擬合，獲得壓力時間的函數關系式。

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

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

圖3 尿素顆粒測試時間對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，時間（t）是有效的模型項。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的數值為8.7×107 Pa。

將表1中的14組數據采用相同的測試方法進行試驗，獲得尿素顆粒E的數值范圍為8.2×107～8.9×107 Pa。

3 結論

（1）將測控程序得出的試驗數據應用Design-Expert軟件擬合尿素顆粒處于彈性變形時的回歸方程，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）在試驗溫度22 ℃、環境濕度45%、尿素顆粒密度1.33×103 kg/m3的條件下，應用質構儀測得尿素顆粒E的數值范圍為8.2×107～8.9×107 Pa。

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