固體秸稈腐熟劑及混合物物理性能測定分析

湖北工業大學農機院 黃世明

固體秸稈腐熟劑及混合物物理性能測定分析

湖北工業大學農機院 黃世明

固體秸稈腐熟劑為一種新的農業生產資料，目前正大量地運用在農業生產中。通過對固體秸稈腐熟劑、尿素顆粒及混合物諸如容重、休止角、滑動摩擦角、外滑動摩擦系數的試驗測定，為腐熟劑的機械施用裝配設計提供可靠的理論依據。

腐熟劑；物理特性；測定

1 研究背景、意義及目的

秸稈還田技術是在我國廣泛推廣應用的保護性耕作技術之一。秸稈粉碎腐熟還田可以增加土壤有機質，從而改變施肥結構，減少化肥施用量，是農業節本增效、增產增收的有效途徑[1]。秸稈自然腐熟時間長，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，秸稈腐熟時間可縮短10～15 d，對節約農時，滿足作物生長周期十分重要。

秸稈腐熟劑是由能夠強烈分解纖維素、半纖維素、木質素的嗜熱耐熱細菌、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，形成簡單有機物，從而進一步分解為作物可吸收的營養成分[2-4]。

微生物在分解秸稈時需要消耗氮素，會出現與作物爭氮的現象[5]。因此適量的腐熟劑（粉末狀）與秸稈營養物尿素（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業生產資料，目前采用的是人工拋撒施加方式，隨著秸稈還田技術的大力推廣,機械化作業的需求越來越迫切。施撒裝配與秸稈還田機、聯合收獲機配套使用，既節約了勞動用工量，又能做到施量精準。

測定、分析作業對象的物理特征是機構設計的基礎條件，通過對秸稈腐熟劑、尿素及混合物物理性能的測定和分析，為秸稈腐熟劑施加機具設計提供可靠的依據。

2 腐熟劑、尿素顆粒機械物理特性測定分析

2.1 腐熟劑、尿素顆粒及混合物物理特性參數確定

混合物顆粒的物理機械特性直接決定了出料過程中物料的運動狀態。因此，研究腐熟劑與尿素顆粒的物理機械特性是施用機械設計與研究的一個重要前提條件。

本文用于測試及實驗的腐熟劑從湖北省農科院購入，尿素顆粒從市場中購入。腐熟劑品種有：綠狀元(武漢)有機物料腐熟劑，科諾科微康（武漢）有機物料腐熟劑，家農（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。測試地點：湖北工業大學農機工程研究設計院實驗室。

圖2.1 多種腐熟劑

圖2.2 三寧尿素

測試內容：分別測試腐熟劑與尿素顆粒的容重、休止角、滑動摩擦角、外滑動摩擦系數，以及它們按質量比2:5比例混合后的容重、休止角、滑動摩擦角、外滑動摩擦系數。

2.2 試驗儀器與設備

試驗所用的儀器以及設備如表2.1所示。

表2.1 試驗儀器與設備

2.3 試驗方法與分析

下面將簡要地解釋散粒物料機械物理特性以及其測試步驟與方法。

2.3.1 散粒物料容重的測定

物料的容重是指單位體積內所具有的重量，單位為“N/ L”[27-28]。將物料試樣分3層裝入量杯內，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。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，最后取其平均值。

容重按式（2-1）計算：

式中：—容重，N/L;

m1—量杯和物料試樣的質量和，g；

m0—量杯經測定的質量，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料堆的坡度。堆積角的測量有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，當粉體堆積到圓板的邊緣時，粉體開始從邊緣排出，此時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，堆積角會有明顯變化，但底層直徑也不能太小，太小了注入角會增大，一般10 cm為好[29-30]。我們這里使用第一種方法。

調節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定儀的料筒內，裝入時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。用角度尺測定料堆的自然堆積角，或用高度游標卡尺和游標卡尺測量料堆上自然堆積角的各計算參數（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，最后取其平均值。

圖2.3 堆積角測試儀

靜態堆積角按式（2-2）計算：

式中：—物料的堆積角，（°）；

h—料堆的測量高度，mm；

d2—料堆的測量底徑，mm；

d1—料堆的測量上底徑，mm。

2.3.3 散粒物料滑動摩擦角的測定

散粒物料滑動摩擦角是指散粒物料與表面接觸，物料處于臨界滑動時接觸面與底面的夾角。滑動摩擦角測試儀如圖2.4所示，主要有支撐底座、接觸斜面、轉軸、拉繩等組成。測量時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（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生摩擦。轉動轉軸帶動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生相對滑移[31]。測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，最后取其最大值。

圖2.4 滑動摩擦角測試儀

滑動摩擦角按式（2-3）計算：

式中：—物料的滑動摩擦角，（°）；

h1—接觸斜面被提升高度，mm；

L—接觸斜面長度，mm。

2.3.4 散粒物料外滑動摩擦系數

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

圖2.5 外滑動摩擦系數測定裝置

外滑動摩擦系數按式（2-4）計算：

式中：—外滑動摩擦系數；

F—彈簧測力計讀數，N；

m2—集料盒與物料的質量和，g；

m3—壓塊重物的質量，g；

g—重力加速度，取9.81m/s2。

2.4 結果與分析

研究腐熟劑及尿素顆粒的機械物理特性是后續研究物料運動規律的重要前提準備，為固體腐熟劑噴施機械的設計提供了重要依據，保證最終機器能達到設計要求。表2.2、表2.3是腐熟劑與尿素顆粒的測試結果。

從表2.2中可以直觀的看出3種腐熟劑的容重相差不大，反映散粒物料流動特性的堆積角、滑動摩擦角以及外滑動摩擦系數同樣相差無幾，故為節省勞動力后面可以將一種腐熟劑的物理特性統一作為代表性的計算參數。而尿素顆粒的容重大于腐熟劑，其堆積角、滑動摩擦角以及外滑動摩擦系數均明顯小于腐熟劑的數值，說明尿素顆粒的流動性好于腐熟劑的流動性。

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。混合后物料的流動性要優于純腐熟劑，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，混合物料的流動性會越來越好。通常腐熟劑在使用時配比尿素為：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，且流動性也是隨尿素比例的增高越來越好。由于尿素顆粒的流動性明顯優于腐熟劑，在固體腐熟劑噴施機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算時的參數能滿足最終腐熟劑的施用要求。

表2.2 物料機械物理特性參數（1）

表2.3 物料機械物理特性參數（2）

3 小結

對3種腐熟劑、尿素顆粒機械物理特性進行了研究與分析。測試得到腐熟劑與尿素顆粒單獨以及按一定比例混合后的容重、休止角、滑動摩擦角、外滑動摩擦系數等重要參數，為固體腐熟劑噴施機械主要參數的設計與研究提供必要的前提條件和重要的理論依據。

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