固体秸秆腐熟剂及混合物物理性能测定分析

湖北工业大学农机院 黄世明

固体秸秆腐熟剂及混合物物理性能测定分析

湖北工业大学农机院 黄世明

固体秸秆腐熟剂为一种新的农业生产资料，目前正大量地运用在农业生产中。通过对固体秸秆腐熟剂、尿素颗粒及混合物诸如容重、休止角、滑动摩擦角、外滑动摩擦系数的试验测定，为腐熟剂的机械施用装配设计提供可靠的理论依据。

腐熟剂；物理特性；测定

1 研究背景、意义及目的

秸秆还田技术是在我国广泛推广应用的保护性耕作技术之一。秸秆粉碎腐熟还田可以增加土壤有机质，从而改变施肥结构，减少化肥施用量，是农业节本增效、增产增收的有效途径[1]。秸秆自然腐熟时间长，没有腐烂的秸秆不利于作物的种植、生长。在施加腐熟剂的情况下，秸秆腐熟时间可缩短10～15 d，对节约农时，满足作物生长周期十分重要。

秸秆腐熟剂是由能够强烈分解纤维素、半纤维素、木质素的嗜热耐热细菌、真菌、放射菌和生物酶组成，在适宜温度下，能迅速将秸秆中的碳、氮、磷、钾、硫等分解矿化，形成简单有机物，从而进一步分解为作物可吸收的营养成分[2-4]。

微生物在分解秸秆时需要消耗氮素，会出现与作物争氮的现象[5]。因此适量的腐熟剂（粉末状）与秸秆营养物尿素（颗粒状）混合物均匀的施加在秸秆上，可加快秸秆腐烂。

秸秆腐熟剂为一种新的农业生产资料，目前采用的是人工抛撒施加方式，随着秸秆还田技术的大力推广,机械化作业的需求越来越迫切。施撒装配与秸秆还田机、联合收获机配套使用，既节约了劳动用工量，又能做到施量精准。

测定、分析作业对象的物理特征是机构设计的基础条件，通过对秸秆腐熟剂、尿素及混合物物理性能的测定和分析，为秸秆腐熟剂施加机具设计提供可靠的依据。

2 腐熟剂、尿素颗粒机械物理特性测定分析

2.1 腐熟剂、尿素颗粒及混合物物理特性参数确定

混合物颗粒的物理机械特性直接决定了出料过程中物料的运动状态。因此，研究腐熟剂与尿素颗粒的物理机械特性是施用机械设计与研究的一个重要前提条件。

本文用于测试及实验的腐熟剂从湖北省农科院购入，尿素颗粒从市场中购入。腐熟剂品种有：绿状元(武汉)有机物料腐熟剂，科诺科微康（武汉）有机物料腐熟剂，家农（武汉）微生物腐熟剂；尿素：三宁尿素（粒度1.18～3.35 mm），如图2.1及2.2所示。测试地点：湖北工业大学农机工程研究设计院实验室。

图2.1 多种腐熟剂

图2.2 三宁尿素

测试内容：分别测试腐熟剂与尿素颗粒的容重、休止角、滑动摩擦角、外滑动摩擦系数，以及它们按质量比2:5比例混合后的容重、休止角、滑动摩擦角、外滑动摩擦系数。

2.2 试验仪器与设备

试验所用的仪器以及设备如表2.1所示。

表2.1 试验仪器与设备

2.3 试验方法与分析

下面将简要地解释散粒物料机械物理特性以及其测试步骤与方法。

2.3.1 散粒物料容重的测定

物料的容重是指单位体积内所具有的重量，单位为“N/ L”[27-28]。将物料试样分3层装入量杯内，每装一层，在量杯底垫直径为25 mm的圆棒，把杯按住，左右各摇震25次，然后用略小于量杯口直径的重铁压实。依次按此方法装入第二层、第三层。装到特定高度后，将凹陷处填平，然后称量量杯和物料的质量和[33]。3种腐熟剂、尿素颗粒、按定比混合物各做5次平行试验，最后取其平均值。

容重按式（2-1）计算：

式中：—容重，N/L;

m1—量杯和物料试样的质量和，g；

m0—量杯经测定的质量，g；

V—量杯中物料试样的体积，L；

g—重力加速度，取9.81m/s2。

2.3.2 散粒物料堆积角的测定

散粒物料的堆积角又称休止角和安息角，是指物料自然堆积时料堆的坡度。堆积角的测量有2种方法，一种是注入角，指从某一高度粉体注入到一无限大的平板上形成的堆积角;另一种是排出角，指将粉体注入到某一有限直径的圆板上，当粉体堆积到圆板的边缘时，粉体开始从边缘排出，此时圆板上粉体形成的堆积角为排出角。粉体堆积底层的直径不能太大，太大了下方堆积面将受自重的影响而压缩，堆积角会有明显变化，但底层直径也不能太小，太小了注入角会增大，一般10 cm为好[29-30]。我们这里使用第一种方法。

调节仪器下料孔口距堆积平板高度为250 mm；将备好的物料试样分成2份，任取一份装入堆积角测定仪的料筒内，装入时使物料高出筒口成锥体，刮平。将堆积平板清刷干净后，打开集料筒下料口，让物料自由下落在堆积平板上成锥形料堆。用角度尺测定料堆的自然堆积角，或用高度游标卡尺和游标卡尺测量料堆上自然堆积角的各计算参数（图2.3），并记录。3种腐熟剂、尿素颗粒、按定比混合物各做10次平行试验，最后取其平均值。

图2.3 堆积角测试仪

静态堆积角按式（2-2）计算：

式中：—物料的堆积角，（°）；

h—料堆的测量高度，mm；

d2—料堆的测量底径，mm；

d1—料堆的测量上底径，mm。

2.3.3 散粒物料滑动摩擦角的测定

散粒物料滑动摩擦角是指散粒物料与表面接触，物料处于临界滑动时接触面与底面的夹角。滑动摩擦角测试仪如图2.4所示，主要有支撑底座、接触斜面、转轴、拉绳等组成。测量时将仪器平放在水平面上，接触斜面平放入支撑底座。将物料装入集料盒内（一端开口），装满集料盒并将盒口物料刮平使之与接触斜面充分接触。将集料盒稍稍提起，使集料盒与接触斜面稍有间隙，避免集料盒外壁与接触斜面发生摩擦。转动转轴带动拉绳将接触斜面一遍缓缓提起，直到物料表面与接触斜面发生相对滑移[31]。测量并记录接触斜面被提起高度。3种腐熟剂、尿素颗粒、按定比混合物各做5次平行试验，最后取其最大值。

图2.4 滑动摩擦角测试仪

滑动摩擦角按式（2-3）计算：

式中：—物料的滑动摩擦角，（°）；

h1—接触斜面被提升高度，mm；

L—接触斜面长度，mm。

2.3.4 散粒物料外滑动摩擦系数

散粒物料外滑动摩擦系数简易测量方法如图2.5所示，装置由滑动平面、集料盒、压块重物、弹簧测力计等组成。将物料装入集料盒内，装满集料盒并将盒口物料刮平使之与滑动平面充分接触。将压块重物置于集料盒顶部，用弹簧测力计牵引集料盒缓缓滑动，待读数稳定后记录下读数[30]。3种腐熟剂、尿素颗粒、按定比混合物各做10次平行试验，最后取其平均值。

图2.5 外滑动摩擦系数测定装置

外滑动摩擦系数按式（2-4）计算：

式中：—外滑动摩擦系数；

F—弹簧测力计读数，N；

m2—集料盒与物料的质量和，g；

m3—压块重物的质量，g；

g—重力加速度，取9.81m/s2。

2.4 结果与分析

研究腐熟剂及尿素颗粒的机械物理特性是后续研究物料运动规律的重要前提准备，为固体腐熟剂喷施机械的设计提供了重要依据，保证最终机器能达到设计要求。表2.2、表2.3是腐熟剂与尿素颗粒的测试结果。

从表2.2中可以直观的看出3种腐熟剂的容重相差不大，反映散粒物料流动特性的堆积角、滑动摩擦角以及外滑动摩擦系数同样相差无几，故为节省劳动力后面可以将一种腐熟剂的物理特性统一作为代表性的计算参数。而尿素颗粒的容重大于腐熟剂，其堆积角、滑动摩擦角以及外滑动摩擦系数均明显小于腐熟剂的数值，说明尿素颗粒的流动性好于腐熟剂的流动性。

表2.3反映的是不同的3种腐熟剂与尿素颗粒以2:5比例充分混合后的机械物理特性。同样由于3种腐蚀剂的物理特性差别不大，混合后物料的物理特性也是非常接近。混合后物料的流动性要优于纯腐熟剂，又劣于纯的尿素颗粒。由此我们不难得出：腐熟剂与尿素混合后，随着尿素颗粒量的增多，混合物料的流动性会越来越好。通常腐熟剂在使用时配比尿素为：每2 kg腐熟剂，配比5～10 kg尿素颗粒。也就是说腐熟剂与尿素的配比在2:5～2:10之间都能满足使用要求，且流动性也是随尿素比例的增高越来越好。由于尿素颗粒的流动性明显优于腐熟剂，在固体腐熟剂喷施机械工作期间必然是尿素颗粒出料要更加容易，最终喷施入田间的腐熟剂在混合物料中的比例要小于原始比例，所以将物料2:5混合比例的物料定为计算时的参数能满足最终腐熟剂的施用要求。

表2.2 物料机械物理特性参数（1）

表2.3 物料机械物理特性参数（2）

3 小结

对3种腐熟剂、尿素颗粒机械物理特性进行了研究与分析。测试得到腐熟剂与尿素颗粒单独以及按一定比例混合后的容重、休止角、滑动摩擦角、外滑动摩擦系数等重要参数，为固体腐熟剂喷施机械主要参数的设计与研究提供必要的前提条件和重要的理论依据。

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