尿素颗粒弹性模量的测试与分析

王金峰 鞠金艳 尹大庆

摘要 为研究尿素与机械结构之间的相互作用，必须研究尿素的物理特性，因此采用静态测量法，应用质构仪对尿素的弹性模量进行测试。通过分析测试曲线，得出压力与时间关系曲线具有典型初始加载弯曲段、线弹性段、弯曲上升段，峰值点和下降段。在试验温度22 ℃、環境湿度45%、尿素颗粒密度1.33×103 kg/m3的条件下，尿素颗粒的弹性模量的数值范围为8.2×107～8.9×107 Pa。

关键词 尿素;弹性模量;试验

中图分类号 S143.1+4 文献标识码 A 文章编号 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

基金项目 黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12531025）。

作者简介 王金峰（1981- ），男，黑龙江同江人，副教授，博士，从事田间作业机械方面的研究。

收稿日期 2014-10-15

中国是世界上人口最多的国家，也是肥料生产和消费大国。虽然已出现可生产无公害、无污染绿色食品的活性有机肥料，但化肥在现代农业生产中仍占重要地位。在今后相当长的时期内，施用化肥仍是实现农业可持续发展必不可少的手段之一[1]。

水稻是中国主要的粮食作物之一，在种植过程中广泛施用尿素。对于尿素的研究，主要集中在尿素在农业上的应用、尿素与其他肥料的施肥比例、尿素的肥效利用率、尿素的合成、尿素的化学成分等，而对于尿素物理特性的研究很少。由于尿素在水稻种植过程中起重要作用，传统的水田化肥施播均是采用人力手工漫撒或旋转盘离心漫撒的作业方式，存在化肥与土壤混合度差、化肥损失大、利用率低、污染环境等诸多问题。当采用水田施肥机械进行施肥作业时，由于化肥极易吸潮，吸潮后肥料流动性变差，黏附性增大，潮解的化肥经常黏附在肥箱壁面和输肥管道壁面上，造成施肥量减少、施肥质量下降的技术问题，甚至出现输肥管路堵塞、不能继续作业的故障，降低机具的作业效率。因此，在研究尿素与机械结构相互作用时，必须研究尿素的物理特性，如密度、弹性模量、剪切模量和泊松比等[2-3]。笔者采用质构仪对尿素的弹性模量进行测试，获得尿素的弹性模量，为尿素物理特性的研究提供相关的研究方法和数据参考。

1 材料与方法

1.1 质构仪结构及工作原理

质构仪可以准确地检测样品随时间变化的位置和质量，从而获得样品的物性特征。测试数据能够保存在表格，并且用曲线显示。质构仪结构包括仪器主体、测量探头、数据线和测控程序（图1）。

图1 质构仪测量弹性模量

选择用于测试尿素的测量探头，并且安装在质构仪上。质构仪采用专用数据线插入电脑的USB端口，另一端连接质构仪数据通讯接口。打开质构仪的电源开关，在电脑上启动TexturePro Lite测控程序，软件会自动出现联机画面。

试验时，在电脑的测控程序中输入测控参数，将被测尿素颗粒固定在载物台上，在电脑的测控程序中点击“运行”键，仪器开始压缩尿素颗粒，当尿素颗粒被压碎，试验结束。电脑的测控程序能够记录压力和时间的数据，并且显示曲线。

1.2 试验装置

质构仪结构包括仪器主体、测量探头、数据线和TexturePro Lite测控程序。

1.2.1 质构仪。

弹性模量的测量采用英国SMS公司生产型号TA.XT plus质构仪，适用电源范围85～264 V，功率47～63 Hz，选择探头P/50。

1.2.2 测控程序。

测控程序设置了质构仪的工作控制、参数设定、试验曲线显示和试验数据管理等多种功能。试验曲线显示窗口显示的曲线为时间—压力曲线，测控程序输入的测试参数：测试模型为压缩模型，测试前速度为1.0 mm/s，测试速度为 5.0 mm/s，测试后速度为10.00 mm/s，目标模型应变为10%。记录的数据以Excel文件格式存储到电脑中。

1.3 试验材料

试验材料为尿素颗粒。选择尿素化肥结构尺寸较大的尿素颗粒，用锉和沙纸将尿素化肥磨成圆柱体作为试验的试样。试验温度为22 ℃，环境湿度为45%，尿素颗粒密度为1.33×103 kg/m3。

1.4 试验方法

尿素弹性模量的测试方法采用静态测量法，应用质构仪获得压力与时间的变化曲线，在时间—压力曲线上找出线弹性变形处的直线段，根据式（1）得出弹性模量（E）。

E=σε=ΔF/Av·Δt/h=hvA·ΔFΔt=khvA（1）

式中，E为尿素颗粒在线弹性变形时压力增量，N;

A为圆柱形尿素颗粒橫截面的面积，mm2;

Δt为尿素颗粒在线弹性变形时时间的增量，s;

v为质构仪在压缩过程的移动速度，mm/s;

v·Δt为尿素颗粒在线弹性变形时位移增量，mm;

h为圆柱形尿素颗粒试样的高度，mm;

k为尿素颗粒在线弹性变形时压力增量与时间增量的比值，即时间—压力曲线上线弹性变形处的斜率。

2 结果与分析

选择14组不同高度和横截面积的尿素颗粒进行弹性试验，测出尿素颗粒的弹性模量。尿素颗粒测试试样数据如表1所示。

表1 尿素颗粒测试试样数据表

由于篇幅有限，仅在文中列出表1中编号为1的尿素颗粒弹性模量测试过程，即选择高度为3.48 mm、横截面积为11.335 mm2的尿素颗粒进行弹性试验，应用测控程序得出试验曲线。

由图2可知，压力与时间关系曲线具有典型初始加载弯曲段、线弹性段、弯曲上升段、峰值点和下降段。当质构仪的探头压缩尿素颗粒时，应力与尿素颗粒的应变呈正比，应力去除，变形消失，即尿素颗粒处于弹性变形阶段。应用静态测量法测量尿素颗粒的弹性模量，应在线弹性变形阶段进行测量。图中AB段为线弹性段，在线弹性段内尿素颗粒服从胡克定律，即变形与受力呈正比，应力与应变的比例常数就是尿素颗粒的弹性模量。由于质构仪输出曲线为压力与时间的变化曲线，因此记录的数据也是压力与时间的数据。在Excel记录的数据中，0～0.2 s内共有80组压力数值。从0到A的测试点不能选为直线段，因为一般仪器在10%的量程内存在误差或尿素颗粒试件制作不够标准。在线弹性AB段选取一段直线。由式（1）可知，该段直线的斜率可以反映出尿素颗粒的弹性模量[4-11]。

图2 编号为1的尿素颗粒压力与时间历程

为了在线弹性AB段选取一段直线，在测控程序得出高度为3.48 mm、横截面积为11.335 mm2尿素颗粒的5组测试结果中寻找到压力呈现线性变化规律的试验数据。应用Design-Expert6.0.1软件对试验数据进行分析。

以压力为性能指标，以测试时间为因子，选取线弹性段0.05～0.06 s压力数据进行拟合，获得压力时间的函数关系式。

在时间为0.050、0.052、0.055、0.058、0.060 s时，压力分别为37.707 9、41.311 7、45.091 8、48.801 3、52.621 0 N。

应用Design-Expert 6.0.1软件拟合出高度为3.48 mm、横截面积为11.335 mm2尿素颗粒测试时间对压力影响的回归方程曲线图（图3）。

图3 尿素颗粒测试时间对压力影响的回归方程曲线

通过方差分析表明，模型在0.05水平显著，时间（t）是有效的模型项。拟合的回归方程为：

F=1 426.96t-33.38（2）

将式（2）中曲线的斜率1 426.96代入式（1），得出尿素颗粒E的数值为8.7×107 Pa。

将表1中的14组数据采用相同的测试方法进行试验，获得尿素颗粒E的数值范围为8.2×107～8.9×107 Pa。

3 结论

（1）将测控程序得出的试验数据应用Design-Expert软件拟合尿素颗粒处于弹性变形时的回归方程，得出高度为3.48 mm、横截面积为11.335 mm2尿素颗粒的弹性模量为8.7×107 Pa。

（2）在试验温度22 ℃、环境湿度45%、尿素颗粒密度1.33×103 kg/m3的条件下，应用质构仪测得尿素颗粒E的数值范围为8.2×107～8.9×107 Pa。

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