鮮香菇菇柄力學(xué)特性試驗(yàn)研究

李 鋒，宋衛(wèi)東，丁天航，王教領(lǐng)，王明友，吳今姬

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,江蘇 南京 210014)

香菇栽培和消費(fèi)主要集中在東亞國家和地區(qū)，其中,我國香菇產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量 90%以上，出口占世界貿(mào)易 95%以上[1-2]。據(jù)中國食用菌協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國香菇從 1987年年產(chǎn)量18.88 萬t增加到 2015年年產(chǎn)量 760 多萬t。香菇菇柄質(zhì)量占到香菇總體質(zhì)量的 20%～30%，年產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到 150 萬～230 萬t。香菇菇柄綜合利用價(jià)值日益得到重視[3-6]。近年來，國內(nèi)科研院所開始進(jìn)行菇柄切除和成松等菇柄加工設(shè)備研發(fā)和設(shè)計(jì)[7-10]，但側(cè)重于設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，鮮香菇菇柄的力學(xué)特性研究被忽視，致使所研發(fā)的菇柄加工設(shè)備質(zhì)量差、效率低、能耗高。

鮮香菇菇柄力學(xué)特性作為菇柄加工設(shè)備的重要研發(fā)依據(jù)，其力學(xué)研究相對(duì)大宗農(nóng)作物莖稈，目前基本為空白。因此，本研究通過查閱文獻(xiàn)，借鑒前人對(duì)甘蔗、棉花秸稈、小麥莖稈、苧麻等作物進(jìn)行的拉伸或者剪切等力學(xué)試驗(yàn)研究方法[11-16]，對(duì)鮮香菇菇柄進(jìn)行軸向拉伸與徑向剪切試驗(yàn)，為菇柄加工設(shè)備的研發(fā)與制造提供基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 材料和方法

1.1 材料采集

選擇生長(zhǎng)良好，無明顯缺陷，菇柄通直且直徑在9～14 mm的香菇808頭潮菇作為試驗(yàn)材料(宜興市新錦源生態(tài)菌業(yè)專業(yè)合作社栽培)，測(cè)得含水率84.5%～88.7%。

1.2 試樣制備

將香菇菌蓋部分切除，僅保留菇柄，并將其模型簡(jiǎn)化為圓柱體，在中間部位標(biāo)記受力位置。香菇菇柄徑向剪切試樣如圖1所示，試樣規(guī)格D×L(D為香菇菇柄原始直徑，L為香菇菇柄原始長(zhǎng)度)；香菇菇柄軸向拉伸試樣如圖2所示，試樣規(guī)格d×l(d為香菇菇柄有效直徑，l為香菇菇柄有效長(zhǎng)度)，每組試驗(yàn)試樣各制作10組。在制作香菇菇柄軸向拉伸試驗(yàn)試樣時(shí)，由于香菇菇柄柔性和彈性較大，試驗(yàn)過程中菇柄兩端極易滑脫，造成試驗(yàn)失敗，因此將試樣制成啞鈴狀，并在夾持端包裹繃帶和醫(yī)用膠帶以增加摩擦力，同時(shí)減少試樣破壞。

圖1 菇柄徑向剪切試樣

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

采用UTM 6503電子萬能試驗(yàn)機(jī)(測(cè)試力最大量程 5 kN，力傳感器精度±0.5% ，位移傳感器精度±0.5%),游標(biāo)卡尺、試驗(yàn)夾具、醫(yī)用膠帶、刀具等。

圖2 菇柄軸向拉伸試樣

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 菇柄軸向拉伸試驗(yàn) 萬能試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和數(shù)據(jù)采集方案設(shè)置為：加載速度 5 mm/min，回程速度 20 mm/min，最大載荷 500 N，自動(dòng)記錄菇柄拉力、位移、形變等數(shù)據(jù)，主界面圖像選擇應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。使用游標(biāo)卡尺測(cè)量拉伸試樣的幾何參數(shù)(其中香菇菇柄中間標(biāo)記位置直徑測(cè)量 3次取平均值)，并輸入萬能試驗(yàn)機(jī)；將試樣安放在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行預(yù)緊操作，預(yù)緊力小于5 N；菇柄軸向拉伸試驗(yàn)重復(fù) 10組，按1—10編號(hào)。試驗(yàn)過程及結(jié)果如圖3所示。

圖3 鮮香菇菇柄軸向拉伸試驗(yàn)

1.4.2 菇柄徑向剪切試驗(yàn) 萬能試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和數(shù)據(jù)采集方案設(shè)置為：加載速度 10 mm/min，回程速度 20 mm/min，最大載荷 500 N，自動(dòng)記錄菇柄剪切力、位移變化等數(shù)據(jù)，主界面圖像選擇剪切力-位移關(guān)系。試驗(yàn)操作步驟與菇柄軸向拉伸試驗(yàn)相似，重復(fù)10組試驗(yàn)，按1—10編號(hào)。試驗(yàn)過程及結(jié)果如圖4所示。

圖4 鮮香菇菇柄徑向剪切試驗(yàn)

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)最小二乘法原理，使用SPSS軟件對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始彈性變形部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，由應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系式(1)得出菇柄彈性模量，由材料力學(xué)公式(2)、(3)分別得出菇柄的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。

(1)

其中：E為彈性模量；σ為拉伸應(yīng)力，Mpa；ε為拉伸應(yīng)變。

(2)

其中：σb為抗拉強(qiáng)度，Mpa；Fmax為最大拉伸載荷，N；A1為拉伸截面面積，mm2。

(3)

其中：τb為剪切強(qiáng)度，Mpa；Tmax為最大剪切力，N；A2為剪切面面積，mm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果與分析

香菇菇柄試樣軸向拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖5所示。在試驗(yàn)初始階段，香菇菇柄以彈性變形為主，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加近似于線性增大，且不同試樣在同一應(yīng)變下應(yīng)力具有較大差距，其中試樣2所受應(yīng)力最大，試樣8所受應(yīng)力最?。焕炱茐倪^程中，試樣組織中纖維絲逐一發(fā)生斷裂，應(yīng)力呈階梯式向下波動(dòng)，在階梯臨界點(diǎn)可以聽到纖維組織崩斷的聲音;整體來看，試樣2的最大應(yīng)力最大，試樣8的最大應(yīng)力最??；最后，試樣中的纖維絲完全被拉斷；整體來看，試樣8的應(yīng)變最大，試樣7應(yīng)變最小。軸向拉伸試驗(yàn)中，試樣應(yīng)力和應(yīng)變波動(dòng)范圍較大。

菇柄軸向拉伸彈性模量和抗拉強(qiáng)度結(jié)果如表1所示。菇柄抗拉彈性模量介于5.789～0.764 Mpa，平均值 2.986 Mpa，標(biāo)準(zhǔn)差1.759；香菇菇柄最大抗拉強(qiáng)度σbmax介于1.484～0.355 Mpa，平均值0.925 Mpa，標(biāo)準(zhǔn)差0.347。

2.2 剪切試驗(yàn)結(jié)果與分析

香菇菇柄試樣徑向剪切試驗(yàn)得到的位移-剪切力曲線如圖6所示。試驗(yàn)初始階段為彈性變形，香菇菇柄剪切力隨著位移近似于線性增大，該階段主要將香菇菇柄海綿體組織壓實(shí)并破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在相同位移下各試樣徑向剪切力差距較??；當(dāng)試樣被切割破壞時(shí)，剪切力隨著位移以三角形波形在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，不同三角波峰處剪切力不同，整體來看，試樣10的最大剪切力最大，試樣8的最大剪切力最??；且在波峰位置可以清晰聽到香菇菇柄纖維剪斷的聲音。

圖5 鮮香菇菇柄軸向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 菇柄軸向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖6 鮮香菇菇柄徑向剪切載荷-位移曲線

香菇菇柄徑向剪切的最大剪切力和剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。香菇菇柄最大剪切力Tmax介于3.045～6.423 N，平均值 4.638 N，標(biāo)準(zhǔn)差 0.992；菇柄最大剪切強(qiáng)度τbmax介于0.025～0.052 Mpa，平均值 0.042 Mpa，標(biāo)準(zhǔn)差 0.009。

表2 菇柄徑向剪切試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論與討論

香菇菇柄軸向拉伸試驗(yàn)和徑向剪切試驗(yàn)表明：香菇菇柄組織由無數(shù)纖維絲排列組成，試驗(yàn)中香菇菇柄先發(fā)生內(nèi)部滑移破壞纖維組織之間的連接，纖維絲受力開始逐一斷裂。香菇菇柄軸向拉伸彈性模量平均值為2.986 Mpa，標(biāo)準(zhǔn)差為1.759；最大抗拉強(qiáng)度平均值為 0.925 Mpa，標(biāo)準(zhǔn)差是0.347。香菇菇柄徑向最大剪切力平均值為 4.638 N，標(biāo)準(zhǔn)差為0.992；最大抗剪切強(qiáng)度平均值是0.042 Mpa，標(biāo)準(zhǔn)差是0.009。香菇菇柄彈性模量、抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差均較大，說明不同香菇菇柄之間的力學(xué)特性具有較大差異。剪切試驗(yàn)中，香菇菇柄纖維絲的徑向剪切力(即波峰峰值)各不同，且上下波動(dòng)范圍較大，說明同一香菇菇柄上不同纖維絲的力學(xué)特性也具有較大差異。

在研究鮮香菇菇柄軸向拉伸和徑向剪切力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，后期可以進(jìn)一步研究香菇品種、含水率、加載速度等因素對(duì)香菇菇柄力學(xué)特性的影響，探究其破壞規(guī)律，為菇柄加工設(shè)備研發(fā)提供更多的基礎(chǔ)資料。