菌草莖稈剪切力學(xué)特性試驗(yàn)與分析

梅方煒 鄭書河

摘要：[目的]為解決現(xiàn)有菌草收獲及加工設(shè)備在使用過程中容易出現(xiàn)品種間適應(yīng)性差和切割效率低等問題，迫切需要對菌草莖稈剪切力學(xué)特性進(jìn)行深入研究。[方法]利用萬能試驗(yàn)機(jī)對菌草莖稈進(jìn)行剪切試驗(yàn)，研究生長期、品種和莖稈高度等影響因素對剪切強(qiáng)度和比剪切能的影響程度以及不同條件下菌草莖稈的剪切力學(xué)性能變化規(guī)律。[結(jié)果]不同品種菌草莖稈在剪切試驗(yàn)中破裂所產(chǎn)生的受力載荷

位移曲線相似，可分為4個(gè)不同的階段：近似線性增長階段、振蕩變化階段、近似指數(shù)增加階段、失效破壞階段;莖稈剪切特性受品種和莖稈高度的影響極顯著（P<0.01）;生長期對莖稈剪切特性的影響不顯著（P>0.05）;各因素對菌草莖稈剪切強(qiáng)度影響的主次順序是品種>莖稈高度>生長期，對比剪切能的影響主次順序?yàn)榍o稈高度>品種>生長期。[結(jié)論]不同品種菌草間剪切力學(xué)特性差異顯著，其中巨菌草抗剪能力最強(qiáng)，以巨菌草的剪切性能作為參考設(shè)計(jì)菌草后處理設(shè)備，有利于提高設(shè)備品種間適應(yīng)性和切割效率。

關(guān)鍵詞：菌草;莖稈;剪切強(qiáng)度;比剪切能;剪切試驗(yàn)

中圖分類號：0331文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008-0384（2020）03-0344-07

0 引言

（研究意義）菌草（Juncao）為多年生禾本科草本植物，在食用菌培養(yǎng)基基料、畜禽魚類飼料、生物質(zhì)能開發(fā)和生態(tài)治理等方面具有綜合利用開發(fā)價(jià)值。收獲作業(yè)是菌草生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，對于菌草莖稈的收獲、粉碎相關(guān)作業(yè)機(jī)具的研究來說，研究討論菌草莖稈的力學(xué)特性具有重要意義。通過準(zhǔn)確評價(jià)不同品種、生長期和莖稈高度的菌草莖稈剪切特性，可為設(shè)計(jì)通用性好、高效節(jié)能的作業(yè)設(shè)備提供理論支持。（前人研究進(jìn)展）為指導(dǎo)莖稈收獲作業(yè)裝備的設(shè)計(jì)，國內(nèi)外學(xué)者自20世紀(jì)60年代就開始研究植物莖稈的剪切特性。李玉道等通過對不同時(shí)期和含水率下棉花莖稈的剪切特性進(jìn)行試驗(yàn)，表明棉花莖稈的最佳收獲期為12月中下旬，可降低16.4%的剪切功;Kamandar等通過對不同條件下女貞莖的剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)莖稈高度和加載速度對剪切能耗和抗剪強(qiáng)度的影響顯著;趙春花等測得4個(gè)品種豆禾牧草的剪切最大載荷、應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)指標(biāo)，結(jié)果表明豆禾牧草莖稈剪切強(qiáng)度均隨莖稈直徑的增大有減小趨勢;Amirian等研究了莖部高度對鷹嘴豆莖的影響，發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)力和比剪切能隨莖稈高度的降低而增加;Shimeshan等研究表明油菜品種是影響其莖稈抗剪強(qiáng)度的重要因素，收獲時(shí)間在油菜生產(chǎn)中具有重要意義。（本研究切人點(diǎn)）目前有關(guān)不同品種菌草間莖稈剪切力學(xué)特性的研究還鮮有報(bào)道。本文借鑒棉花、玉米、水稻和甘蔗等莖稈作物剪切力學(xué)特性分析方法，以剪切強(qiáng)度和比剪切能為評價(jià)指標(biāo)，對不同品種菌草莖稈進(jìn)行剪切試驗(yàn)。（擬解決的關(guān)鍵問題）通過分析不同品種、生長期和莖稈高度對菌草莖稈剪切力學(xué)特性的影響，為菌草不同種植品種作業(yè)設(shè)備刀具的適配、最佳收獲生長期和切割位置的選擇，以及精準(zhǔn)收獲粉碎作業(yè)機(jī)械設(shè)備的研發(fā)提供參考。

1材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

本試驗(yàn)材料選自國家菌草工程技術(shù)研究中心種植基地，選取主要種植的3種菌草：巨菌草（GiantJtmcao，G）、象草（Pennisetumpurpureum，PE）和綠洲一號（LtizhouNo.1，L），生長期為拔節(jié)期（Jointingstage，JS）和成熟期（Maturation stage，MS）。種植時(shí)間為2017年12月份，采樣時(shí)間為2018年6月和12月。選取表面通直、無病蟲害、生長良好的植株，將莖稈分節(jié)并按節(jié)間標(biāo)號分段裝入密封袋中，放人低溫保存箱中冷藏。菌草莖稈直徑由基部向頂部逐漸減小，由于截面積的變化，莖稈在不同的高度表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，因此依據(jù)編號將莖稈平均分為3個(gè)高度區(qū)域：基部、中部、頂部。每次試驗(yàn)取樣后，在常溫中靜置0.5h.

試驗(yàn)設(shè)備：新三思微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)CMT6104（最大載荷為20kN）;低溫保存箱HYCD-282A;數(shù)顯游標(biāo)卡尺（精度為0.01g）以及實(shí)驗(yàn)室常用工具。

1.2 試驗(yàn)方法

剪切試驗(yàn)參照國家標(biāo)準(zhǔn)，試樣尺寸為50mm×5mm×tmm（長×寬×試件厚）。3種菌草莖稈的結(jié)構(gòu)如圖1，巨菌草和象草莖稈中的髓部質(zhì)地疏松似海綿體，取髓部進(jìn)行前期力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果如圖2，莖稈髓部承受載荷能力遠(yuǎn)小于韌皮部，可忽略。

采用自制專用剪切夾具對試樣進(jìn)行靜態(tài)載荷下的剪切試驗(yàn)，剪切原理如圖3示。試驗(yàn)過程中萬能試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄加載變化情況，生成載荷與位移曲線，當(dāng)試樣被切斷，載荷發(fā)生突變時(shí)，機(jī)器自動(dòng)停止并記錄下數(shù)據(jù)。每節(jié)莖稈采用3個(gè)試樣最大載荷的平均值作為數(shù)據(jù)。菌草莖稈的剪切強(qiáng)度L根據(jù)式

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 24.0版本軟件對數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行多因素方差分析（ANOVA）和Duncan多重范圍檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 剪切過程中載荷一位移曲線特點(diǎn)

按照試驗(yàn)方案對剪切試樣進(jìn)行試驗(yàn)，得到載荷與位移曲線。圖4為3個(gè)品種菌草韌皮部的載荷與位移曲線，比較圖4可知3種品種菌草韌皮部所得的曲線均表現(xiàn)為非線性特征，且特征類似。韌皮部的剪切過程可分為4個(gè)不同的階段。曲線的第一階段為近似線性增長階段，載荷隨著位移近似線性的增加。第二階段為振蕩變化階段，曲線在這一階段隨著位移的增加，具有振蕩波動(dòng)的特征，位移增長比載荷快，載荷處于緩慢增加的過程。第三階段為近似指數(shù)增加階段，載荷隨位移的增加迅速增加，并達(dá)到載荷的最大值。第四階段為失效破壞階段，載荷隨位移的增加迅速降低，曲線在試樣被完全切斷時(shí)結(jié)束。

2.2 剪切強(qiáng)度

試驗(yàn)測定了試樣的最大載荷，由式（1）可得試樣的剪切強(qiáng)度，求出均值。表1中C代表品種，S代表莖稈高度，GS代表生長期。不同品種菌草莖稈剪切試驗(yàn)結(jié)果均值的方差分析如表1所示。參照F值可知，各因素對菌草莖稈剪切強(qiáng)度的影響的主次順序是：品種、莖稈高度、生長期。品種和莖稈高度對莖稈剪切性能的影響見表2.

2.2.1 品種對剪切強(qiáng)度的影響 菌草莖稈的剪切強(qiáng)度是指菌草韌皮部抵抗切斷的能力。由表1可知品種對剪切強(qiáng)度有極顯著影響（P<0.01）。表2顯示不同品種菌草之間剪切強(qiáng)度差異較大，剪切強(qiáng)度由大到小依次是巨菌草、綠洲一號、象草，分別為30.48、24.68、18.85MPa.不同品種菌草在相同生長期剪切強(qiáng)度的比較如圖5所示，這也驗(yàn)證了表2的結(jié)果。3種菌草的剪切強(qiáng)度范圍為15.66～35.50MPa，剪切強(qiáng)度最高發(fā)生在巨菌草拔節(jié)期的基部。

2.2.2生長期對剪切強(qiáng)度的影響 由表1可知生長期對剪切強(qiáng)度并無顯著影響。圖6為不同生長期菌草莖稈剪切強(qiáng)度的比較?？梢钥闯?，除了巨菌草頂部的剪切強(qiáng)度有明顯差異外，其他品種不同生長期的剪切強(qiáng)度基本一致。菌草的韌皮部由表皮和木質(zhì)部組成，由于表皮厚度很小，因此影響剪切強(qiáng)度的主要因素為莖稈的木質(zhì)化程度。在拔節(jié)期和成熟期，巨菌草的剪切強(qiáng)度由基部向頂部逐漸減小，而象草和綠洲一號的剪切強(qiáng)度基本不變，其原因可能是象草和綠洲一號整體的木質(zhì)化程度相同，而巨菌草莖稈不同高度木質(zhì)化程度差異明顯。

2.2.3 莖稈高度對剪切強(qiáng)度的影響 由表1可知莖稈高度對剪切強(qiáng)度有極顯著影響（P<0.01）。由Duncan多重范圍檢驗(yàn)可知，不同莖稈高度的剪切強(qiáng)度完全不同，但基部和中部差異較小，頂部對剪切強(qiáng)度影響明顯。其原因可能是：菌草莖稈中化學(xué)成分主要為木質(zhì)纖維素，木質(zhì)纖維素含量越高，抗剪能力越強(qiáng)，但植物莖稈的頂部區(qū)域往往具有的纖維素含量最低，因此對頂部剪切強(qiáng)度影響最明顯。

2.3 比剪切能

試驗(yàn)測定了試樣的最大剪切力，由式（2）可得試樣的比剪切能。由表1可知各因素對菌草莖稈比剪切能的影響的主次順序是：莖稈高度、品種、生長期。表3為不同菌草在不同生長期莖稈的比剪切能。

2.3.1 品種對比剪切能的影響 菌草莖稈的比剪切能是指切斷單位面積試樣所需的能量，影響比剪切能的主要因素為莖稈的厚度和木質(zhì)化的程度。由表1可知品種對比剪切能有顯著影響（P<0.01）。由表2可看出，象草的比剪切能最小，巨菌草和綠洲一號的比剪切能相近，分別為象草的1.27和1.31倍。由表3可知：巨菌草、象草和綠洲一號的比剪切能分別為21.63～38.78mJ·mm^-2、18.56～30.70mJ·mm^-2、27.57～41.42mJ·mm^-2。比剪切能最大出現(xiàn)在綠洲一號成熟期的基部（41.42mJ·mm^-2），是最小象草成熟期頂部（18.56mJ·mm^-2）的2.23倍。

2.3.2生長期對比剪切能的影響 由表1可知生長期對比剪切能并無顯著影響。由表3可知巨菌草和綠洲一號成熟期的比剪切能比拔節(jié)期高，而象草是拔節(jié)期比成熟期高。并且由圖6可知象草在拔節(jié)期的剪切強(qiáng)度也略高于成熟期。分析其原因可能由于象草進(jìn)入成熟期后直徑增大，內(nèi)部組織結(jié)合變得疏松，因此抵抗剪切的能力變?nèi)趿?。從?jié)能的角度看，在生產(chǎn)實(shí)踐中，了解菌草各生長期的比剪切能，結(jié)合生長期內(nèi)菌草的單位生物量，有助于選取合適的收獲期。

2.3.3 莖稈高度對比剪切能的影響 由表1知莖稈高度對比剪切能有顯著影響（P<0.01）。表2顯示不同莖稈高度之間比剪切能差異較大，比剪切能由大到小依次是基部（34.22mJ·mm^-2）、中部（27.78mJ·mm^-）、頂部（24.43mJ·mm^-2），即剪下單位面積的菌草莖稈基部所消耗的能量比中部和頂部分別高27%和40%，其原因可能由于植物不同莖稈高度的纖維素含量分布不均，導(dǎo)致比剪切能從基部往頂部逐漸降低。

3討論與結(jié)論

本研究通過對3種菌草莖稈進(jìn)行剪切力學(xué)性能試驗(yàn)，分析莖稈剪切過程中力學(xué)行為特性和剪切強(qiáng)度、比剪切能隨品種、生長期、莖稈高度等試驗(yàn)因素的變化規(guī)律。

在相同的加載速度下，3種菌草莖稈在剪切過程中的載荷一位移行為均表現(xiàn)為非線性特征，且具有相似的損傷失效過程，均可分為4個(gè)不同的破壞階段，近似線性增長階段、振蕩變化階段、近似指數(shù)增加階段、失效破壞階段，說明這3種菌草莖稈的剪切損傷破壞機(jī)理可能類似，這與宗望遠(yuǎn)等對棉稈進(jìn)行剪切試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果相近，其原因或許是它們莖稈中纖維的體積分?jǐn)?shù)與組織結(jié)構(gòu)較為接近。

不同品種間菌草莖稈的剪切力學(xué)性能存在顯著差異：菌草莖稈的剪切強(qiáng)度和比剪切能分別為15.66～35.50MPa，18.56～41.42mJ·mm^-2;菌草莖稈剪切特性受品種和莖稈高度的影響顯著（P<0.01）;相同生長期內(nèi)莖稈外徑為巨菌草>綠洲一號>象草，剪切強(qiáng)度分別為30.48、24.68、18.85MPa，因此實(shí)際生產(chǎn)中象草更易收獲;菌草莖稈的剪切強(qiáng)度隨著莖稈高度的增加而逐漸減小，這與李耀明等對玉米莖稈的研究結(jié)果一致;切斷單位面積的菌草莖稈基部所消耗的能量比中部和頂部分別高27%和40%，這一結(jié)果與李小城等對小麥莖稈剪切力學(xué)性能測試的結(jié)果基本一致，進(jìn)行切割粉碎設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以基部參數(shù)為參考;不同生長期菌草的剪切性能無顯著差異（P>0.05），收獲時(shí)可結(jié)合各生長期內(nèi)菌草的單位生物量合理選擇收獲期;影響剪切強(qiáng)度和比剪切能的因子依次分別是：品種>莖稈高度>生長期，莖稈高度>品種>生長期。

本文所獲得的菌草剪切力學(xué)參數(shù)，對菌草收獲、粉碎裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化等具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義，為建立菌草莖稈的剪切力學(xué)模型進(jìn)行菌草莖稈的切割理論研究提供了依據(jù)。今后將在這一基礎(chǔ)上進(jìn)行菌草莖稈切割試驗(yàn)的微觀試驗(yàn)，全面深入探討其在切割過程中的微觀損傷模式與破壞機(jī)理。