袋栽鹿茸菇菌棒物理力學(xué)特性研究

中圖分類號(hào)：S226.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-5553（2025）08-0156-06

Abstract：At present，China's edible fungi industry is developing rapidly.Somevarieties ofedible fungi havebegun touse bagcultivation，andcultivatedvarietiesandcropyieldshaveincreasedyearbyyear，folowedbyanincreaseinthe demand foredible fungi bag removal equipment.Toprovide fundamental data for theresearchand development of mushroom debagging equipment，the physicaland mechanical characteristics of bagged mushroom debagging were studied. The density of mushroom debagging was determined using the sand drainage method.The static friction coeficient and dynamic frictioncoeficientof the bacteria stickrubberlayerandbacteria stick-stainless steel were measured bythe inclined plane method.The adhesive strength and evisceration force ofthe bacterial bag was measured using an electronicuniversal testing machine.A radial compression test was cariedouton the mushroom stick also using theelectronic universal testing machine. It was found that the average elastic modulus of the mushroom stick was 0.949MPa and the average Poisson ratio was O.177 when the loading speed was 10mm/min . This study can provide a theoretical basis for the design of key components and the determination of operating parameters of debagging equipment.

Keywords：mushroom sticks；physical and’mechanical properties；modulus of elasticity；Poissnratio；bag stripping equipment

0 引言

數(shù)據(jù)顯示，2022年我國(guó)食用菌產(chǎn)量約為 4.22×10⁷ t，總產(chǎn)值約為 3.88×10⁷ 萬元，2023年我國(guó)食用菌產(chǎn)量約為 4.33×10⁷ t，總產(chǎn)值約為 3.96×10⁷ 萬元，產(chǎn)量增我國(guó)是食用菌生產(chǎn)大國(guó)，據(jù)中國(guó)食用菌協(xié)會(huì)最新長(zhǎng) 2.64% ，產(chǎn)值增長(zhǎng) 2.02% 。山東省作為食用菌產(chǎn)量領(lǐng)先的省份之一，省內(nèi)產(chǎn)量超萬噸的縣（市、區(qū)）有29個(gè)，產(chǎn)值超億元的縣（市、區(qū)）有 23個(gè)[1.2]。由于各類菌類含有多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，國(guó)內(nèi)金耳、桑黃、竹蓀等珍稀菇類的種植規(guī)模不斷發(fā)展壯大，部分品種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)[3]。除國(guó)內(nèi)消費(fèi)外，食用菌鮮類及其干制品、罐頭等還對(duì)外出口，出口貿(mào)易整體穩(wěn)中有升[4]。

伴隨著食用菌產(chǎn)業(yè)在我國(guó)迅速發(fā)展，食用菌廢菌棒的數(shù)量也隨之增多。廢棄菌棒的主要成分是木屑、秸稈和麥麩等，經(jīng)過采收后的菌棒仍含有豐富的有機(jī)物質(zhì)和多種微量元素，可用做有機(jī)肥、飼料、燃料和制作新材料等[5-7]，具有極高的循環(huán)利用價(jià)值[8]。隨意丟棄菌棒不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)土壤及周圍環(huán)境造成污染以及產(chǎn)生潛在的疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)[9-11]，影響食用菌行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，解決菌棒的回收利用問題，對(duì)菌棒進(jìn)行科學(xué)、規(guī)范地利用對(duì)提高農(nóng)業(yè)廢棄物的利用率、實(shí)現(xiàn)食用菌行業(yè)綠色發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)方面有重要意義。

菌棒在收集后的第一個(gè)處理環(huán)節(jié)是脫袋與粉碎，這會(huì)對(duì)后續(xù)菌棒利用的效率和質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。目前袋栽食用菌品種在采收后的脫袋工作雖然可由機(jī)械代替，但仍需要人工投放菌袋，自動(dòng)化程度較低，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高、效率低等問題，嚴(yán)重制約著我國(guó)食用菌工廠化生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展。雖然有部分科研院所和個(gè)人申請(qǐng)了一些發(fā)明以及實(shí)用新型專利[12-14]，但大多處于理論研究設(shè)計(jì)階段，并沒有進(jìn)行大面積推廣使用。

了解廢菌棒的物理力學(xué)特性對(duì)于提高脫袋機(jī)的工作質(zhì)量和工作效率有至關(guān)重要的作用。目前，郭穎杰等[15]對(duì)杏鮑菇廢菌棒的力學(xué)性能進(jìn)行研究，驗(yàn)證含水率是影響廢菌棒抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度的重要因素；馬士鑫等[16對(duì)脫袋轉(zhuǎn)色期的香菇菌棒進(jìn)行力學(xué)特性研究，獲得了相關(guān)參數(shù)，為香菇菌棒脫袋裝備的研發(fā)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。但至今鮮有關(guān)于鹿茸菇菌棒物理力學(xué)特性的相關(guān)研究。因此，本文以采收后的袋栽鹿茸菇菌棒為研究對(duì)象，根據(jù)仿真需求并結(jié)合實(shí)際條件，對(duì)其物理力學(xué)特性展開研究，獲得鹿茸菇菌棒密度、摩擦系數(shù)、菌袋黏附強(qiáng)度、菌袋撕脫力等物理力學(xué)特性參數(shù)，為鹿茸菇菌棒脫袋裝備的研發(fā)提供理論支持。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以采收后的袋栽鹿茸菇菌棒為試驗(yàn)對(duì)象，樣本于2024年3月1日取自山東某公司，采用機(jī)械化制棒，統(tǒng)一裝袋、統(tǒng)一制棒，保證了菌棒的一致性，如圖1所示。其每袋菌棒的干物質(zhì)含量如表1所示。經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，菌棒成分的不同會(huì)對(duì)菌棒出菇效果產(chǎn)生影響，但并沒有表明其力學(xué)特性會(huì)產(chǎn)生變化，因此，僅針對(duì)此鹿茸菇菌棒進(jìn)行力學(xué)特性研究，同時(shí)為其他類型的菌棒力學(xué)特性提供研究方法和研究思路。

圖1袋栽鹿茸菇菌棒 Fig.1 Bag of mushroom sticks planted with antler mushrooms

表1每袋菌棒干物質(zhì)含量占比情況Tab.1Proportionofdrymattercontentin each bag ofbacteria sticks

經(jīng)稱重和測(cè)量后，采收后的菌棒質(zhì)量為 670～ 910g ，平均值為 738g ;菌棒高度為 130～142mm ，平均值為 136mm ;截面直徑為 109～115mm ，平均值為112.33mm 。由于在存放過程中菌棒會(huì)有水分蒸發(fā)，因此須先進(jìn)行菌棒的含水率測(cè)定。通過前期試驗(yàn)測(cè)得的菌棒最低含水率為 49.92% ，最高含水率為59.61% ，平均含水率為 56.11% 。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所使用的主要儀器：電子天平（量程 500g ，精度 0.001g ），量筒（量程 100mL ，精度 1mL ），自制斜面儀，電子萬能試驗(yàn)機(jī)、美工刀，鋼鋸。

2 試驗(yàn)方法

2.1 菌棒密度測(cè)定

通過前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，菌棒具有一定的吸水性，并且鹿茸菇菌棒的密度小于一般液體的密度，采用排水法測(cè)定其密度時(shí)會(huì)因?yàn)榫粑畬?dǎo)致數(shù)據(jù)誤差較大，因此將排水法改為排沙法來測(cè)量菌棒密度。選擇大小合適的菌棒試樣稱重，記錄質(zhì)量為 M ;向量筒中注入一定量的細(xì)沙，記錄細(xì)沙體積為 V ;將稱重后的菌棒試樣放人量筒中，震蕩至菌棒試樣完全被細(xì)沙浸沒，記錄體積為 V₁ 。每次試驗(yàn)結(jié)束后重新標(biāo)定量筒，重復(fù)進(jìn)行10次試驗(yàn)。菌棒密度 ρ 計(jì)算如式（1）所示。

2.2菌棒摩擦系數(shù)測(cè)定

菌棒摩擦系數(shù)測(cè)定分為靜摩擦系數(shù)測(cè)定和動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定。

1）靜摩擦系數(shù)測(cè)定。試驗(yàn)采用斜面法測(cè)定菌棒一橡膠層和菌棒一不銹鋼之間的靜摩擦系數(shù)。取大小合適的菌棒樣品分別放在橡膠和鋼板上，隨后緩慢提升，隨著傾角的增大，鹿茸菇菌棒試樣沿斜面下滑的趨勢(shì)也會(huì)逐漸加大。當(dāng)觀察到鹿茸菇菌棒試樣沿斜面下滑時(shí)分別記錄此時(shí)橡膠和鋼板與平面的夾角，記為θ ，此時(shí)的鹿茸菇菌棒試樣的受力情況如圖2所示。

圖2菌棒受力分析

此時(shí)菌棒試樣自身重力沿斜面向下的分力與其自身所受摩擦力相等，即

mgsinθ=μmgcosθ

式中： m 樣品質(zhì)量， g ：g 重力加速度， m/s θ 斜面傾斜角， （^°） ：μ 靜摩擦系數(shù)。

化簡(jiǎn)后，靜摩擦系數(shù) μ 關(guān)于斜面傾角 θ 的計(jì)算如式（3）所示。

2）動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定。動(dòng)摩擦系數(shù)的測(cè)定同樣采用斜面法，如圖3所示，在不同的角度將菌棒試樣放置在鋼板頂部，使其沿著橡膠面和鋼板面滑下，并用相機(jī)拍攝試樣的下滑過程。將相同時(shí)間間隔的連續(xù)的3幀圖像重合疊加，通過坐標(biāo)紙算出位移差 Δx ，由式（4）和式（5）可計(jì)算出菌棒試樣滑動(dòng)的加速度 a 。

式中： t^. —試樣滑動(dòng)時(shí)相同時(shí)間間隔，s;x₂ 相同時(shí)間內(nèi)第二段位移， cm x₁ 相同時(shí)間內(nèi)第一段位移， cm 。

圖3鹿茸菇菌棒動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定 Fig.3 Determination of dynamic friction coeficient of velvet mushroom stick

由圖3可知，在測(cè)定動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí)，在鋼板抬升到一定程度時(shí)，菌棒試樣會(huì)沿斜面向下滑動(dòng)，由式（2）可推導(dǎo)得到菌棒試樣沿斜面向下滑動(dòng)時(shí)的加速度 a 的公式，化簡(jiǎn)可得到試樣加速度 ?_a 、斜面傾角 θ 與動(dòng)摩擦系數(shù) μ₁ 的關(guān)系如式（6）所示。

mgsinθ-μ₁mgcosθ=ma

化簡(jiǎn)后可得動(dòng)摩擦系數(shù) μ₁ 的計(jì)算如式（7）所示。

2.3菌袋黏附強(qiáng)度及菌袋撕脫力測(cè)定

菌袋黏附強(qiáng)度指菌袋附著于菌棒表面的能力，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)和夾具進(jìn)行菌袋拉伸試驗(yàn)測(cè)定，共準(zhǔn)備3個(gè)菌棒，每個(gè)菌棒制樣后重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。首先將夾具上端固定在電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)力傳感器上，然后將膠水涂抹在夾具內(nèi)弧面，并將夾具與菌袋貼緊，待膠水完全風(fēng)干后，用美工刀沿夾具邊緣切開菌袋，最后以 2mm/min 的速度進(jìn)行拉伸，直至菌袋脫離菌棒。

為進(jìn)一步得到菌袋與菌棒的黏附強(qiáng)度，需對(duì)夾具進(jìn)行受力分析。菌棒的橫截面可近似看作圓形。以菌棒截面中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，受力分析如圖4所示。

圖4菌棒所受拉力示意圖

Fig.4Schematicdiagramoftensiononthebacteriastick

依據(jù)平衡力原理可以推理出菌袋所受的拉力F_i 與菌棒和菌袋之間的粘結(jié)力 F_a 相等，即

F₁=F_a

黏附強(qiáng)度 p 計(jì)算如式（9）所示。

式中： s —受力面積， mm²

菌袋的撕脫力是指對(duì)菌袋進(jìn)行撕扯，直至其出現(xiàn)斷裂時(shí)的最大瞬時(shí)力。首先使用美工刀將菌袋裁切成長(zhǎng)60mm 寬 30mm 的矩形；然后將菌袋兩端固定在電子萬能試驗(yàn)機(jī)的夾具上，以 10mm/min 的速度對(duì)菌袋進(jìn)行撕扯，至菌袋出現(xiàn)斷裂時(shí)停止加載；最后待試驗(yàn)結(jié)束后，將電子萬能試驗(yàn)機(jī)所記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行分析。

2.4菌棒彈性模量和泊松比測(cè)定

在對(duì)測(cè)定試樣的彈性模量和泊松比時(shí)，多采用軸向壓縮和徑向壓縮的方式進(jìn)行[17.18]。根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，菌棒的橫截面直徑最小值為 109mm ，最大值為115mm ，近似于圓形，因此可采用以上方式對(duì)菌棒試樣進(jìn)行彈性模量和泊松比測(cè)定。

首先對(duì)鹿茸菇菌棒進(jìn)行取樣，并將樣品制成條形，記錄其軸向和橫向的尺寸，利用電子方能試驗(yàn)機(jī)對(duì)條形培養(yǎng)基進(jìn)行試驗(yàn)。將試樣安裝到試驗(yàn)機(jī)上，確保試樣的兩端平直，并與試驗(yàn)機(jī)軸線平行，設(shè)置電子萬能試驗(yàn)機(jī)的移動(dòng)速度為 5mm/min ，當(dāng)菌棒樣品制樣出現(xiàn)破裂時(shí)停止加載，使用試驗(yàn)機(jī)記錄其軸向形變，用游標(biāo)卡尺記錄培養(yǎng)基在軸向開裂極限處的橫向形變，計(jì)算泊松比，結(jié)果取平均值。泊松比 v 的計(jì)算如式（10）所示。

式中： ε_h，h. 試樣在橫向上的變量， mm 軸 試樣在軸向上的變量， mm 。

彈性模量是指材料在單向應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力與該方向的應(yīng)變之比，是用來描述固體材料抵抗形變能力的物理量，可以反映出材料在彈性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變之間的正比例關(guān)系，符合胡克定律[18]。通過前期試驗(yàn)測(cè)出菌棒剪切模量的平均值為0.41，剪切模量與彈性模量之間的關(guān)系如式（11）所示。

式中： E 彈性模量， Pa ：G 一剪切模量， Pa 。

2.5碰撞恢復(fù)系數(shù)測(cè)定

接觸特性主要包括恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)，受實(shí)驗(yàn)室設(shè)備限制，在參考同行研究的基礎(chǔ)上，使用自制試驗(yàn)儀器測(cè)量恢復(fù)系數(shù)，并得出計(jì)算后的結(jié)果。

碰撞恢復(fù)系數(shù)是兩物體碰撞前后沿接觸處法線方向上的分離速度與接近速度之比，只與碰撞物體的材料有關(guān)[19]。當(dāng)兩物體的材料已經(jīng)確定時(shí)，此時(shí)恢復(fù)系數(shù)的定義為兩物體碰撞后分開的相對(duì)速度與碰撞前相對(duì)接近速度的比值，即

式中： e 碰撞恢復(fù)系數(shù)；

v_b^′ 物體b發(fā)生碰撞后的速度， m/s v_a^′ 物體a發(fā)生碰撞后的速度， m/s v_b 物體b發(fā)生碰撞前的速度， m/s ：v_a 物體a發(fā)生碰撞前的速度， m/s 。

測(cè)定碰撞恢復(fù)系數(shù)的試驗(yàn)裝置如圖5所示，當(dāng)a從自由垂直下落與b發(fā)生碰撞，碰撞后a豎直彈起，此時(shí)，a在下落與彈起運(yùn)動(dòng)過程中，只有自身重力做功，b在碰撞前、后的速度均為0，所以a碰撞前、后速度分別為

簡(jiǎn)化后的公式為

式中： h —菌棒球a回彈高度， mm ： H? —菌棒球a跌落高度， mm 。

圖5碰撞恢復(fù)系數(shù)測(cè)試示意圖

Fig.5Schematicdiagram ofcollisionrecoverycoeficient test 1.下落點(diǎn)2.放置平臺(tái)3.標(biāo)尺4.底座

根據(jù)上述原理進(jìn)行試驗(yàn)，分析并計(jì)算得出培養(yǎng)基的碰撞恢復(fù)系數(shù)。每個(gè)過程測(cè)量10次，結(jié)果取平均值。最終得出培養(yǎng)基與培養(yǎng)基之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.03～0.05 ，平均值為0.039，標(biāo)準(zhǔn)差為0.007，變異系數(shù)為0.18；培養(yǎng)基與不銹鋼板之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.05～0.075 ，平均值為0.062，標(biāo)準(zhǔn)差為0.01，變異系數(shù)為0.16。

3 結(jié)果與分析

3.1 菌棒密度

通過排沙法對(duì)完全浸入量筒的10個(gè)菌棒試樣進(jìn)行密度測(cè)量，結(jié)果保留三位小數(shù)，如表2所示。可以看出，鹿茸菇菌棒密度為 0.632～0.685g/cm³ ，平均值為 0.652g/cm³ 。

表2菌棒樣品密度Tab.2 Sample density of bacteria sticks

3.2菌棒摩擦系數(shù)

3.2.1菌棒靜摩擦系數(shù)

試驗(yàn)測(cè)定了菌棒一橡膠層和菌棒一不銹鋼的靜摩擦系數(shù)，共準(zhǔn)備5個(gè)鹿茸菇菌棒試樣，編號(hào)為1～5號(hào)。為減小測(cè)量誤差，每個(gè)樣品對(duì)接觸材料進(jìn)行3次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。計(jì)算后得菌棒一橡膠層的靜摩擦系數(shù)平均值為0.701，標(biāo)準(zhǔn)差為0.09，變異系數(shù)為0.13；菌棒一不銹鋼的靜摩擦系數(shù)平均值為0.755，標(biāo)準(zhǔn)差為0.077，變異系數(shù)為0.10，如表3所示。

表3菌棒一不銹鋼靜摩擦系數(shù) Tab.3Static friction coefficientof bacteria stick-stainless steel

3.2.2菌棒動(dòng)摩擦系數(shù)

由靜摩擦系數(shù)測(cè)定可知，菌棒試樣在橡膠層上滑動(dòng)的臨界角度為 34.87^° ，在不銹鋼上滑動(dòng)的臨界角度為 36.93^° ，因此，以 35^°，40^°，45^° 傾角測(cè)定菌棒一橡膠層的動(dòng)摩擦系數(shù)，以 40^°，45^° 傾角測(cè)定菌棒一不銹鋼板的動(dòng)摩擦系數(shù)，結(jié)果保留三位小數(shù)。試驗(yàn)共測(cè)定5個(gè)菌棒試樣，計(jì)算后得到菌棒一橡膠層的動(dòng)摩擦系數(shù)平均值為0.284，標(biāo)準(zhǔn)差為0.053，變異系數(shù)為0.19；菌棒一不銹鋼的動(dòng)摩擦系數(shù)平均值為0.481，標(biāo)準(zhǔn)差為0.044，變異系數(shù)為0.092。

3.3菌袋黏附強(qiáng)度及菌袋撕脫力

3.3.1菌袋黏附強(qiáng)度

菌袋黏附強(qiáng)度分析結(jié)果如表4所示。菌袋平均黏附強(qiáng)度為 1.11～1.44kPa ，平均值為 1.273kPa ，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.165kPa ，變異系數(shù)為0.13，表明菌袋黏附強(qiáng)度分布較集中。

表4菌袋黏附強(qiáng)度 Tab.4 Adhesion strength of bacteria bags

3.3.2 菌袋撕脫力

試驗(yàn)測(cè)得菌袋撕脫力為 6.155～8.825N ，平均值為 7.404N ，標(biāo)準(zhǔn)差為 1.343N ，變異系數(shù)為0.18，菌種撕脫力的離散程度較大，這是因?yàn)樵诓墒站綍r(shí)，刀具切掉成熟菇體時(shí)會(huì)切割一部分菌袋，導(dǎo)致菌袋出現(xiàn)不同程度的撕裂，從而出現(xiàn)裂口，這會(huì)導(dǎo)致菌袋有的依然貼緊菌棒，有的已經(jīng)半脫離菌棒，使得菌袋撕脫力出現(xiàn)浮動(dòng)較大的情況。

3.4菌棒彈性模量和泊松比

在測(cè)量菌棒彈性模量和泊松比時(shí)，以 10mm/min 的速度對(duì)鹿茸菇菌棒試樣進(jìn)行徑向壓縮試驗(yàn)，鹿茸菇菌棒試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。彈性模量的數(shù)值范圍為0.920～0.992MPa ，平均值為 0.949MPa ，標(biāo)準(zhǔn)差為0.038MPa ，變異系數(shù)為0.04；泊松比的數(shù)值范圍為0.15～0.21 ，平均值為0.177，標(biāo)準(zhǔn)差為0.031，變異系數(shù)為0.172。

表5菌棒彈性模量和泊松比Tab.5Elasticmodulusand Poisson'sratio of fungus sticks

4結(jié)論

1）經(jīng)稱重，鹿茸菇菌棒平均質(zhì)量為 738g ，平均含水率為 56.11% ；利用排沙法測(cè)得鹿茸菇菌棒的平均密度為 0.652g/cm³ 。

2）利用實(shí)驗(yàn)室自制斜面儀和相機(jī)測(cè)定菌棒一橡膠層的靜摩擦系數(shù)為0.701，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.284；菌棒一不銹鋼的靜摩擦系數(shù)為0.755，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.481；利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)和夾具測(cè)得菌袋黏附強(qiáng)度為 1.11～1.44kPa ，平均值為 1.273kPa ，標(biāo)準(zhǔn)差為0.165kPa ，變異系數(shù)為0.13，黏附強(qiáng)度分布較為集中。

3）利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)和夾具測(cè)得鹿茸菇菌棒在加載速度為 10mm/min 時(shí)彈性模量為 0.920～ 0.992MPa ，平均值為 0.949MPa ，標(biāo)準(zhǔn)差為0.038MPa ，變異系數(shù)為0.04；泊松比為 0.15～0.21 ，平均值為0.177，標(biāo)準(zhǔn)差為0.031，變異系數(shù)為0.172。以上數(shù)據(jù)可為鹿茸菇菌棒脫袋裝備及其他相關(guān)設(shè)備的研發(fā)與仿真優(yōu)化提供參考。

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