菌草茎秆剪切力学特性试验与分析

梅方炜 郑书河

摘要：[目的]为解决现有菌草收获及加工设备在使用过程中容易出现品种间适应性差和切割效率低等问题，迫切需要对菌草茎秆剪切力学特性进行深入研究。[方法]利用万能试验机对菌草茎秆进行剪切试验，研究生长期、品种和茎秆高度等影响因素对剪切强度和比剪切能的影响程度以及不同条件下菌草茎秆的剪切力学性能变化规律。[结果]不同品种菌草茎秆在剪切试验中破裂所产生的受力载荷

位移曲线相似，可分为4个不同的阶段：近似线性增长阶段、振荡变化阶段、近似指数增加阶段、失效破坏阶段;茎秆剪切特性受品种和茎秆高度的影响极显著（P<0.01）;生长期对茎秆剪切特性的影响不显著（P>0.05）;各因素对菌草茎秆剪切强度影响的主次顺序是品种>茎秆高度>生长期，对比剪切能的影响主次顺序为茎秆高度>品种>生长期。[结论]不同品种菌草间剪切力学特性差异显著，其中巨菌草抗剪能力最强，以巨菌草的剪切性能作为参考设计菌草后处理设备，有利于提高设备品种间适应性和切割效率。

关键词：菌草;茎秆;剪切强度;比剪切能;剪切试验

中图分类号：0331文献标志码：A 文章编号：1008-0384（2020）03-0344-07

0 引言

（研究意义）菌草（Juncao）为多年生禾本科草本植物，在食用菌培养基基料、畜禽鱼类饲料、生物质能开发和生态治理等方面具有综合利用开发价值。收获作业是菌草生产过程中的重要环节，对于菌草茎秆的收获、粉碎相关作业机具的研究来说，研究讨论菌草茎秆的力学特性具有重要意义。通过准确评价不同品种、生长期和茎秆高度的菌草茎秆剪切特性，可为设计通用性好、高效节能的作业设备提供理论支持。（前人研究进展）为指导茎秆收获作业装备的设计，国内外学者自20世纪60年代就开始研究植物茎秆的剪切特性。李玉道等通过对不同时期和含水率下棉花茎秆的剪切特性进行试验，表明棉花茎秆的最佳收获期为12月中下旬，可降低16.4%的剪切功;Kamandar等通过对不同条件下女贞茎的剪切试验，发现茎秆高度和加载速度对剪切能耗和抗剪强度的影响显著;赵春花等测得4个品种豆禾牧草的剪切最大载荷、应力、应变等力学指标，结果表明豆禾牧草茎秆剪切强度均随茎秆直径的增大有减小趋势;Amirian等研究了茎部高度对鹰嘴豆茎的影响，发现剪切应力和比剪切能随茎秆高度的降低而增加;Shimeshan等研究表明油菜品种是影响其茎秆抗剪强度的重要因素，收获时间在油菜生产中具有重要意义。（本研究切人点）目前有关不同品种菌草间茎秆剪切力学特性的研究还鲜有报道。本文借鉴棉花、玉米、水稻和甘蔗等茎秆作物剪切力学特性分析方法，以剪切强度和比剪切能为评价指标，对不同品种菌草茎秆进行剪切试验。（拟解决的关键问题）通过分析不同品种、生长期和茎秆高度对菌草茎秆剪切力学特性的影响，为菌草不同种植品种作业设备刀具的适配、最佳收獲生长期和切割位置的选择，以及精准收获粉碎作业机械设备的研发提供参考。

1材料与方法

1.1 试验原料与设备

本试验材料选自国家菌草工程技术研究中心种植基地，选取主要种植的3种菌草：巨菌草（GiantJtmcao，G）、象草（Pennisetumpurpureum，PE）和绿洲一号（LtizhouNo.1，L），生长期为拔节期（Jointingstage，JS）和成熟期（Maturation stage，MS）。种植时间为2017年12月份，采样时间为2018年6月和12月。选取表面通直、无病虫害、生长良好的植株，将茎秆分节并按节间标号分段装入密封袋中，放人低温保存箱中冷藏。菌草茎秆直径由基部向顶部逐渐减小，由于截面积的变化，茎秆在不同的高度表现出不同的力学性能，因此依据编号将茎秆平均分为3个高度区域：基部、中部、顶部。每次试验取样后，在常温中静置0.5h.

试验设备：新三思微机控制电子万能试验机CMT6104（最大载荷为20kN）;低温保存箱HYCD-282A;数显游标卡尺（精度为0.01g）以及实验室常用工具。

1.2 试验方法

剪切试验参照国家标准，试样尺寸为50mm×5mm×tmm（长×宽×试件厚）。3种菌草茎秆的结构如图1，巨菌草和象草茎秆中的髓部质地疏松似海绵体，取髓部进行前期力学试验，结果如图2，茎秆髓部承受载荷能力远小于韧皮部，可忽略。

采用自制专用剪切夹具对试样进行静态载荷下的剪切试验，剪切原理如图3示。试验过程中万能试验机自动记录加载变化情况，生成载荷与位移曲线，当试样被切断，载荷发生突变时，机器自动停止并记录下数据。每节茎秆采用3个试样最大载荷的平均值作为数据。菌草茎秆的剪切强度L根据式

1.3 数据处理

采用SPSS 24.0版本软件对数据平均值进行多因素方差分析（ANOVA）和Duncan多重范围检验。

2 结果与分析

2.1 剪切过程中载荷一位移曲线特点

按照试验方案对剪切试样进行试验，得到载荷与位移曲线。图4为3个品种菌草韧皮部的载荷与位移曲线，比较图4可知3种品种菌草韧皮部所得的曲线均表现为非线性特征，且特征类似。韧皮部的剪切过程可分为4个不同的阶段。曲线的第一阶段为近似线性增长阶段，载荷随着位移近似线性的增加。第二阶段为振荡变化阶段，曲线在这一阶段随着位移的增加，具有振荡波动的特征，位移增长比载荷快，载荷处于缓慢增加的过程。第三阶段为近似指数增加阶段，载荷随位移的增加迅速增加，并达到载荷的最大值。第四阶段为失效破坏阶段，载荷随位移的增加迅速降低，曲线在试样被完全切断时结束。

2.2 剪切强度

试验测定了试样的最大载荷，由式（1）可得试样的剪切强度，求出均值。表1中C代表品种，S代表茎秆高度，GS代表生长期。不同品种菌草茎秆剪切试验结果均值的方差分析如表1所示。参照F值可知，各因素对菌草茎秆剪切强度的影响的主次顺序是：品种、茎秆高度、生长期。品种和茎秆高度对茎秆剪切性能的影响见表2.

2.2.1 品种对剪切强度的影响 菌草茎秆的剪切强度是指菌草韧皮部抵抗切断的能力。由表1可知品种对剪切强度有极显著影响（P<0.01）。表2显示不同品种菌草之间剪切强度差异较大，剪切强度由大到小依次是巨菌草、绿洲一号、象草，分别为30.48、24.68、18.85MPa.不同品种菌草在相同生长期剪切强度的比较如图5所示，这也验证了表2的结果。3种菌草的剪切强度范围为15.66～35.50MPa，剪切强度最高发生在巨菌草拔节期的基部。

2.2.2生长期对剪切强度的影响 由表1可知生长期对剪切强度并无显著影响。图6为不同生长期菌草茎秆剪切强度的比较。可以看出，除了巨菌草顶部的剪切强度有明显差异外，其他品种不同生长期的剪切强度基本一致。菌草的韧皮部由表皮和木质部组成，由于表皮厚度很小，因此影响剪切强度的主要因素为茎秆的木质化程度。在拔节期和成熟期，巨菌草的剪切强度由基部向顶部逐渐减小，而象草和绿洲一号的剪切强度基本不变，其原因可能是象草和绿洲一号整体的木质化程度相同，而巨菌草茎秆不同高度木质化程度差异明显。

2.2.3 茎秆高度对剪切强度的影响 由表1可知茎秆高度对剪切强度有极显著影响（P<0.01）。由Duncan多重范围检验可知，不同茎秆高度的剪切强度完全不同，但基部和中部差异较小，顶部对剪切强度影响明显。其原因可能是：菌草茎秆中化学成分主要为木质纤维素，木质纤维素含量越高，抗剪能力越强，但植物茎秆的顶部区域往往具有的纤维素含量最低，因此对顶部剪切强度影响最明显。

2.3 比剪切能

试验测定了试样的最大剪切力，由式（2）可得试样的比剪切能。由表1可知各因素对菌草茎秆比剪切能的影响的主次顺序是：茎秆高度、品种、生长期。表3为不同菌草在不同生长期茎秆的比剪切能。

2.3.1 品种对比剪切能的影响 菌草茎秆的比剪切能是指切断单位面积试样所需的能量，影响比剪切能的主要因素为茎秆的厚度和木质化的程度。由表1可知品种对比剪切能有显著影响（P<0.01）。由表2可看出，象草的比剪切能最小，巨菌草和绿洲一号的比剪切能相近，分别为象草的1.27和1.31倍。由表3可知：巨菌草、象草和绿洲一号的比剪切能分别为21.63～38.78mJ·mm^-2、18.56～30.70mJ·mm^-2、27.57～41.42mJ·mm^-2。比剪切能最大出现在绿洲一号成熟期的基部（41.42mJ·mm^-2），是最小象草成熟期顶部（18.56mJ·mm^-2）的2.23倍。

2.3.2生长期对比剪切能的影响 由表1可知生长期对比剪切能并無显著影响。由表3可知巨菌草和绿洲一号成熟期的比剪切能比拔节期高，而象草是拔节期比成熟期高。并且由图6可知象草在拔节期的剪切强度也略高于成熟期。分析其原因可能由于象草进入成熟期后直径增大，内部组织结合变得疏松，因此抵抗剪切的能力变弱了。从节能的角度看，在生产实践中，了解菌草各生长期的比剪切能，结合生长期内菌草的单位生物量，有助于选取合适的收获期。

2.3.3 茎秆高度对比剪切能的影响 由表1知茎秆高度对比剪切能有显著影响（P<0.01）。表2显示不同茎秆高度之间比剪切能差异较大，比剪切能由大到小依次是基部（34.22mJ·mm^-2）、中部（27.78mJ·mm^-）、顶部（24.43mJ·mm^-2），即剪下单位面积的菌草茎秆基部所消耗的能量比中部和顶部分别高27%和40%，其原因可能由于植物不同茎秆高度的纤维素含量分布不均，导致比剪切能从基部往顶部逐渐降低。

3讨论与结论

本研究通过对3种菌草茎秆进行剪切力学性能试验，分析茎秆剪切过程中力学行为特性和剪切强度、比剪切能随品种、生长期、茎秆高度等试验因素的变化规律。

在相同的加载速度下，3种菌草茎秆在剪切过程中的载荷一位移行为均表现为非线性特征，且具有相似的损伤失效过程，均可分为4个不同的破坏阶段，近似线性增长阶段、振荡变化阶段、近似指数增加阶段、失效破坏阶段，说明这3种菌草茎秆的剪切损伤破坏机理可能类似，这与宗望远等对棉秆进行剪切试验的试验结果相近，其原因或许是它们茎秆中纤维的体积分数与组织结构较为接近。

不同品种间菌草茎秆的剪切力学性能存在显著差异：菌草茎秆的剪切强度和比剪切能分别为15.66～35.50MPa，18.56～41.42mJ·mm^-2;菌草茎秆剪切特性受品种和茎秆高度的影响显著（P<0.01）;相同生长期内茎秆外径为巨菌草>绿洲一号>象草，剪切强度分别为30.48、24.68、18.85MPa，因此实际生产中象草更易收获;菌草茎秆的剪切强度随着茎秆高度的增加而逐渐减小，这与李耀明等对玉米茎秆的研究结果一致;切断单位面积的菌草茎秆基部所消耗的能量比中部和顶部分别高27%和40%，这一结果与李小城等对小麦茎秆剪切力学性能测试的结果基本一致，进行切割粉碎设计时应以基部参数为参考;不同生长期菌草的剪切性能无显著差异（P>0.05），收获时可结合各生长期内菌草的单位生物量合理选择收获期;影响剪切强度和比剪切能的因子依次分别是：品种>茎秆高度>生长期，茎秆高度>品种>生长期。

本文所获得的菌草剪切力学参数，对菌草收获、粉碎装置的结构设计与参数优化等具有一定的实际指导意义，为建立菌草茎秆的剪切力学模型进行菌草茎秆的切割理论研究提供了依据。今后将在这一基础上进行菌草茎秆切割试验的微观试验，全面深入探讨其在切割过程中的微观损伤模式与破坏机理。