菌草莖稈剪切力學特性試驗與分析

梅方煒 鄭書河

摘要：[目的]為解決現有菌草收獲及加工設備在使用過程中容易出現品種間適應性差和切割效率低等問題，迫切需要對菌草莖稈剪切力學特性進行深入研究。[方法]利用萬能試驗機對菌草莖稈進行剪切試驗，研究生長期、品種和莖稈高度等影響因素對剪切強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性能變化規律。[結果]不同品種菌草莖稈在剪切試驗中破裂所產生的受力載荷

位移曲線相似，可分為4個不同的階段：近似線性增長階段、振蕩變化階段、近似指數增加階段、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為莖稈高度>品種>生長期。[結論]不同品種菌草間剪切力學特性差異顯著，其中巨菌草抗剪能力最強，以巨菌草的剪切性能作為參考設計菌草后處理設備，有利于提高設備品種間適應性和切割效率。

關鍵詞：菌草;莖稈;剪切強度;比剪切能;剪切試驗

中圖分類號：0331文獻標志碼：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，在食用菌培養基基料、畜禽魚類飼料、生物質能開發和生態治理等方面具有綜合利用開發價值。收獲作業是菌草生產過程中的重要環節，對于菌草莖稈的收獲、粉碎相關作業機具的研究來說，研究討論菌草莖稈的力學特性具有重要意義。通過準確評價不同品種、生長期和莖稈高度的菌草莖稈剪切特性，可為設計通用性好、高效節能的作業設備提供理論支持。（前人研究進展）為指導莖稈收獲作業裝備的設計，國內外學者自20世紀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期和含水率下棉花莖稈的剪切特性進行試驗，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，發現莖稈高度和加載速度對剪切能耗和抗剪強度的影響顯著;趙春花等測得4個品種豆禾牧草的剪切最大載荷、應力、應變等力學指標，結果表明豆禾牧草莖稈剪切強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，發現剪切應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度的重要因素，收獲時間在油菜生產中具有重要意義。（本研究切人點）目前有關不同品種菌草間莖稈剪切力學特性的研究還鮮有報道。本文借鑒棉花、玉米、水稻和甘蔗等莖稈作物剪切力學特性分析方法，以剪切強度和比剪切能為評價指標，對不同品種菌草莖稈進行剪切試驗。（擬解決的關鍵問題）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特性的影響，為菌草不同種植品種作業設備刀具的適配、最佳收獲生長期和切割位置的選擇，以及精準收獲粉碎作業機械設備的研發提供參考。

1材料與方法

1.1 試驗原料與設備

本試驗材料選自國家菌草工程技術研究中心種植基地，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），生長期為拔節期（Jointingstage，JS）和成熟期（Maturation stage，MS）。種植時間為2017年12月份，采樣時間為2018年6月和12月。選取表面通直、無病蟲害、生長良好的植株，將莖稈分節并按節間標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出不同的力學性能，因此依據編號將莖稈平均分為3個高度區域：基部、中部、頂部。每次試驗取樣后，在常溫中靜置0.5h.

試驗設備：新三思微機控制電子萬能試驗機CMT6104（最大載荷為20kN）;低溫保存箱HYCD-282A;數顯游標卡尺（精度為0.01g）以及實驗室常用工具。

1.2 試驗方法

剪切試驗參照國家標準，試樣尺寸為50mm×5mm×tmm（長×寬×試件厚）。3種菌草莖稈的結構如圖1，巨菌草和象草莖稈中的髓部質地疏松似海綿體，取髓部進行前期力學試驗，結果如圖2，莖稈髓部承受載荷能力遠小于韌皮部，可忽略。

采用自制專用剪切夾具對試樣進行靜態載荷下的剪切試驗，剪切原理如圖3示。試驗過程中萬能試驗機自動記錄加載變化情況，生成載荷與位移曲線，當試樣被切斷，載荷發生突變時，機器自動停止并記錄下數據。每節莖稈采用3個試樣最大載荷的平均值作為數據。菌草莖稈的剪切強度L根據式

1.3 數據處理

采用SPSS 24.0版本軟件對數據平均值進行多因素方差分析（ANOVA）和Duncan多重范圍檢驗。

2 結果與分析

2.1 剪切過程中載荷一位移曲線特點

按照試驗方案對剪切試樣進行試驗，得到載荷與位移曲線。圖4為3個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為非線性特征，且特征類似。韌皮部的剪切過程可分為4個不同的階段。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增加階段，載荷隨位移的增加迅速增加，并達到載荷的最大值。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結束。

2.2 剪切強度

試驗測定了試樣的最大載荷，由式（1）可得試樣的剪切強度，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結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 品種對剪切強度的影響 菌草莖稈的剪切強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度差異較大，剪切強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度的比較如圖5所示，這也驗證了表2的結果。3種菌草的剪切強度范圍為15.66～35.50MPa，剪切強度最高發生在巨菌草拔節期的基部。

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

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

2.3 比剪切能

試驗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期高，而象草是拔節期比成熟期高。并且由圖6可知象草在拔節期的剪切強度也略高于成熟期。分析其原因可能由于象草進入成熟期后直徑增大，內部組織結合變得疏松，因此抵抗剪切的能力變弱了。從節能的角度看，在生產實踐中，了解菌草各生長期的比剪切能，結合生長期內菌草的單位生物量，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，導致比剪切能從基部往頂部逐漸降低。

3討論與結論

本研究通過對3種菌草莖稈進行剪切力學性能試驗，分析莖稈剪切過程中力學行為特性和剪切強度、比剪切能隨品種、生長期、莖稈高度等試驗因素的變化規律。

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為非線性特征，且具有相似的損傷失效過程，均可分為4個不同的破壞階段，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理可能類似，這與宗望遠等對棉稈進行剪切試驗的試驗結果相近，其原因或許是它們莖稈中纖維的體積分數與組織結構較為接近。

不同品種間菌草莖稈的剪切力學性能存在顯著差異：菌草莖稈的剪切強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）;相同生長期內莖稈外徑為巨菌草>綠洲一號>象草，剪切強度分別為30.48、24.68、18.85MPa，因此實際生產中象草更易收獲;菌草莖稈的剪切強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%，這一結果與李小城等對小麥莖稈剪切力學性能測試的結果基本一致，進行切割粉碎設計時應以基部參數為參考;不同生長期菌草的剪切性能無顯著差異（P>0.05），收獲時可結合各生長期內菌草的單位生物量合理選擇收獲期;影響剪切強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參數，對菌草收獲、粉碎裝置的結構設計與參數優化等具有一定的實際指導意義，為建立菌草莖稈的剪切力學模型進行菌草莖稈的切割理論研究提供了依據。今后將在這一基礎上進行菌草莖稈切割試驗的微觀試驗，全面深入探討其在切割過程中的微觀損傷模式與破壞機理。