脫袋轉色期香菇菌棒物理力學特性研究*

馬士鑫，宋衛東，丁天航，王明友，吳耀東，周德歡

(1. 農業農村部南京農業機械化研究所,南京市,210014; 2. 江蘇云馬農機制造有限公司,江蘇鹽城,224100)

0 引言

我國是世界上最大的香菇出口國[1],香菇年出口量已達到7.2萬噸,創匯高達13.59億美元[2]。由于新鮮或冷藏香菇不易儲存運輸,香菇出口主要以干香菇為主[3]。近幾年為了滿足國外市場對鮮香菇的巨大需求和增大外匯創收,國內菌棒企業創制了國內養菌境外基地出菇、多元化銷售為一體的產業鏈式經營模式。出口型香菇菌棒多采用單層低壓聚乙烯薄膜袋作容器,待轉色完成、脫離菌袋后,裝箱冷藏出口[4]。但是,香菇菌棒脫袋裝備研發還處于初級階段,目前主要以人工脫離菌袋為主,人工脫離菌袋存在勞動強度大、成本高、效率低等問題,嚴重制約著我國香菇菌棒出口產業的發展。雖然,科研院所和個人申請了一些專利[5-8],但僅僅處于理論研究設計階段,存在破袋技術落后、脫袋成功率低等問題,并沒有進行量產、大面積推廣使用。

了解脫袋轉色期香菇菌棒物理力學特性對于提高破袋質量和脫袋效率有至關重要的作用。目前,郭穎杰等[9-11]對木耳菌棒和杏鮑菇廢菌棒的力學性能進行了研究,驗證了廢菌棒含水率和抗壓強度、剪切強度的內在關系。至今尚未見有關脫袋轉色期香菇菌棒物理力學特性的研究文獻。

因此,本文以“滬香F2”脫袋轉色期香菇菌棒為研究對象,根據仿真需求并結合實際試驗條件,開展其物理力學特性的試驗研究,獲得香菇菌棒密度、摩擦系數、菌袋粘附強度、菌種撕脫力、徑向抗壓強度、彈性模量以及泊松比等物理力學特性參數,為研發和優化香菇菌棒脫袋裝備提供仿真數據支撐和理論支持,以期提高破袋質量和脫袋效率。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗以出口型“滬香F2”香菇菌棒為試驗對象,樣本取自山東某生物科技有限公司。該公司采用機械化制棒,從而保證了菌棒的一致性。脫袋轉色期出口型香菇菌棒平放在培養庫養菌轉色時,由于同時受到重力和菌袋約束的作用,菌棒橫截面呈現出近似橢圓的形狀。脫袋轉色期香菇菌棒質量為[1 624 g, 1 709 g],平均值為1 666 g;長度為[396 mm, 402 mm],平均值為399 mm;橢圓截面長軸為[94.03 mm, 97.96 mm],平均值為95.69 mm;短軸為[84.34 mm, 89.11 mm],平均值為86.36 mm。接種口數量為4,直徑為25 mm,深度為20 mm,孔距為90 mm,第4接種口距底部邊緣為50 mm。試驗測得的香菇菌棒平均含水率:65.19 %(濕基含水率)。

1.2 試驗儀器及裝置

衡正電子天平(型號FA2004,量程200 g,精度0.000 1 g),雙杰電子天平(型號TC6KA,量程6 000 g,精度1 g),量筒(量程100 mL,精度1 mL),美耐特數顯式游標卡尺(量程150 mm,精度0.01 mm),實驗室自制斜面儀,三思縱橫電子萬能試驗機(型號UTM6503,精度等級0.5,最大試驗力5 kN),FASTEC高速攝像機(型號HiSpec5,最大幀率298 851 fps),美工刀,鋼鋸,東興PP、PE塑料膠(粘度675 Pa·s,初步固化時間5～8 min,剝離強度25 MPa,抗拉強度1 080 MPa)。

1.3 試驗方法

1.3.1 香菇菌棒密度測定

通過預試驗發現,菌棒的密度小于一般液體的密度,因此采用排沙法測量菌棒密度。選擇大小合適且能浸入量筒的菌棒試樣,稱重記錄為M;向量筒中注入一定量的細沙,記錄體積為V1;將稱重后的菌棒試樣放入量筒中,震蕩直至細沙將菌棒試樣完全浸沒,讀取體積為V2。重新標定量筒后,重復進行10次菌棒試樣密度的測定。

式中:M——能浸入量筒的菌棒試樣質量,g;

V1——未浸入菌棒試樣細沙的體積,cm3;

V2——浸入菌棒試樣后的體積,cm3;

ρ——菌棒密度,g/cm3。

1.3.2 香菇菌棒摩擦系數測定

1) 靜摩擦系數測定。試驗采用斜面滑動法測定香菇菌棒—菌袋和香菇菌棒—65Mn彈簧鋼間的靜摩擦系數。根據測量原理自制的摩擦系數測定斜面儀由鋼板斜面和數顯角度測量儀組成。將尺寸合適的菌袋粘貼在鋼板上來測定香菇菌棒-菌袋間的靜摩擦系數。如圖1所示,將鋼板緩慢提升,隨著鋼板傾角的增大,觀察到香菇菌棒試樣有沿斜面下滑時記錄數顯角度測量儀示數,記為θ,此時的香菇菌棒試樣受力如式(2)所示,化簡得到靜摩擦系數關于傾角θ的表達式如式(3)所示。

圖1 摩擦系數測定示意圖Fig. 1 Schematic diagram of friction coefficient measurement

mgsinθ-μsmgcosθ=0

(2)

μs=tanθ

(3)

式中:m——香茹菌棒試樣的質量,g;

μs——靜摩擦系數。

2) 動摩擦系數測定。動摩擦系數測定同樣采用斜面滑動法,同時配合有FASTEC高速攝像機。試驗過程中全程采用LED補光燈進行補光,每秒采集1 000張圖像,即每一幀圖像的時間間隔為1 ms。如圖2所示,選取連續相同時間間隔的三幀圖像使之重合疊加,通過坐標紙算出其位移差。由式(4)和式(5)可計算出菌棒試樣滑動的加速度。

圖2 香菇菌棒動摩擦系數的測定Fig. 2 Determination of dynamic friction coefficient of Shiitake spawn sticks

Δx=x2-x1=at2

(4)

a=Δx/t2

(5)

式中:a——菌棒試樣在斜面上的加速度,m/s2;

Δx——位移差,m;

t——間隔時間,s。

對斜面上滑動的菌棒試樣進行受力分析得到式(6),化簡得到菌棒試樣加速度、斜面儀傾角與動摩擦系數之間的關系式(7),將相關參數代入后即可得出試樣在菌袋和65Mn彈簧鋼上的動摩擦系數μk。

mgsinθ-μkmgcosθ=ma

(6)

(7)

1.3.3 菌袋粘附強度測定

香菇菌袋粘附強度是指菌袋附著于菌棒表面的能力,采用UTM6503型電子萬能試驗機和實驗室自制的拉伸夾具進行拉伸試驗測定。試驗方法:首先使用幾乎無彈性的麻繩將自制拉伸夾具上端固定在萬能試驗機測力傳感器上,然后將東興PP、PE塑料膠均勻涂抹于自制拉伸夾具內弧面,并將其貼合于菌袋,待固化15 min后使用美工刀沿自制拉伸夾具邊緣切開菌袋,以2 mm/min的速度進行拉伸,直至兩者分離開。選取8個約等于平均尺寸的香菇菌棒進行8次拉伸試驗。

為進一步得到菌袋與菌棒的粘附強度,需對自制拉伸夾具進行受力分析,以菌棒橢圓截面原點為坐標原點建立坐標系,使得橢圓截面兩焦點位于x軸,橢圓長半軸為r1,短半軸為r2。過短半軸點(0,r1)作菌棒橢圓截面的曲率圓,由式(8)[12-13]可計算此曲率圓半徑R為53.01 mm。受力如圖3所示。

圖3 受力分析Fig. 3 Force analysis

(8)

其中,自制拉伸夾具弧度角為π/6,內半徑為曲率半徑R,寬度w為25 mm,厚度δ為5 mm,設菌袋粘附強度為p,則自制拉伸夾具各面積微元wRdφ所對應的粘附力F′a在y軸方向上的合力為Fa,其計算公式如式(9)所示。

(9)

依據平衡力原理可得

F1=Fa

(10)

式中:F1——拉伸載荷,N。

由式(9)和式(10)可得菌袋粘附強度

(11)

1.3.4 菌種撕脫力測定

菌種的撕脫力是指將菌種從菌棒接種口中撕脫出來所需要的最大瞬時力。測定方法:首先,依據菌種的尺寸,使用美工刀將菌袋裁切成寬30 mm、長200 mm的矩形,此矩形菌袋的對稱中心點與菌種圓心點重合;然后,將矩形菌袋兩端固定于UTM6503型電子萬能試驗機的夾具上,以10 mm/min的速度進行撕脫,直至兩者脫離開。最終選取15組數據進行分析。

1.3.5 香菇菌棒徑向壓縮試驗方法

采用軸向壓縮是測定圓柱形試樣彈性模量和泊松比的常用試驗方法[14],但由于菌棒橫截面是一種類似橢圓的形狀,在經受軸向載荷時,各個方向的橫向應變并不相同,因此本試驗采用徑向壓縮試驗方法測定香菇菌棒的彈性模量和泊松比。

使用鋼鋸對香菇菌棒進行取樣,所取試樣均保證避開接種口,且試樣無破損點和裂口點。選取16個長為[47.41, 65.39]mm,端面尺寸為材料自身尺寸的橢圓柱菌棒試樣進行徑向壓縮試驗。固定好FASTEC高速攝像機的位置并調整好焦距,試驗過程中全程使用補光燈進行補光,每秒采集5張圖像。

設置電子萬能試驗機的壓向移動速度為10 mm/min。確保電子萬能試驗機上移動鋼板與試樣接觸后開始對第一組8個橢圓柱菌棒試樣進行加載試驗。試驗結束后導出電子萬能試驗機記錄的力與位移原始數據,并對采集圖像進行處理,以獲得橢圓柱菌棒試樣長軸真實延伸變形量。

香菇菌棒徑向抗壓強度[15]計算如式(12)所示。

(12)

式中:σ——菌棒徑向抗壓強度,kPa;

l——菌棒試樣長度,mm;

F2——最大壓載荷,N。

生物材料在平板之間受徑向壓縮時的泊松比和彈性模量的計算公式為[16]

(13)

(14)

(15)

λ=ln(Z)-1/2

(16)

式中:ν——菌棒試樣泊松比;

V——菌棒試樣徑向壓縮后長軸變形量,mm;

W——菌棒試樣徑向壓縮后短軸彈性變形量,mm;

E——菌棒彈性模量,MPa;

P——單位菌棒長度所受壓載荷,N/mm。

由于泊松比是一個彈性常數,因此在計算泊松比時只能采用長軸的延伸變形和短軸壓縮變形的彈性部分。短軸壓縮變形的彈性部分

2W=βD

(17)

式中:β——短軸彈性變形程度;

D——短軸總壓縮變形量,mm。

由于菌棒試樣卸載松弛后長軸與原值無明顯差異,因此認為由于施加的壓縮載荷所引起長軸的延伸變形是完全彈性的。為確定短軸彈性變形程度,對第二組8個橢圓柱菌棒試樣進行加卸載試驗。在卸載之前,將每個試樣加載至彈性變形范圍。典型的加卸載曲線如圖4所示。彈性程度β計算如式(18)所示。

圖4 典型的徑向加載和卸載曲線Fig. 4 Typical radial loading and unloading curves

β=AB/OB

(18)

計算得彈性程度平均值為β為0.37,此值可用于后續計算。

2 結果與分析

2.1 香菇菌棒密度

通過排沙法對能完全浸入量筒的10個菌棒試樣進行密度測量,數據如表1所示。由表1可知:“滬香F2”脫袋轉色期香菇菌棒密度為[0.59, 0.72]g/cm3,平均值為0.64 g/cm3。

表1 香菇菌棒密度Tab. 1 Shiitake spawn stick density

2.2 香菇菌棒摩擦系數

2.2.1 靜摩擦系數

本試驗測定了“滬香F2”脫袋轉色期香菇菌棒對于菌袋和65Mn彈簧鋼的靜摩擦系數,共準備了10個香菇菌棒試樣,為了減小隨機誤差,每個菌棒試樣進行3次重復試驗,計算其平均值,每種接觸材料各進行30次試驗。香菇菌棒—菌袋和香菇菌棒—65Mn彈簧鋼的靜摩擦系數平均值分別為0.57和0.65。

2.2.2 動摩擦系數

由靜摩擦系數測定可知,菌棒試樣在菌袋和65Mn彈簧鋼上滑動的臨界角度分別為30°和33°,故將菌棒試樣放在摩擦系數測定斜面儀上,分別以35°、40°、45°和40°、45°、40°傾角測定菌棒—菌袋和菌棒—65Mn彈簧鋼的動摩擦系數,試驗共測定5個菌棒試樣。

香菇菌棒—菌袋和香菇菌棒—65Mn彈簧鋼的動摩擦系數測量數據及分析結果如表2所示。由表2可知,香菇菌棒-菌袋的動摩擦系數為[0.430, 0.533],平均值為0.485,標準差為0.039,變異系數為0.083;香菇菌棒—65Mn彈簧鋼的動摩擦系數為[0.544, 0.626],平均值為0.584,標準差為0.025,變異系數為0.044。變異系數均較小,表明樣本數據之間離散程度較小,數據可靠性程度高。

表2 動摩擦系數Tab. 2 Dynamic friction coefficient

2.3 菌袋粘附強度

繪制拉伸載荷—位移曲線如圖5所示,粘附強度計算及分析結果如表3所示。

圖5 菌袋拉伸載荷—位移曲線Fig. 5 Strain load-displacement curve of the Shiitake spawn bag

表3 香菇菌袋粘附強度Tab. 3 Adhesion strength of Shiitake spawn bag

由圖5與表3可知,菌袋粘附強度為[0.89,1.21]kPa,平均值為1.01 kPa,標準差為0.11 kPa,粘附強度分布較為集中。

2.4 菌種撕脫力

試驗測得菌種撕脫力為[20.94, 31.99]N,平均值為25.69 N,標準差為4.22 N,變異系數為0.16,菌種撕脫力和其離散程度均較大,這是因為在菌種撕脫的過程中會出現兩種不同的脫出模式:一種為完全脫出模式,即菌種在撕脫的過程中不發生斷裂被整個脫出;另一種為斷裂脫出模式,即菌種在撕脫的過程中發生局部斷裂,一半菌種被脫出,一半菌種殘留在接種口內,其典型的菌種脫出截面及撕脫曲線如圖6和圖7所示。

(a) 完全脫出截面

圖7 香菇菌種典型撕脫曲線Fig. 7 Typical avulsion curve of Shiitake spawn

在生產實踐中發現,接種口內殘留的松散菌種暴露在潮濕的空氣中易感染雜菌從而污染整個菌棒。依據菌種撕脫試驗結果,建議香菇菌棒脫袋裝備中添加菌種去除工位,在脫袋工序之前將4個接種口中的菌種銑除,不僅能避免菌棒遭受雜菌污染,還能減少菌種撕脫過程中菌棒固定裝置的使用。

2.5 香菇菌棒徑向壓縮試驗結果與分析

通過香菇菌棒壓縮試驗計算泊松比需要獲得菌棒長軸方向真實延伸應變,因此圖像的預處理非常關鍵。在試驗之前,應用哈爾濱量具刃具廠生產的20 mm量塊進行標定,得知本次試驗的比例因數:水平方向為0.029 89,豎直方向為0.029 15,單位為mm/(像素)個。

以10 mm/min的壓向速度對香菇菌棒試樣進行徑向壓縮試驗,香菇菌棒徑向壓力—位移曲線如圖8所示,試驗數據如表4所示。根據圖8和表4,計算得香菇菌棒徑向抗壓強度為[39.57, 48.60]kPa,平均值為44.86 kPa,標準差為2.60 kPa,變異系數為0.06;彈性模量為[0.41, 0.50]MPa,平均值為0.48 MPa,標準差為0.04 MPa,變異系數為0.09;泊松比為[0.14, 0.20],平均值為0.17,標準差為0.02,變異系數CV為0.12。變異系數均較小,表明樣本數據之間離散程度較小,數據可靠性程度高。

圖8 徑向壓縮壓力—位移曲線Fig. 8 Pressure-displacement curve of radial compression

表4 香菇菌棒徑向壓縮試驗數據Tab. 4 Radial compression test data of Shiitake spawn sticks

3 結論

1) 脫袋轉色期香菇菌棒平均質量為1 666 g,長度為399 mm,橢圓截面長軸為95.69 mm,短軸為86.36 mm,濕基含水率為65.19%;利用排沙法測定脫袋轉色期香菇菌棒的密度為0.64 g/cm3。該研究結論可以為香菇菌棒脫袋裝備仿真優化提供參考。

2) 利用斜面儀和高速攝像機測定香菇菌棒—菌袋和香菇菌棒—65Mn彈簧鋼的動摩擦系數分別為0.485和0.584;利用電子萬能試驗機和試驗自制拉伸夾具測定得菌袋粘附強度為[0.89, 1.21]kPa,平均值為1.01 kPa,標準差為0.11 kPa,粘附強度分布較為集中。

3) 利用電子萬能試驗機和夾具測定菌種撕脫力為[20.94, 31.99]N,平均值為25.69 N,標準差為4.22 N,變異系數為0.16,菌種撕脫力和其離散程度均較大,建議香菇菌棒脫袋裝備添加菌種去除工位,在脫袋工序之前將4個接種口中的菌種銑除,不僅能避免菌棒遭受雜菌污染,還能減少菌種撕脫過程中菌棒固定裝置的使用。

4) 利用電子萬能試驗機對脫袋轉色期香菇菌棒進行徑向壓縮試驗測定,結合理論計算得出香菇菌棒加載速度為10 mm/min時,徑向抗壓強度為[39.57, 48.60]kPa,平均值為44.86 kPa,標準差為2.60 kPa,變異系數為0.06;彈性模量為[0.41, 0.5]MPa,平均值為0.48 MPa,標準差為0.04 MPa,變異系數為0.09;泊松比為[0.14, 0.20],平均值為0.17,標準差為0.02,變異系數為0.12。變異系數均較小,表明樣本數據之間離散程度較小,數據可靠性程度高。