袋栽鹿茸菇菌棒物理力學特性研究

中圖分類號：S226.4 文獻標識碼：A 文章編號：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

數據顯示，2022年我國食用菌產量約為 4.22×10⁷ t，總產值約為 3.88×10⁷ 萬元，2023年我國食用菌產量約為 4.33×10⁷ t，總產值約為 3.96×10⁷ 萬元，產量增我國是食用菌生產大國，據中國食用菌協會最新長 2.64% ，產值增長 2.02% 。山東省作為食用菌產量領先的省份之一，省內產量超萬噸的縣（市、區）有29個，產值超億元的縣（市、區）有 23個[1.2]。由于各類菌類含有多種營養物質，國內金耳、桑黃、竹蓀等珍稀菇類的種植規模不斷發展壯大，部分品種已經實現規模化生產[3]。除國內消費外，食用菌鮮類及其干制品、罐頭等還對外出口，出口貿易整體穩中有升[4]。

伴隨著食用菌產業在我國迅速發展，食用菌廢菌棒的數量也隨之增多。廢棄菌棒的主要成分是木屑、秸稈和麥麩等，經過采收后的菌棒仍含有豐富的有機物質和多種微量元素，可用做有機肥、飼料、燃料和制作新材料等[5-7]，具有極高的循環利用價值[8]。隨意丟棄菌棒不僅會造成資源浪費，還會對土壤及周圍環境造成污染以及產生潛在的疾病傳播風險[9-11]，影響食用菌行業的可持續發展。因此，解決菌棒的回收利用問題，對菌棒進行科學、規范地利用對提高農業廢棄物的利用率、實現食用菌行業綠色發展以及環境保護方面有重要意義。

菌棒在收集后的第一個處理環節是脫袋與粉碎，這會對后續菌棒利用的效率和質量產生直接影響。目前袋栽食用菌品種在采收后的脫袋工作雖然可由機械代替，但仍需要人工投放菌袋，自動化程度較低，存在勞動強度大、成本高、效率低等問題，嚴重制約著我國食用菌工廠化生產的進一步發展。雖然有部分科研院所和個人申請了一些發明以及實用新型專利[12-14]，但大多處于理論研究設計階段，并沒有進行大面積推廣使用。

了解廢菌棒的物理力學特性對于提高脫袋機的工作質量和工作效率有至關重要的作用。目前，郭穎杰等[15]對杏鮑菇廢菌棒的力學性能進行研究，驗證含水率是影響廢菌棒抗壓強度、剪切強度的重要因素；馬士鑫等[16對脫袋轉色期的香菇菌棒進行力學特性研究，獲得了相關參數，為香菇菌棒脫袋裝備的研發提供基礎理論依據。但至今鮮有關于鹿茸菇菌棒物理力學特性的相關研究。因此，本文以采收后的袋栽鹿茸菇菌棒為研究對象，根據仿真需求并結合實際條件，對其物理力學特性展開研究，獲得鹿茸菇菌棒密度、摩擦系數、菌袋黏附強度、菌袋撕脫力等物理力學特性參數，為鹿茸菇菌棒脫袋裝備的研發提供理論支持。

1試驗材料與方法

1.1 試驗材料

以采收后的袋栽鹿茸菇菌棒為試驗對象，樣本于2024年3月1日取自山東某公司，采用機械化制棒，統一裝袋、統一制棒，保證了菌棒的一致性，如圖1所示。其每袋菌棒的干物質含量如表1所示。經查閱資料發現，菌棒成分的不同會對菌棒出菇效果產生影響，但并沒有表明其力學特性會產生變化，因此，僅針對此鹿茸菇菌棒進行力學特性研究，同時為其他類型的菌棒力學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每袋菌棒干物質含量占比情況Tab.1Proportionofdrymattercontentin each bag ofbacteria sticks

經稱重和測量后，采收后的菌棒質量為 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有水分蒸發，因此須先進行菌棒的含水率測定。通過前期試驗測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 試驗儀器

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

2 試驗方法

2.1 菌棒密度測定

通過前期試驗發現，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，采用排水法測定其密度時會因為菌棒吸水導致數據誤差較大，因此將排水法改為排沙法來測量菌棒密度。選擇大小合適的菌棒試樣稱重，記錄質量為 M ;向量筒中注入一定量的細沙，記錄細沙體積為 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沙浸沒，記錄體積為 V₁ 。每次試驗結束后重新標定量筒，重復進行10次試驗。菌棒密度 ρ 計算如式（1）所示。

2.2菌棒摩擦系數測定

菌棒摩擦系數測定分為靜摩擦系數測定和動摩擦系數測定。

1）靜摩擦系數測定。試驗采用斜面法測定菌棒一橡膠層和菌棒一不銹鋼之間的靜摩擦系數。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也會逐漸加大。當觀察到鹿茸菇菌棒試樣沿斜面下滑時分別記錄此時橡膠和鋼板與平面的夾角，記為θ ，此時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 樣品質量， g ：g 重力加速度， m/s θ 斜面傾斜角， （^°） ：μ 靜摩擦系數。

化簡后，靜摩擦系數 μ 關于斜面傾角 θ 的計算如式（3）所示。

2）動摩擦系數測定。動摩擦系數的測定同樣采用斜面法，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，并用相機拍攝試樣的下滑過程。將相同時間間隔的連續的3幀圖像重合疊加，通過坐標紙算出位移差 Δx ，由式（4）和式（5）可計算出菌棒試樣滑動的加速度 a 。

式中： t^. —試樣滑動時相同時間間隔，s;x₂ 相同時間內第二段位移， cm x₁ 相同時間內第一段位移， cm 。

圖3鹿茸菇菌棒動摩擦系數測定 Fig.3 Determination of dynamic friction coeficient of velvet mushroom stick

由圖3可知，在測定動摩擦系數時，在鋼板抬升到一定程度時，菌棒試樣會沿斜面向下滑動，由式（2）可推導得到菌棒試樣沿斜面向下滑動時的加速度 a 的公式，化簡可得到試樣加速度 ?_a 、斜面傾角 θ 與動摩擦系數 μ₁ 的關系如式（6）所示。

mgsinθ-μ₁mgcosθ=ma

化簡后可得動摩擦系數 μ₁ 的計算如式（7）所示。

2.3菌袋黏附強度及菌袋撕脫力測定

菌袋黏附強度指菌袋附著于菌棒表面的能力，采用電子萬能試驗機和夾具進行菌袋拉伸試驗測定，共準備3個菌棒，每個菌棒制樣后重復試驗，結果取平均值。首先將夾具上端固定在電子萬能試驗機測力傳感器上，然后將膠水涂抹在夾具內弧面，并將夾具與菌袋貼緊，待膠水完全風干后，用美工刀沿夾具邊緣切開菌袋，最后以 2mm/min 的速度進行拉伸，直至菌袋脫離菌棒。

為進一步得到菌袋與菌棒的黏附強度，需對夾具進行受力分析。菌棒的橫截面可近似看作圓形。以菌棒截面中心點為坐標原點建立坐標系，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力 F_a 相等，即

F₁=F_a

黏附強度 p 計算如式（9）所示。

式中： s —受力面積， mm²

菌袋的撕脫力是指對菌袋進行撕扯，直至其出現斷裂時的最大瞬時力。首先使用美工刀將菌袋裁切成長60mm 寬 30mm 的矩形；然后將菌袋兩端固定在電子萬能試驗機的夾具上，以 10mm/min 的速度對菌袋進行撕扯，至菌袋出現斷裂時停止加載；最后待試驗結束后，將電子萬能試驗機所記錄的數據導出進行分析。

2.4菌棒彈性模量和泊松比測定

在對測定試樣的彈性模量和泊松比時，多采用軸向壓縮和徑向壓縮的方式進行[17.18]。根據測得的數據，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菌棒試樣進行彈性模量和泊松比測定。

首先對鹿茸菇菌棒進行取樣，并將樣品制成條形，記錄其軸向和橫向的尺寸，利用電子方能試驗機對條形培養基進行試驗。將試樣安裝到試驗機上，確保試樣的兩端平直，并與試驗機軸線平行，設置電子萬能試驗機的移動速度為 5mm/min ，當菌棒樣品制樣出現破裂時停止加載，使用試驗機記錄其軸向形變，用游標卡尺記錄培養基在軸向開裂極限處的橫向形變，計算泊松比，結果取平均值。泊松比 v 的計算如式（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力狀態下，應力與該方向的應變之比，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力與應變之間的正比例關系，符合胡克定律[18]。通過前期試驗測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碰撞恢復系數測定

接觸特性主要包括恢復系數、靜摩擦系數和動摩擦系數，受實驗室設備限制，在參考同行研究的基礎上，使用自制試驗儀器測量恢復系數，并得出計算后的結果。

碰撞恢復系數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[19]。當兩物體的材料已經確定時，此時恢復系數的定義為兩物體碰撞后分開的相對速度與碰撞前相對接近速度的比值，即

式中： e 碰撞恢復系數；

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

測定碰撞恢復系數的試驗裝置如圖5所示，當a從自由垂直下落與b發生碰撞，碰撞后a豎直彈起，此時，a在下落與彈起運動過程中，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碰撞恢復系數測試示意圖

Fig.5Schematicdiagram ofcollisionrecoverycoeficient test 1.下落點2.放置平臺3.標尺4.底座

根據上述原理進行試驗，分析并計算得出培養基的碰撞恢復系數。每個過程測量10次，結果取平均值。最終得出培養基與培養基之間的碰撞恢復系數為0.03～0.05 ，平均值為0.039，標準差為0.007，變異系數為0.18；培養基與不銹鋼板之間的碰撞恢復系數為0.05～0.075 ，平均值為0.062，標準差為0.01，變異系數為0.16。

3 結果與分析

3.1 菌棒密度

通過排沙法對完全浸入量筒的10個菌棒試樣進行密度測量，結果保留三位小數，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

3.2.1菌棒靜摩擦系數

試驗測定了菌棒一橡膠層和菌棒一不銹鋼的靜摩擦系數，共準備5個鹿茸菇菌棒試樣，編號為1～5號。為減小測量誤差，每個樣品對接觸材料進行3次試驗，結果取平均值。計算后得菌棒一橡膠層的靜摩擦系數平均值為0.701，標準差為0.09，變異系數為0.13；菌棒一不銹鋼的靜摩擦系數平均值為0.755，標準差為0.077，變異系數為0.10，如表3所示。

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

3.2.2菌棒動摩擦系數

由靜摩擦系數測定可知，菌棒試樣在橡膠層上滑動的臨界角度為 34.87^° ，在不銹鋼上滑動的臨界角度為 36.93^° ，因此，以 35^°，40^°，45^° 傾角測定菌棒一橡膠層的動摩擦系數，以 40^°，45^° 傾角測定菌棒一不銹鋼板的動摩擦系數，結果保留三位小數。試驗共測定5個菌棒試樣，計算后得到菌棒一橡膠層的動摩擦系數平均值為0.284，標準差為0.053，變異系數為0.19；菌棒一不銹鋼的動摩擦系數平均值為0.481，標準差為0.044，變異系數為0.092。

3.3菌袋黏附強度及菌袋撕脫力

3.3.1菌袋黏附強度

菌袋黏附強度分析結果如表4所示。菌袋平均黏附強度為 1.11～1.44kPa ，平均值為 1.273kPa ，標準差為 0.165kPa ，變異系數為0.13，表明菌袋黏附強度分布較集中。

表4菌袋黏附強度 Tab.4 Adhesion strength of bacteria bags

3.3.2 菌袋撕脫力

試驗測得菌袋撕脫力為 6.155～8.825N ，平均值為 7.404N ，標準差為 1.343N ，變異系數為0.18，菌種撕脫力的離散程度較大，這是因為在采收菌菇時，刀具切掉成熟菇體時會切割一部分菌袋，導致菌袋出現不同程度的撕裂，從而出現裂口，這會導致菌袋有的依然貼緊菌棒，有的已經半脫離菌棒，使得菌袋撕脫力出現浮動較大的情況。

3.4菌棒彈性模量和泊松比

在測量菌棒彈性模量和泊松比時，以 10mm/min 的速度對鹿茸菇菌棒試樣進行徑向壓縮試驗，鹿茸菇菌棒試驗數據如表5所示。彈性模量的數值范圍為0.920～0.992MPa ，平均值為 0.949MPa ，標準差為0.038MPa ，變異系數為0.04；泊松比的數值范圍為0.15～0.21 ，平均值為0.177，標準差為0.031，變異系數為0.172。

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

4結論

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

2）利用實驗室自制斜面儀和相機測定菌棒一橡膠層的靜摩擦系數為0.701，動摩擦系數為0.284；菌棒一不銹鋼的靜摩擦系數為0.755，動摩擦系數為0.481；利用電子萬能試驗機和夾具測得菌袋黏附強度為 1.11～1.44kPa ，平均值為 1.273kPa ，標準差為0.165kPa ，變異系數為0.13，黏附強度分布較為集中。

3）利用電子萬能試驗機和夾具測得鹿茸菇菌棒在加載速度為 10mm/min 時彈性模量為 0.920～ 0.992MPa ，平均值為 0.949MPa ，標準差為0.038MPa ，變異系數為0.04；泊松比為 0.15～0.21 ，平均值為0.177，標準差為0.031，變異系數為0.172。以上數據可為鹿茸菇菌棒脫袋裝備及其他相關設備的研發與仿真優化提供參考。

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