鲜香菇菇柄力学特性试验研究

李 锋，宋卫东，丁天航，王教领，王明友，吴今姬

(农业部南京农业机械化研究所,江苏 南京 210014)

香菇栽培和消费主要集中在东亚国家和地区，其中,我国香菇产量占世界总产量 90%以上，出口占世界贸易 95%以上[1-2]。据中国食用菌协会统计，我国香菇从 1987年年产量18.88 万t增加到 2015年年产量 760 多万t。香菇菇柄质量占到香菇总体质量的 20%～30%，年产量已经达到 150 万～230 万t。香菇菇柄综合利用价值日益得到重视[3-6]。近年来，国内科研院所开始进行菇柄切除和成松等菇柄加工设备研发和设计[7-10]，但侧重于设备的结构设计与优化，鲜香菇菇柄的力学特性研究被忽视，致使所研发的菇柄加工设备质量差、效率低、能耗高。

鲜香菇菇柄力学特性作为菇柄加工设备的重要研发依据，其力学研究相对大宗农作物茎秆，目前基本为空白。因此，本研究通过查阅文献，借鉴前人对甘蔗、棉花秸秆、小麦茎秆、苎麻等作物进行的拉伸或者剪切等力学试验研究方法[11-16]，对鲜香菇菇柄进行轴向拉伸与径向剪切试验，为菇柄加工设备的研发与制造提供基础设计参数。

1 材料和方法

1.1 材料采集

选择生长良好，无明显缺陷，菇柄通直且直径在9～14 mm的香菇808头潮菇作为试验材料(宜兴市新锦源生态菌业专业合作社栽培)，测得含水率84.5%～88.7%。

1.2 试样制备

将香菇菌盖部分切除，仅保留菇柄，并将其模型简化为圆柱体，在中间部位标记受力位置。香菇菇柄径向剪切试样如图1所示，试样规格D×L(D为香菇菇柄原始直径，L为香菇菇柄原始长度)；香菇菇柄轴向拉伸试样如图2所示，试样规格d×l(d为香菇菇柄有效直径，l为香菇菇柄有效长度)，每组试验试样各制作10组。在制作香菇菇柄轴向拉伸试验试样时，由于香菇菇柄柔性和弹性较大，试验过程中菇柄两端极易滑脱，造成试验失败，因此将试样制成哑铃状，并在夹持端包裹绷带和医用胶带以增加摩擦力，同时减少试样破坏。

图1 菇柄径向剪切试样

1.3 试验设备

采用UTM 6503电子万能试验机(测试力最大量程 5 kN，力传感器精度±0.5% ，位移传感器精度±0.5%),游标卡尺、试验夹具、医用胶带、刀具等。

图2 菇柄轴向拉伸试样

1.4 试验设计

1.4.1 菇柄轴向拉伸试验 万能试验机的运动参数和数据采集方案设置为：加载速度 5 mm/min，回程速度 20 mm/min，最大载荷 500 N，自动记录菇柄拉力、位移、形变等数据，主界面图像选择应力-应变关系。使用游标卡尺测量拉伸试样的几何参数(其中香菇菇柄中间标记位置直径测量 3次取平均值)，并输入万能试验机；将试样安放在万能试验机上进行预紧操作，预紧力小于5 N；菇柄轴向拉伸试验重复 10组，按1—10编号。试验过程及结果如图3所示。

图3 鲜香菇菇柄轴向拉伸试验

1.4.2 菇柄径向剪切试验 万能试验机的运动参数和数据采集方案设置为：加载速度 10 mm/min，回程速度 20 mm/min，最大载荷 500 N，自动记录菇柄剪切力、位移变化等数据，主界面图像选择剪切力-位移关系。试验操作步骤与菇柄轴向拉伸试验相似，重复10组试验，按1—10编号。试验过程及结果如图4所示。

图4 鲜香菇菇柄径向剪切试验

1.5 统计分析

根据最小二乘法原理，使用SPSS软件对应力-应变曲线初始弹性变形部分数据进行线性回归分析，由应力与应变关系式(1)得出菇柄弹性模量，由材料力学公式(2)、(3)分别得出菇柄的抗拉强度和剪切强度。

(1)

其中：E为弹性模量；σ为拉伸应力，Mpa；ε为拉伸应变。

(2)

其中：σb为抗拉强度，Mpa；Fmax为最大拉伸载荷，N；A1为拉伸截面面积，mm2。

(3)

其中：τb为剪切强度，Mpa；Tmax为最大剪切力，N；A2为剪切面面积，mm2。

2 结果与分析

2.1 拉伸试验结果与分析

香菇菇柄试样轴向拉伸试验得到的应力-应变曲线，如图5所示。在试验初始阶段，香菇菇柄以弹性变形为主，应力随着应变的增加近似于线性增大，且不同试样在同一应变下应力具有较大差距，其中试样2所受应力最大，试样8所受应力最小；拉伸破坏过程中，试样组织中纤维丝逐一发生断裂，应力呈阶梯式向下波动，在阶梯临界点可以听到纤维组织崩断的声音;整体来看，试样2的最大应力最大，试样8的最大应力最小；最后，试样中的纤维丝完全被拉断；整体来看，试样8的应变最大，试样7应变最小。轴向拉伸试验中，试样应力和应变波动范围较大。

菇柄轴向拉伸弹性模量和抗拉强度结果如表1所示。菇柄抗拉弹性模量介于5.789～0.764 Mpa，平均值 2.986 Mpa，标准差1.759；香菇菇柄最大抗拉强度σbmax介于1.484～0.355 Mpa，平均值0.925 Mpa，标准差0.347。

2.2 剪切试验结果与分析

香菇菇柄试样径向剪切试验得到的位移-剪切力曲线如图6所示。试验初始阶段为弹性变形，香菇菇柄剪切力随着位移近似于线性增大，该阶段主要将香菇菇柄海绵体组织压实并破坏其内部结构，在相同位移下各试样径向剪切力差距较小；当试样被切割破坏时，剪切力随着位移以三角形波形在一定范围内波动，不同三角波峰处剪切力不同，整体来看，试样10的最大剪切力最大，试样8的最大剪切力最小；且在波峰位置可以清晰听到香菇菇柄纤维剪断的声音。

图5 鲜香菇菇柄轴向拉伸应力-应变曲线

表1 菇柄轴向拉伸试验结果

图6 鲜香菇菇柄径向剪切载荷-位移曲线

香菇菇柄径向剪切的最大剪切力和剪切强度试验结果如表2所示。香菇菇柄最大剪切力Tmax介于3.045～6.423 N，平均值 4.638 N，标准差 0.992；菇柄最大剪切强度τbmax介于0.025～0.052 Mpa，平均值 0.042 Mpa，标准差 0.009。

表2 菇柄径向剪切试验结果

3 结论与讨论

香菇菇柄轴向拉伸试验和径向剪切试验表明：香菇菇柄组织由无数纤维丝排列组成，试验中香菇菇柄先发生内部滑移破坏纤维组织之间的连接，纤维丝受力开始逐一断裂。香菇菇柄轴向拉伸弹性模量平均值为2.986 Mpa，标准差为1.759；最大抗拉强度平均值为 0.925 Mpa，标准差是0.347。香菇菇柄径向最大剪切力平均值为 4.638 N，标准差为0.992；最大抗剪切强度平均值是0.042 Mpa，标准差是0.009。香菇菇柄弹性模量、抗拉强度和剪切强度的标准差均较大，说明不同香菇菇柄之间的力学特性具有较大差异。剪切试验中，香菇菇柄纤维丝的径向剪切力(即波峰峰值)各不同，且上下波动范围较大，说明同一香菇菇柄上不同纤维丝的力学特性也具有较大差异。

在研究鲜香菇菇柄轴向拉伸和径向剪切力学特性的基础上，后期可以进一步研究香菇品种、含水率、加载速度等因素对香菇菇柄力学特性的影响，探究其破坏规律，为菇柄加工设备研发提供更多的基础资料。