脱袋转色期香菇菌棒物理力学特性研究*

马士鑫，宋卫东，丁天航，王明友，吴耀东，周德欢

(1. 农业农村部南京农业机械化研究所,南京市,210014; 2. 江苏云马农机制造有限公司,江苏盐城,224100)

0 引言

我国是世界上最大的香菇出口国[1],香菇年出口量已达到7.2万吨,创汇高达13.59亿美元[2]。由于新鲜或冷藏香菇不易储存运输,香菇出口主要以干香菇为主[3]。近几年为了满足国外市场对鲜香菇的巨大需求和增大外汇创收,国内菌棒企业创制了国内养菌境外基地出菇、多元化销售为一体的产业链式经营模式。出口型香菇菌棒多采用单层低压聚乙烯薄膜袋作容器,待转色完成、脱离菌袋后,装箱冷藏出口[4]。但是,香菇菌棒脱袋装备研发还处于初级阶段,目前主要以人工脱离菌袋为主,人工脱离菌袋存在劳动强度大、成本高、效率低等问题,严重制约着我国香菇菌棒出口产业的发展。虽然,科研院所和个人申请了一些专利[5-8],但仅仅处于理论研究设计阶段,存在破袋技术落后、脱袋成功率低等问题,并没有进行量产、大面积推广使用。

了解脱袋转色期香菇菌棒物理力学特性对于提高破袋质量和脱袋效率有至关重要的作用。目前,郭颖杰等[9-11]对木耳菌棒和杏鲍菇废菌棒的力学性能进行了研究,验证了废菌棒含水率和抗压强度、剪切强度的内在关系。至今尚未见有关脱袋转色期香菇菌棒物理力学特性的研究文献。

因此,本文以“沪香F2”脱袋转色期香菇菌棒为研究对象,根据仿真需求并结合实际试验条件,开展其物理力学特性的试验研究,获得香菇菌棒密度、摩擦系数、菌袋粘附强度、菌种撕脱力、径向抗压强度、弹性模量以及泊松比等物理力学特性参数,为研发和优化香菇菌棒脱袋装备提供仿真数据支撑和理论支持,以期提高破袋质量和脱袋效率。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验以出口型“沪香F2”香菇菌棒为试验对象,样本取自山东某生物科技有限公司。该公司采用机械化制棒,从而保证了菌棒的一致性。脱袋转色期出口型香菇菌棒平放在培养库养菌转色时,由于同时受到重力和菌袋约束的作用,菌棒横截面呈现出近似椭圆的形状。脱袋转色期香菇菌棒质量为[1 624 g, 1 709 g],平均值为1 666 g;长度为[396 mm, 402 mm],平均值为399 mm;椭圆截面长轴为[94.03 mm, 97.96 mm],平均值为95.69 mm;短轴为[84.34 mm, 89.11 mm],平均值为86.36 mm。接种口数量为4,直径为25 mm,深度为20 mm,孔距为90 mm,第4接种口距底部边缘为50 mm。试验测得的香菇菌棒平均含水率:65.19 %(湿基含水率)。

1.2 试验仪器及装置

衡正电子天平(型号FA2004,量程200 g,精度0.000 1 g),双杰电子天平(型号TC6KA,量程6 000 g,精度1 g),量筒(量程100 mL,精度1 mL),美耐特数显式游标卡尺(量程150 mm,精度0.01 mm),实验室自制斜面仪,三思纵横电子万能试验机(型号UTM6503,精度等级0.5,最大试验力5 kN),FASTEC高速摄像机(型号HiSpec5,最大帧率298 851 fps),美工刀,钢锯,东兴PP、PE塑料胶(粘度675 Pa·s,初步固化时间5～8 min,剥离强度25 MPa,抗拉强度1 080 MPa)。

1.3 试验方法

1.3.1 香菇菌棒密度测定

通过预试验发现,菌棒的密度小于一般液体的密度,因此采用排沙法测量菌棒密度。选择大小合适且能浸入量筒的菌棒试样,称重记录为M;向量筒中注入一定量的细沙,记录体积为V1;将称重后的菌棒试样放入量筒中,震荡直至细沙将菌棒试样完全浸没,读取体积为V2。重新标定量筒后,重复进行10次菌棒试样密度的测定。

式中:M——能浸入量筒的菌棒试样质量,g;

V1——未浸入菌棒试样细沙的体积,cm3;

V2——浸入菌棒试样后的体积,cm3;

ρ——菌棒密度,g/cm3。

1.3.2 香菇菌棒摩擦系数测定

1) 静摩擦系数测定。试验采用斜面滑动法测定香菇菌棒—菌袋和香菇菌棒—65Mn弹簧钢间的静摩擦系数。根据测量原理自制的摩擦系数测定斜面仪由钢板斜面和数显角度测量仪组成。将尺寸合适的菌袋粘贴在钢板上来测定香菇菌棒-菌袋间的静摩擦系数。如图1所示,将钢板缓慢提升,随着钢板倾角的增大,观察到香菇菌棒试样有沿斜面下滑时记录数显角度测量仪示数,记为θ,此时的香菇菌棒试样受力如式(2)所示,化简得到静摩擦系数关于倾角θ的表达式如式(3)所示。

图1 摩擦系数测定示意图Fig. 1 Schematic diagram of friction coefficient measurement

mgsinθ-μsmgcosθ=0

(2)

μs=tanθ

(3)

式中:m——香茹菌棒试样的质量,g;

μs——静摩擦系数。

2) 动摩擦系数测定。动摩擦系数测定同样采用斜面滑动法,同时配合有FASTEC高速摄像机。试验过程中全程采用LED补光灯进行补光,每秒采集1 000张图像,即每一帧图像的时间间隔为1 ms。如图2所示,选取连续相同时间间隔的三帧图像使之重合叠加,通过坐标纸算出其位移差。由式(4)和式(5)可计算出菌棒试样滑动的加速度。

图2 香菇菌棒动摩擦系数的测定Fig. 2 Determination of dynamic friction coefficient of Shiitake spawn sticks

Δx=x2-x1=at2

(4)

a=Δx/t2

(5)

式中:a——菌棒试样在斜面上的加速度,m/s2;

Δx——位移差,m;

t——间隔时间,s。

对斜面上滑动的菌棒试样进行受力分析得到式(6),化简得到菌棒试样加速度、斜面仪倾角与动摩擦系数之间的关系式(7),将相关参数代入后即可得出试样在菌袋和65Mn弹簧钢上的动摩擦系数μk。

mgsinθ-μkmgcosθ=ma

(6)

(7)

1.3.3 菌袋粘附强度测定

香菇菌袋粘附强度是指菌袋附着于菌棒表面的能力,采用UTM6503型电子万能试验机和实验室自制的拉伸夹具进行拉伸试验测定。试验方法:首先使用几乎无弹性的麻绳将自制拉伸夹具上端固定在万能试验机测力传感器上,然后将东兴PP、PE塑料胶均匀涂抹于自制拉伸夹具内弧面,并将其贴合于菌袋,待固化15 min后使用美工刀沿自制拉伸夹具边缘切开菌袋,以2 mm/min的速度进行拉伸,直至两者分离开。选取8个约等于平均尺寸的香菇菌棒进行8次拉伸试验。

为进一步得到菌袋与菌棒的粘附强度,需对自制拉伸夹具进行受力分析,以菌棒椭圆截面原点为坐标原点建立坐标系,使得椭圆截面两焦点位于x轴,椭圆长半轴为r1,短半轴为r2。过短半轴点(0,r1)作菌棒椭圆截面的曲率圆,由式(8)[12-13]可计算此曲率圆半径R为53.01 mm。受力如图3所示。

图3 受力分析Fig. 3 Force analysis

(8)

其中,自制拉伸夹具弧度角为π/6,内半径为曲率半径R,宽度w为25 mm,厚度δ为5 mm,设菌袋粘附强度为p,则自制拉伸夹具各面积微元wRdφ所对应的粘附力F′a在y轴方向上的合力为Fa,其计算公式如式(9)所示。

(9)

依据平衡力原理可得

F1=Fa

(10)

式中:F1——拉伸载荷,N。

由式(9)和式(10)可得菌袋粘附强度

(11)

1.3.4 菌种撕脱力测定

菌种的撕脱力是指将菌种从菌棒接种口中撕脱出来所需要的最大瞬时力。测定方法:首先,依据菌种的尺寸,使用美工刀将菌袋裁切成宽30 mm、长200 mm的矩形,此矩形菌袋的对称中心点与菌种圆心点重合;然后,将矩形菌袋两端固定于UTM6503型电子万能试验机的夹具上,以10 mm/min的速度进行撕脱,直至两者脱离开。最终选取15组数据进行分析。

1.3.5 香菇菌棒径向压缩试验方法

采用轴向压缩是测定圆柱形试样弹性模量和泊松比的常用试验方法[14],但由于菌棒横截面是一种类似椭圆的形状,在经受轴向载荷时,各个方向的横向应变并不相同,因此本试验采用径向压缩试验方法测定香菇菌棒的弹性模量和泊松比。

使用钢锯对香菇菌棒进行取样,所取试样均保证避开接种口,且试样无破损点和裂口点。选取16个长为[47.41, 65.39]mm,端面尺寸为材料自身尺寸的椭圆柱菌棒试样进行径向压缩试验。固定好FASTEC高速摄像机的位置并调整好焦距,试验过程中全程使用补光灯进行补光,每秒采集5张图像。

设置电子万能试验机的压向移动速度为10 mm/min。确保电子万能试验机上移动钢板与试样接触后开始对第一组8个椭圆柱菌棒试样进行加载试验。试验结束后导出电子万能试验机记录的力与位移原始数据,并对采集图像进行处理,以获得椭圆柱菌棒试样长轴真实延伸变形量。

香菇菌棒径向抗压强度[15]计算如式(12)所示。

(12)

式中:σ——菌棒径向抗压强度,kPa;

l——菌棒试样长度,mm;

F2——最大压载荷,N。

生物材料在平板之间受径向压缩时的泊松比和弹性模量的计算公式为[16]

(13)

(14)

(15)

λ=ln(Z)-1/2

(16)

式中:ν——菌棒试样泊松比;

V——菌棒试样径向压缩后长轴变形量,mm;

W——菌棒试样径向压缩后短轴弹性变形量,mm;

E——菌棒弹性模量,MPa;

P——单位菌棒长度所受压载荷,N/mm。

由于泊松比是一个弹性常数,因此在计算泊松比时只能采用长轴的延伸变形和短轴压缩变形的弹性部分。短轴压缩变形的弹性部分

2W=βD

(17)

式中:β——短轴弹性变形程度;

D——短轴总压缩变形量,mm。

由于菌棒试样卸载松弛后长轴与原值无明显差异,因此认为由于施加的压缩载荷所引起长轴的延伸变形是完全弹性的。为确定短轴弹性变形程度,对第二组8个椭圆柱菌棒试样进行加卸载试验。在卸载之前,将每个试样加载至弹性变形范围。典型的加卸载曲线如图4所示。弹性程度β计算如式(18)所示。

图4 典型的径向加载和卸载曲线Fig. 4 Typical radial loading and unloading curves

β=AB/OB

(18)

计算得弹性程度平均值为β为0.37,此值可用于后续计算。

2 结果与分析

2.1 香菇菌棒密度

通过排沙法对能完全浸入量筒的10个菌棒试样进行密度测量,数据如表1所示。由表1可知:“沪香F2”脱袋转色期香菇菌棒密度为[0.59, 0.72]g/cm3,平均值为0.64 g/cm3。

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

2.2 香菇菌棒摩擦系数

2.2.1 静摩擦系数

本试验测定了“沪香F2”脱袋转色期香菇菌棒对于菌袋和65Mn弹簧钢的静摩擦系数,共准备了10个香菇菌棒试样,为了减小随机误差,每个菌棒试样进行3次重复试验,计算其平均值,每种接触材料各进行30次试验。香菇菌棒—菌袋和香菇菌棒—65Mn弹簧钢的静摩擦系数平均值分别为0.57和0.65。

2.2.2 动摩擦系数

由静摩擦系数测定可知,菌棒试样在菌袋和65Mn弹簧钢上滑动的临界角度分别为30°和33°,故将菌棒试样放在摩擦系数测定斜面仪上,分别以35°、40°、45°和40°、45°、40°倾角测定菌棒—菌袋和菌棒—65Mn弹簧钢的动摩擦系数,试验共测定5个菌棒试样。

香菇菌棒—菌袋和香菇菌棒—65Mn弹簧钢的动摩擦系数测量数据及分析结果如表2所示。由表2可知,香菇菌棒-菌袋的动摩擦系数为[0.430, 0.533],平均值为0.485,标准差为0.039,变异系数为0.083;香菇菌棒—65Mn弹簧钢的动摩擦系数为[0.544, 0.626],平均值为0.584,标准差为0.025,变异系数为0.044。变异系数均较小,表明样本数据之间离散程度较小,数据可靠性程度高。

表2 动摩擦系数Tab. 2 Dynamic friction coefficient

2.3 菌袋粘附强度

绘制拉伸载荷—位移曲线如图5所示,粘附强度计算及分析结果如表3所示。

图5 菌袋拉伸载荷—位移曲线Fig. 5 Strain load-displacement curve of the Shiitake spawn bag

表3 香菇菌袋粘附强度Tab. 3 Adhesion strength of Shiitake spawn bag

由图5与表3可知,菌袋粘附强度为[0.89,1.21]kPa,平均值为1.01 kPa,标准差为0.11 kPa,粘附强度分布较为集中。

2.4 菌种撕脱力

试验测得菌种撕脱力为[20.94, 31.99]N,平均值为25.69 N,标准差为4.22 N,变异系数为0.16,菌种撕脱力和其离散程度均较大,这是因为在菌种撕脱的过程中会出现两种不同的脱出模式:一种为完全脱出模式,即菌种在撕脱的过程中不发生断裂被整个脱出;另一种为断裂脱出模式,即菌种在撕脱的过程中发生局部断裂,一半菌种被脱出,一半菌种残留在接种口内,其典型的菌种脱出截面及撕脱曲线如图6和图7所示。

(a) 完全脱出截面

图7 香菇菌种典型撕脱曲线Fig. 7 Typical avulsion curve of Shiitake spawn

在生产实践中发现,接种口内残留的松散菌种暴露在潮湿的空气中易感染杂菌从而污染整个菌棒。依据菌种撕脱试验结果,建议香菇菌棒脱袋装备中添加菌种去除工位,在脱袋工序之前将4个接种口中的菌种铣除,不仅能避免菌棒遭受杂菌污染,还能减少菌种撕脱过程中菌棒固定装置的使用。

2.5 香菇菌棒径向压缩试验结果与分析

通过香菇菌棒压缩试验计算泊松比需要获得菌棒长轴方向真实延伸应变,因此图像的预处理非常关键。在试验之前,应用哈尔滨量具刃具厂生产的20 mm量块进行标定,得知本次试验的比例因数:水平方向为0.029 89,竖直方向为0.029 15,单位为mm/(像素)个。

以10 mm/min的压向速度对香菇菌棒试样进行径向压缩试验,香菇菌棒径向压力—位移曲线如图8所示,试验数据如表4所示。根据图8和表4,计算得香菇菌棒径向抗压强度为[39.57, 48.60]kPa,平均值为44.86 kPa,标准差为2.60 kPa,变异系数为0.06;弹性模量为[0.41, 0.50]MPa,平均值为0.48 MPa,标准差为0.04 MPa,变异系数为0.09;泊松比为[0.14, 0.20],平均值为0.17,标准差为0.02,变异系数CV为0.12。变异系数均较小,表明样本数据之间离散程度较小,数据可靠性程度高。

图8 径向压缩压力—位移曲线Fig. 8 Pressure-displacement curve of radial compression

表4 香菇菌棒径向压缩试验数据Tab. 4 Radial compression test data of Shiitake spawn sticks

3 结论

1) 脱袋转色期香菇菌棒平均质量为1 666 g,长度为399 mm,椭圆截面长轴为95.69 mm,短轴为86.36 mm,湿基含水率为65.19%;利用排沙法测定脱袋转色期香菇菌棒的密度为0.64 g/cm3。该研究结论可以为香菇菌棒脱袋装备仿真优化提供参考。

2) 利用斜面仪和高速摄像机测定香菇菌棒—菌袋和香菇菌棒—65Mn弹簧钢的动摩擦系数分别为0.485和0.584;利用电子万能试验机和试验自制拉伸夹具测定得菌袋粘附强度为[0.89, 1.21]kPa,平均值为1.01 kPa,标准差为0.11 kPa,粘附强度分布较为集中。

3) 利用电子万能试验机和夹具测定菌种撕脱力为[20.94, 31.99]N,平均值为25.69 N,标准差为4.22 N,变异系数为0.16,菌种撕脱力和其离散程度均较大,建议香菇菌棒脱袋装备添加菌种去除工位,在脱袋工序之前将4个接种口中的菌种铣除,不仅能避免菌棒遭受杂菌污染,还能减少菌种撕脱过程中菌棒固定装置的使用。

4) 利用电子万能试验机对脱袋转色期香菇菌棒进行径向压缩试验测定,结合理论计算得出香菇菌棒加载速度为10 mm/min时,径向抗压强度为[39.57, 48.60]kPa,平均值为44.86 kPa,标准差为2.60 kPa,变异系数为0.06;弹性模量为[0.41, 0.5]MPa,平均值为0.48 MPa,标准差为0.04 MPa,变异系数为0.09;泊松比为[0.14, 0.20],平均值为0.17,标准差为0.02,变异系数为0.12。变异系数均较小,表明样本数据之间离散程度较小,数据可靠性程度高。