巨菌草茎秆便携式剪切力测量装置分析及设计

郭巧惠，洪培瑶，李澍源

（1.福建农林大学金山学院信息与机电工程系，福建 福州市 350001；2.福建开放大学理工学院；3.福建师范大学）

0 引言

巨菌草的机械化采收是巨菌草产业化发展的重要条件，对提高我国食用菌自给率、解决菌林供需矛盾和促进地区林业经济发展具有重要意义[1]。目前国内外学者对棉花和大麦等植物茎秆的力学特性进行了大量研究，也对巨菌草茎秆压缩力学性能进行了大量研究[2-7]，而对巨菌草茎秆力学剪切特性的研究较少见。现有的巨菌草茎秆收割机虽然能够部分满足机械化作业的需求，但是其割刀设计仍然缺乏充足的理论依据，剪切效果亟待提高。因此，文中以巨菌草茎秆为研究对象，对茎秆的宏观剪切性能、剪切变形特点进行了试验研究并进行了理论计算，结果可为割刀关键参数的优化设计提供参考[8]。

1 巨菌草茎秆及切割理论研究

巨菌草是一种禾本科作物，其在切割过程中力学特性不仅受到品种、气候、生长环境、成熟期和成熟状况等因素的影响，还与其微观结构密切相关。在切割过程中，茎秆受到切割刀具的切割力、地面给予的平衡力和茎秆自身欲保持原有状态而产生的惯性力等，为了明确在切割过程中巨菌草茎秆的受力情况，找出影响切割的主要因素，结合实际情况对巨菌草茎秆力学特性进行理论分析。

巨菌草茎秆被切割时，可视为一端固定一端只有重力分布的均匀悬臂梁，如图1。当固定在地面的茎秆受到切割力的冲击作用时会产生方向相反的惯性力Fg，切割力分为水平力Fx和竖直力Fy，地面对根部的支持力分为水平方向的力Fa和竖直向上的力Fb，力矩为Mo。受力平衡方程为：

图1 巨菌草茎秆切割受力简图

式中L—Fg作用位置距地面的距离，mm；h—Fx作用位置距地面的距离，mm。

截面dd′上作用的剪切力Q=Fx-Fg。

2 便携式茎秆剪切力测量装置的设计

2.1 剪切力、刀具刃角和滑切角对切割力的影响

假定在剪切时承载支座不动，剪切刀匀速剪切，通过理论计算可知最大剪切应力为：

式中τ—剪切强度，N/mm；Fmax—最大剪切力，N；a—茎秆短径（mm）；b—茎秆长径，mm。

滑切时刀具对茎秆施加的切割力F的方向与刀具加载方向v存在夹角β，假设刀具的设计刃角为α，正切和滑切时刀具角度的变化情况如图2和图3。在正切时有效作用刃角即为设计刃角α，在滑切时有效作用刃角则变为了α′。由几何关系可知：

图2 正切与滑切

图3 正切与滑切时作用刀刃角对比

由式（3）可知，滑切时（β≠0）作用刃角α′要小于刀具设计刃角α，随着滑切角β增大，滑切时的作用刃角α′逐渐减小。由此可得，滑切省力就是通过滑切减小了刀具在切割茎秆时的作用刃角，相当于使用更锋利的刀进行切割。但是，随着滑切角的增大有可能出现打滑的现象，导致切割效果变差、切割阻力增加，因此不同的茎秆材料有不同的最佳滑切角。

针对巨菌草茎秆的力学特性，剪切刀材料采用65Mn钢，高温淬火处理，刀体厚度4 mm，刀型刃角20°，茎秆与刀片的摩擦角必须大于推挤角，因此滑切角选择20°，刀型图如图4。

图4 刀型图

2.2 剪切力测量装置

测量茎秆剪切力的装置如图5，使用方法如下：将茎秆放置在凹槽中，为避免茎秆在剪切时被压碎，在凹槽处设置有软垫。将传感器和存储器安装在扳手上，握住数字扭矩扳手和手柄进行剪切，数字扭矩扳手的显示器示数保持在修剪过程中的峰值扭矩，每次测量的峰值扭矩存储在设备存储器中，还可以通过端口采集数据。

图5 巨菌草茎秆剪切力测量装置

3 试验

由于茎秆不同生长期样本有一定的差异，为了更有效地反映其剪切性能的差异，试验以半年生和一年生茎秆的平均剪切强度和剪切功为衡量指标。选取距根部100 mm处的位置进行剪切试验，加载速度为100mm/min，研究单次切割条件下不同植株每次所需最大剪切力的分布规律。不同生长期的茎秆剪切值如表1。

表1 巨菌草茎秆剪切强度和剪切功

试验结果表明茎秆在不同生长期剪切性能的差异比较明显，其中半年生的茎秆平均剪切强度和剪切功的最大值分别为20.86 MPa 和22.35 mJ；一年生的茎秆剪切强度和剪切功的最大值分别为30.36 MPa和38.89 mJ。

不同生长期茎秆剪切试验的结果表明半年生的巨菌草茎秆剪切强度和最大剪切功较小，此时剪切茎秆更省力、省功，此阶段有利于收割；当巨菌草茎秆达到一年生时，其茎秆物理性状将产生变化，由于表皮木质化等原因，茎秆剪切强度有较为显著的提高，此时收割较困难。由于巨菌草茎秆半年生和一年生的营养价值差别不大，且半年生的茎秆力学特性更有利于收割工作，因此后期选择半年生茎秆进行收割更为合理。

4 总结

文中设计了一种便携式巨菌草茎秆剪切力测量装置，该装置采用刀片和传感器集成的优化结构，通过试验测得巨菌草茎秆的剪切力和剪切功。结果表明，半年生的巨菌草茎秆收获营养价值大，剪切强度小，由此可以指导巨菌草茎秆的收获。