郭巧惠，洪培瑤，李澍源

（1.福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院信息與機(jī)電工程系，福建 福州市 350001；2.福建開放大學(xué)理工學(xué)院；3.福建師范大學(xué)）

0 引言

巨菌草的機(jī)械化采收是巨菌草產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要條件，對(duì)提高我國食用菌自給率、解決菌林供需矛盾和促進(jìn)地區(qū)林業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[1]。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)棉花和大麥等植物莖稈的力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究，也對(duì)巨菌草莖稈壓縮力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究[2-7]，而對(duì)巨菌草莖稈力學(xué)剪切特性的研究較少見?，F(xiàn)有的巨菌草莖稈收割機(jī)雖然能夠部分滿足機(jī)械化作業(yè)的需求，但是其割刀設(shè)計(jì)仍然缺乏充足的理論依據(jù)，剪切效果亟待提高。因此，文中以巨菌草莖稈為研究對(duì)象，對(duì)莖稈的宏觀剪切性能、剪切變形特點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究并進(jìn)行了理論計(jì)算，結(jié)果可為割刀關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考[8]。

1 巨菌草莖稈及切割理論研究

巨菌草是一種禾本科作物，其在切割過程中力學(xué)特性不僅受到品種、氣候、生長環(huán)境、成熟期和成熟狀況等因素的影響，還與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在切割過程中，莖稈受到切割刀具的切割力、地面給予的平衡力和莖稈自身欲保持原有狀態(tài)而產(chǎn)生的慣性力等，為了明確在切割過程中巨菌草莖稈的受力情況，找出影響切割的主要因素，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)巨菌草莖稈力學(xué)特性進(jìn)行理論分析。

巨菌草莖稈被切割時(shí)，可視為一端固定一端只有重力分布的均勻懸臂梁，如圖1。當(dāng)固定在地面的莖稈受到切割力的沖擊作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生方向相反的慣性力Fg，切割力分為水平力Fx和豎直力Fy，地面對(duì)根部的支持力分為水平方向的力Fa和豎直向上的力Fb，力矩為Mo。受力平衡方程為：

圖1 巨菌草莖稈切割受力簡圖

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

截面dd′上作用的剪切力Q=Fx-Fg。

2 便攜式莖稈剪切力測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

2.1 剪切力、刀具刃角和滑切角對(duì)切割力的影響

假定在剪切時(shí)承載支座不動(dòng)，剪切刀勻速剪切，通過理論計(jì)算可知最大剪切應(yīng)力為：

式中τ—剪切強(qiáng)度，N/mm；Fmax—最大剪切力，N；a—莖稈短徑（mm）；b—莖稈長徑，mm。

滑切時(shí)刀具對(duì)莖稈施加的切割力F的方向與刀具加載方向v存在夾角β，假設(shè)刀具的設(shè)計(jì)刃角為α，正切和滑切時(shí)刀具角度的變化情況如圖2和圖3。在正切時(shí)有效作用刃角即為設(shè)計(jì)刃角α，在滑切時(shí)有效作用刃角則變?yōu)榱甩痢?。由幾何關(guān)系可知：

圖2 正切與滑切

圖3 正切與滑切時(shí)作用刀刃角對(duì)比

由式（3）可知，滑切時(shí)（β≠0）作用刃角α′要小于刀具設(shè)計(jì)刃角α，隨著滑切角β增大，滑切時(shí)的作用刃角α′逐漸減小。由此可得，滑切省力就是通過滑切減小了刀具在切割莖稈時(shí)的作用刃角，相當(dāng)于使用更鋒利的刀進(jìn)行切割。但是，隨著滑切角的增大有可能出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，導(dǎo)致切割效果變差、切割阻力增加，因此不同的莖稈材料有不同的最佳滑切角。

針對(duì)巨菌草莖稈的力學(xué)特性，剪切刀材料采用65Mn鋼，高溫淬火處理，刀體厚度4 mm，刀型刃角20°，莖稈與刀片的摩擦角必須大于推擠角，因此滑切角選擇20°，刀型圖如圖4。

圖4 刀型圖

2.2 剪切力測(cè)量裝置

測(cè)量莖稈剪切力的裝置如圖5，使用方法如下：將莖稈放置在凹槽中，為避免莖稈在剪切時(shí)被壓碎，在凹槽處設(shè)置有軟墊。將傳感器和存儲(chǔ)器安裝在扳手上，握住數(shù)字扭矩扳手和手柄進(jìn)行剪切，數(shù)字扭矩扳手的顯示器示數(shù)保持在修剪過程中的峰值扭矩，每次測(cè)量的峰值扭矩存儲(chǔ)在設(shè)備存儲(chǔ)器中，還可以通過端口采集數(shù)據(jù)。

圖5 巨菌草莖稈剪切力測(cè)量裝置

3 試驗(yàn)

由于莖稈不同生長期樣本有一定的差異，為了更有效地反映其剪切性能的差異，試驗(yàn)以半年生和一年生莖稈的平均剪切強(qiáng)度和剪切功為衡量指標(biāo)。選取距根部100 mm處的位置進(jìn)行剪切試驗(yàn)，加載速度為100mm/min，研究單次切割條件下不同植株每次所需最大剪切力的分布規(guī)律。不同生長期的莖稈剪切值如表1。

表1 巨菌草莖稈剪切強(qiáng)度和剪切功

試驗(yàn)結(jié)果表明莖稈在不同生長期剪切性能的差異比較明顯，其中半年生的莖稈平均剪切強(qiáng)度和剪切功的最大值分別為20.86 MPa 和22.35 mJ；一年生的莖稈剪切強(qiáng)度和剪切功的最大值分別為30.36 MPa和38.89 mJ。

不同生長期莖稈剪切試驗(yàn)的結(jié)果表明半年生的巨菌草莖稈剪切強(qiáng)度和最大剪切功較小，此時(shí)剪切莖稈更省力、省功，此階段有利于收割；當(dāng)巨菌草莖稈達(dá)到一年生時(shí)，其莖稈物理性狀將產(chǎn)生變化，由于表皮木質(zhì)化等原因，莖稈剪切強(qiáng)度有較為顯著的提高，此時(shí)收割較困難。由于巨菌草莖稈半年生和一年生的營養(yǎng)價(jià)值差別不大，且半年生的莖稈力學(xué)特性更有利于收割工作，因此后期選擇半年生莖稈進(jìn)行收割更為合理。

4 總結(jié)

文中設(shè)計(jì)了一種便攜式巨菌草莖稈剪切力測(cè)量裝置，該裝置采用刀片和傳感器集成的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，通過試驗(yàn)測(cè)得巨菌草莖稈的剪切力和剪切功。結(jié)果表明，半年生的巨菌草莖稈收獲營養(yǎng)價(jià)值大，剪切強(qiáng)度小，由此可以指導(dǎo)巨菌草莖稈的收獲。