巨菌草莖稈便攜式剪切力測量裝置分析及設計

郭巧惠，洪培瑤，李澍源

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

0 引言

巨菌草的機械化采收是巨菌草產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要條件，對提高我國食用菌自給率、解決菌林供需矛盾和促進地區(qū)林業(yè)經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義[1]。目前國內(nèi)外學者對棉花和大麥等植物莖稈的力學特性進行了大量研究，也對巨菌草莖稈壓縮力學性能進行了大量研究[2-7]，而對巨菌草莖稈力學剪切特性的研究較少見?，F(xiàn)有的巨菌草莖稈收割機雖然能夠部分滿足機械化作業(yè)的需求，但是其割刀設計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象，對莖稈的宏觀剪切性能、剪切變形特點進行了試驗研究并進行了理論計算，結果可為割刀關鍵參數(shù)的優(yōu)化設計提供參考[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，還與其微觀結構密切相關。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，結合實際情況對巨菌草莖稈力學特性進行理論分析。

巨菌草莖稈被切割時，可視為一端固定一端只有重力分布的均勻懸臂梁，如圖1。當固定在地面的莖稈受到切割力的沖擊作用時會產(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量裝置的設計

2.1 剪切力、刀具刃角和滑切角對切割力的影響

假定在剪切時承載支座不動，剪切刀勻速剪切，通過理論計算可知最大剪切應力為：

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

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

圖2 正切與滑切

圖3 正切與滑切時作用刀刃角對比

由式（3）可知，滑切時（β≠0）作用刃角α′要小于刀具設計刃角α，隨著滑切角β增大，滑切時的作用刃角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的作用刃角，相當于使用更鋒利的刀進行切割。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。

針對巨菌草莖稈的力學特性，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 剪切力測量裝置

測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被壓碎，在凹槽處設置有軟墊。將傳感器和存儲器安裝在扳手上，握住數(shù)字扭矩扳手和手柄進行剪切，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，每次測量的峰值扭矩存儲在設備存儲器中，還可以通過端口采集數(shù)據(jù)。

圖5 巨菌草莖稈剪切力測量裝置

3 試驗

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，試驗以半年生和一年生莖稈的平均剪切強度和剪切功為衡量指標。選取距根部100 mm處的位置進行剪切試驗，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 巨菌草莖稈剪切強度和剪切功

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

4 總結

文中設計了一種便攜式巨菌草莖稈剪切力測量裝置，該裝置采用刀片和傳感器集成的優(yōu)化結構，通過試驗測得巨菌草莖稈的剪切力和剪切功。結果表明，半年生的巨菌草莖稈收獲營養(yǎng)價值大，剪切強度小，由此可以指導巨菌草莖稈的收獲。