香梨跌落碰撞接觸應(yīng)力分布特性及損傷估測

孫慧杰 吳 杰 馮 哲

SUN Hui－jieWU JieFENG Zhe

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；

2.教育部綠洲特色經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)機(jī)械化工程研究中心，新疆 石河子832003）

庫爾勒香梨在整個流通鏈中要經(jīng)過采摘、分級、儲藏和銷售等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)的機(jī)械化和自動化作業(yè)會產(chǎn)生香梨與接觸件的碰撞損傷，從而導(dǎo)致香梨品質(zhì)和商品率降低［1］。因此需要對香梨與不同材料的碰撞特性進(jìn)行研究，為香梨機(jī)械化和自動化作業(yè)過程的減損設(shè)計提供指導(dǎo)。

梨果碰撞后的損傷部位會發(fā)生褐變，由于褐變面積易于觀察和測量，已成為實踐中梨果碰撞損傷判斷及外觀等級劃分的主要依據(jù)［2，3］。例如，在梨果品質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)中就有明確規(guī)定［4］，一級果碰壓面積≤50mm2，二級果碰壓面積≤100mm2。已有的研究［5，6］發(fā)現(xiàn)，梨果受載時的接觸應(yīng)力分布與損傷面積有直接的關(guān)系，因而成為果實損傷研究重要的切入點。早期，對于具有復(fù)雜幾何特征的果品，傳統(tǒng)力學(xué)測試儀器還很難實現(xiàn)其受載的接觸應(yīng)力分布測量，盡管可采用Hertz彈性接觸公式進(jìn)行理論計算，但是果實的各向異性和粘彈特性使Hertz公式計算的接觸應(yīng)力分布結(jié)果誤差很大［7］。最近，美國和日本研制的感壓膠片作為一種非破壞式的測量方法，實現(xiàn)了柔性材料和具有曲面特征的材料的不同受載條件下的接觸應(yīng)力分布測量分析，并在醫(yī)學(xué)生物組織工程領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用［8］。最近，有研究者［9，10］利用感壓膠片成功實現(xiàn)了梨果跌落碰撞時接觸應(yīng)力分布與損傷關(guān)系的測量分析，但是對香梨與不同常用接觸材料的碰撞特性以及損傷面積估測時所對應(yīng)的應(yīng)力面積范圍并沒有具體研究。本試驗采用感壓膠片對香梨跌落碰撞不同接觸材料時的接觸應(yīng)力分布進(jìn)行測量分析，以探討接觸應(yīng)力分布與其損傷面積的關(guān)系，實現(xiàn)香梨碰撞損傷面積的準(zhǔn)確估測。

1 材料與方法

1.1 試樣材料與儀器

庫爾勒香梨：采自新疆庫爾勒市大墩子鄉(xiāng)果園，采樣期在2012年11月15日，試樣確保無畸形、蟲害和損傷，其基本物性見表1。采摘后迅速冷藏，冷藏溫度為－2～0℃，相對濕度為85%～90%。試驗前，香梨在20℃下放置24h。

表1 香梨試樣的基本物性參數(shù)Table1 Material properties of Korla pear sample

感壓膠片：LLLW型Prescale?雙層特超低壓，日本Fuji公司；

掃描儀：PerfectionTMV300photo型CCD（電荷耦合器件），日本Fuji公司；

壓力圖像數(shù)字測量分析系統(tǒng)V2.0：FD－8010E型，日本Fuji公司。

自制跌落試樣臺架：本實驗室自制（見圖1）。

圖1 香梨跌落碰撞測試裝置Figure1 Test apparatus for drop impact of Korla pear

1.2 測試方法

1.2.1 香梨跌落碰撞試驗 香梨通過真空泵產(chǎn)生負(fù)壓使吸盤吸附香梨，開關(guān)閥關(guān)閉，負(fù)壓消失，香梨試樣自由跌落，使香梨的赤道部與不同接觸材料接觸。碰撞后迅速抓取香梨防止二次碰撞。碰撞后試樣在室溫下放置7d（168h）充分褐變，損傷面積采用Mohsenin等提出的針對果蔬材料瘀傷測量方法［11］進(jìn)行計算。

1.2.2 接觸應(yīng)力分布的測量 感壓膠片放置在接觸材料表面，如圖2所示，碰撞后的感壓膠片采用掃描儀和顏色校正板讀取接觸應(yīng)力分布的特征圖，然后經(jīng)配套的FD－8010E壓力圖像數(shù)字測量分析系統(tǒng)V2.0進(jìn)行數(shù)值解析以及平滑處理，獲得參數(shù)接觸應(yīng)力分布面積和接觸應(yīng)力分布圖像的平滑處理圖。

圖2 香梨碰撞接觸應(yīng)力分布圖的處理Figure2 Mapping of Fujifilm pressure distribution for Korla pear impact

1.2.3 試驗因素及水平 根據(jù)香梨作業(yè)中常用接觸材料選取鋼板、橡膠板（放置于鋼板上）、高抗沖聚乙烯（HDPE）板和瓦楞紙板（放置于鋼板上），材料特性見表2。其中瓦楞紙板為雙瓦五層，瓦楞齒形UV型，AB型愣型，試驗時與鋼板應(yīng)良好固定，每次碰撞后更換，以保證緩沖性能一致；根據(jù)梨果作業(yè)環(huán)節(jié)中潛在的跌落高度范圍選取8個跌落高度［12］：10，15，20，30，40，60，80，100cm，每一跌落試驗重復(fù)5次。

表2 接觸材料的特性參數(shù)Table2 Properties of impact surface materials

2 結(jié)果與分析

2.1 香梨跌落碰撞接觸應(yīng)力分布特性

以跌落高度80cm為例，香梨跌落碰撞不同材料時接觸應(yīng)力分布特征見圖3。香梨不同接觸應(yīng)力值呈非均勻分布，這可能與香梨的曲面特征和表面凹凸不平有關(guān)。香梨與鋼板、橡膠板和HDPE板碰撞的接觸應(yīng)力分布呈近橢圓形，≤0.2MPa（綠色顯示）應(yīng)力在邊緣分布且分布區(qū)域小；香梨與瓦楞紙板碰撞時，由于材料較好的緩沖性能，使接觸應(yīng)力分布的邊緣形狀不規(guī)則，≤0.2MPa的接觸應(yīng)力有較大面積分布，這表明，≤0.2MPa的接觸應(yīng)力可能不會造成香梨果肉損傷。

圖3 香梨與4種接觸材料跌落碰撞的接觸應(yīng)力分布特征圖Figure3 Images of pressure－sensitive distribution for pear impacts against four contact materials

由圖4可知，香梨與不同材料碰撞時峰值應(yīng)力（＞0.5MPa）面積均很小，不超過25mm2，因此峰值應(yīng)力不是造成香梨損傷的主要原因。香梨與鋼板和緩沖性能較低的橡膠板和 HDPE板碰撞時，應(yīng)力呈正態(tài)分布，0.2～0.4MPa范圍的應(yīng)力面積最大，應(yīng)該構(gòu)成了香梨損傷面積的主要部分。與之相比，香梨與瓦楞紙板碰撞時，在較低高度跌落的接觸應(yīng)力呈非正態(tài)分布特點，≤0.2MPa范圍應(yīng)力面積明顯較高，但隨著跌落高度增大，0.2～0.3MPa范圍應(yīng)力面積逐漸增大并超過≤0.2MPa范圍應(yīng)力面積，這進(jìn)一步說明，0.2MPa應(yīng)該是估測香梨在瓦楞紙板上跌落碰撞損傷面積的臨界點。

圖4 香梨與4種接觸材料碰撞時的接觸應(yīng)力分布Figure4 Contact pressure distributions of Korla pear against four contact materials

2.2 香梨跌落碰撞接觸應(yīng)力分布面積與損傷面積關(guān)系

香梨與不同材料在不同高度跌落碰撞時，不同范圍的接觸應(yīng)力面積與損傷面積的關(guān)系見圖5。香梨在30cm跌落高度與鋼板、橡膠板和HDPE板碰撞時，＞0MPa范圍應(yīng)力面積（總面積）與損傷面積實測值最為接近，采用總應(yīng)力面積估測損傷面積的平均相對誤差分別為4.84%，1.83%，3.21%。盡管香梨在低高度跌落碰撞鋼板、橡膠板和HDPE板時，采用總應(yīng)力面積估測損傷面積的相對誤差較高，分別達(dá)到了58.84%，31.90%，15.25%，但可能是香梨微觀損傷所產(chǎn)生的褐變較淺而無法準(zhǔn)確辨識，致使損傷面積實測誤差大。因此，采用＞0MPa范圍應(yīng)力面積可以較準(zhǔn)確地估測香梨實際損傷面積。與之相比，香梨與瓦楞紙板碰撞時，≤0.2MPa的應(yīng)力面積較大，這充分反映了瓦楞紙板對香梨減損的效果。因此從圖5（d）可以看出，＞0.2MPa范圍的應(yīng)力面積與損傷面積最為接近，采用＞0.2MPa范圍的應(yīng)力面積估測損傷面積的平均相對誤差為6.81%。

圖5 香梨與4種接觸材料碰撞時的接觸應(yīng)力分布面積與損傷面積比較Figure5 Comparisons of pressured area and bruise area for Korla pear with four counterfaces

3 結(jié)論

（1）香梨與鋼板及緩沖性能較低的橡膠板、HDPE板跌落碰撞時，應(yīng)力分布特征為近橢圓形，≤0.2MPa范圍應(yīng)力分布在邊緣且面積較小，不同范圍應(yīng)力呈正態(tài)分布，0.2～0.4MPa范圍的應(yīng)力面積最大，采用總應(yīng)力面積能夠較準(zhǔn)確估測損傷面積，相對誤差分別為4.84%，1.83%，3.21%。

（2）當(dāng)香梨與瓦楞紙板碰撞時，應(yīng)力分布邊緣特征不規(guī)則，≤0.2MPa范圍應(yīng)力面積較大，在較低高度跌落的接觸應(yīng)力呈非正態(tài)分布特點，采用＞0.2MPa范圍的應(yīng)力面積能夠較準(zhǔn)確估測損傷面積，相對誤差為6.81%。

1 李勝利，馬惠蘭.加快新疆特色林果業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展的思考［J］.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報.2002，25（增刊）：82～85.

2 Van Zeebroeck M，Van linden V，Darius P.The effect of fruit factors on the bruise susceptibility of apples［J］.Postharvest Biology and Technology，2007，46（1）：10～19.

3 中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.NY／T 585－2002庫爾勒香梨［S］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2002.

4 魏聞東.鮮食梨［M］.鄭州：河南科技出版社，2005：75～76.

5 Lewis R，Yoxall A，Marshall M B，et al.Characterizing pressure and bruising in apple fruit［J］.Wear，2008，264：37～46.

6 Herold B，Geyer M，Studman C J.Fruit contact pressure distributions equipment［J］.Computers and Electronics in Agriculture，2001，32（3）：167～179.

7 周祖鍔.農(nóng)業(yè)物料學(xué)［M］.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1994.

8 樊繼宏，朱青安，趙衛(wèi)東，等.壓敏片材料在關(guān)節(jié)生物力學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2001，18（2）：104～106.

9 Lu F，Ishikawa Y，Kitazawa H，et al.Measurement of impact pressure and bruising of apple fruit using pressure－sensitive film technique［J］.Journal of Food Engineering，2010，96（4）：614～620.

10 吳杰，郭康權(quán)，葛云，等.香梨果實跌落碰撞時的接觸應(yīng)力分布特性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（1）：250～254.

11 Mohsenin N N，Jindal V K，Manor A N.Mechanics of impact of a falling fruit on a cushioned surface［J］.Transaction of the ASAE，1978，34（3）：594～600.

12 Lewis R，Yoxall A，Canty L A，et al.Development of engineering design tools to help reduce apple bruising［J］.Journal of Food Engineering，2007，83（3）：356～365.