緩沖材料彈性模量對(duì)雞蛋沖擊特性的影響研究

王育橋

（廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，佛山 528216）

緩沖材料彈性模量對(duì)雞蛋沖擊特性的影響研究

王育橋

（廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，佛山 528216）

就緩沖材料的彈性模量對(duì)雞蛋跌落沖擊特性的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，緩沖材料的彈性模量對(duì)沖擊力峰值和碰撞時(shí)間影響極顯著；建立了回歸方程，并對(duì)回歸方程進(jìn)行了曲線擬合，得出緩沖材料彈性模量與碰撞參數(shù)之間的變化規(guī)律，可以為雞蛋的加工、包裝和運(yùn)輸提供一定的參考。

彈性模量 沖擊力峰值 沖擊時(shí)間 沖擊特性

0 引言

雞蛋屬于易損食品，在運(yùn)輸、包裝和加工過程中容易發(fā)生破損，而這些破損很多是由于沖擊造成的，本文就緩沖材料彈性模量對(duì)雞蛋沖擊影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)減少蛋品在運(yùn)輸、包裝過程中的破損具有一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

1）試驗(yàn)所用的雞蛋購于某養(yǎng)雞場(chǎng)，蛋產(chǎn)自同一天。

2）試驗(yàn)用緩沖材料為聚乙烯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料和瓦楞紙4種常用的包裝材料，材料厚度均為10 mm，尺寸均為60 mm×60 mm。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用的沖擊臺(tái)如圖1所示，由實(shí)驗(yàn)架、真空吸盤、擋板、緩沖材料、壓電傳感器、薄鋼片和支撐臺(tái)組成。做沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)，真空吸盤將將吸附的雞蛋釋放，落在緩沖材料上，對(duì)傳感器產(chǎn)生沖擊并產(chǎn)生信號(hào)，信號(hào)經(jīng)與傳感器相連的一系列裝置處理之后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)保存到電腦硬盤，再根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理[1]。

圖1 沖擊試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.1 The schematic drawing of impact test-bed

1.3 試驗(yàn)方法

取雞蛋大頭作為沖擊部位，緩沖材料為預(yù)先準(zhǔn)備好的聚乙烯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料和瓦楞紙，將雞蛋在距緩沖材料100 mm高度進(jìn)行跌落沖擊試驗(yàn)，每種材料各試驗(yàn)10次，記錄每次試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和蛋品的破損情況，繪出沖擊力-時(shí)間曲線圖，分析不同緩沖材料對(duì)沖擊力和碰撞時(shí)間的影響[2]。

2 不同緩沖材料的碰撞試驗(yàn)及初步分析

由試驗(yàn)得到4種緩沖材料的典型沖擊力-時(shí)間曲線圖，如圖2所示，是雞蛋同一部位（大頭）在同一高度（100 mm）跌落、與不同材料發(fā)生碰撞時(shí)的典型沖擊力-時(shí)間曲線圖。

圖2 不同緩沖材料沖擊力-時(shí)間曲線圖Fig.2 Different curves of force-time from different cushion materials

表1 不同緩沖材料時(shí)的沖擊力均峰值和平均碰撞時(shí)間Table 1 Average peak force and average impact time from different cushion materials

4種緩沖材料的彈性模量各不相同，分別對(duì)各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的沖擊力峰值和碰撞時(shí)間取平均值，得到的結(jié)果如表1所示。

3 沖擊力峰值與緩沖材料彈性模量關(guān)系

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了碰撞過程中的沖擊力峰值與材料彈性模量關(guān)系散點(diǎn)圖，如圖3所示。

對(duì)表1和圖3分析可知，4種緩沖材料的彈性模量依次增大，沖擊力峰值也隨之增大。為了找出彈性模量與沖擊力峰值之間的相互關(guān)系，用SAS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可知沖擊力峰值和材料彈性模量之間函數(shù)關(guān)系式為[3]：

式中 Y為沖擊力峰值，N；X為材料彈性模量，kPa。

用方差分析對(duì)方程進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 沖擊力峰值與彈性模量方差分析表Tab1e2 Variance analysis of peak force to material modulus of elasticity

圖3 沖擊力峰值與材料彈性模量關(guān)系Fig.3 Peak force vs material modulus of elasticity

經(jīng)查表，F(xiàn)0.01（3，36） =4.38，F(xiàn)值為 247.16≥F0.01（3，36）=4.38，說明緩沖材料的彈性模量對(duì)沖擊力的峰值的影響極顯著[3]。用Matlab對(duì)曲線進(jìn)行擬和[4]發(fā)現(xiàn)沖擊力峰值隨緩沖材料的彈性模量增大而增大，如圖4所示，該曲線與散點(diǎn)圖（圖3）變化趨勢(shì)很相似，說明該方程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

4 碰撞時(shí)間與緩沖材料彈性模量關(guān)系

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了碰撞時(shí)的碰撞時(shí)間與材料彈性模量關(guān)系散點(diǎn)圖，如圖5所示。

由圖5可知，隨著緩沖材料彈性模量增大，碰撞時(shí)間隨之減少。為找出彈性模量與碰撞時(shí)間之間的關(guān)系，用SAS軟件分析得，可知碰撞時(shí)間和材料彈性模量之間函數(shù)關(guān)系式為[2]：

式中 T為碰撞時(shí)間，ms；X為材料彈性模量，kPa。

圖4 沖擊力峰值與彈性模量關(guān)系曲線Fig.4 Curves fitting of peak force from material modulus of elasticity

圖5 碰撞時(shí)間與材料彈性模量關(guān)系Fig.5 Impact time vs material modulus of elasticity

用方差分析對(duì)方程進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

經(jīng)查表，F(xiàn)0.01（3，36）=4.38，F(xiàn)值為211.36≥F0.01（3，36）=4.38，故知緩沖材料的彈性模量對(duì)碰撞時(shí)間的影響極顯著。用Matlab對(duì)曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)碰撞時(shí)間隨緩沖材料的彈性模量增大而減小[2]，如圖6所示。該曲線與散點(diǎn)圖（圖5）的變化趨勢(shì)很相似，說明該方程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

表3 碰撞時(shí)間與彈性模量方差分析表Tab1e3 Variance analysis of impact time to material modulus of elasticity

圖6 碰撞時(shí)間與彈性模量關(guān)系曲線Fig.6 Curves fitting of impact time from material modulus of elasticity

5 結(jié)論

通過試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，可以得出如下結(jié)論：

1）緩沖材料彈性模量對(duì)沖擊力峰值的影響極顯著，沖擊力峰值隨緩沖材料彈性模量增加而增大；

2）緩沖材料彈性模量對(duì)碰撞時(shí)間的影響極顯著，碰撞時(shí)間隨緩沖材料彈性模量增加而減小；

3）在條件許可的情況下盡量選取彈性模量較小的包裝材料，并選取合適的包裝方法，減小碰撞強(qiáng)度和碰撞發(fā)生概率，減少蛋品的破損率。

[1]王育橋.雞蛋跌落沖擊臺(tái)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2007（5）：30—33.

[2]王育橋.雞蛋跌落沖擊特性研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007：30—33.

[3]余家林.農(nóng)業(yè)多元試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)[M].北京：北京農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，1993：81—94.

[4]鄭阿奇，曹弋，趙陽.MATLAB實(shí)用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：115—128.

The Study of the Influence of the Elastic Modulus of the Cushion Materials on the Dropping Impact Characteristic of the Egg

Wang Yuqiao
(Guangdong Vocational College of Environmental Protection Engineering，F(xiàn)oshan 528216,China)

The influence of the elastic modulus of cushion materials on peak force and impact time was studied.Of test data analysis,the elastic modulus of materials evidently influence the impact parameters,such as contact time and peak force.The regression equations have been established.The curves fitting have been made for the regression equations.The relationship between every factor and impact parameters were found.It may provide certain reference for processing,packaging and transporting eggs.

elastic modulus of cushion materials;peak force;impact time；impact characteristic

王育橋（1981-）,男，湖北漢川人，碩士，講師。研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)。佛山 廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，528216。E-mail:jewelwangyq@sina.com