振動沖擊復合載荷對庫爾勒香梨損傷影響研究

張權威，劉 揚，于世輝，蔣 鑫，張 瑞，張 宏※

（1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾843300;2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室）

0 引言

庫爾勒香梨品質(zhì)優(yōu)良，汁多味美，深受廣大消費者青睞[1]。但因其皮薄肉脆等自身屬性，在采后加工易受到機械損傷。香梨在實際生產(chǎn)中受到的損傷是多種載荷共同作用的結(jié)果，其中以沖擊損傷和振動損傷為主[2-3]。香梨損傷部位容易滋生細菌，造成香梨內(nèi)部組織的腐敗使香梨品質(zhì)下降，每年因損傷造成的經(jīng)濟損失達6 000萬元以上，嚴重制約香梨產(chǎn)業(yè)發(fā)展[4]。因此減少振動沖擊復合載荷對香梨的損傷，降低腐爛率，可為香梨采后加工過程提供理論指導，對提高經(jīng)濟效益具有重要意義。

關于載荷作用對水果損傷影響方面，國內(nèi)外學者多以單一載荷形式研究為主。在沖擊損傷方面的研究中。Springael證明了沖擊是蘋果機械損傷的主要原因[5]。Schoorl在沖擊損傷試驗中發(fā)現(xiàn)沖擊能量越多損傷越大[6]。Schulte指出紙質(zhì)托盤能減緩沖擊對蘋果的影響[7]。振動損傷方面，李曉娟對鴨梨進行了模擬振動試驗，結(jié)果表明當頻率一定時，鴨梨的損傷程度會隨著振動加速度的增大而增大，當加速度一定時，鴨梨的損傷程度會隨著振動頻率減小而增大[8]。Jarimopas對柑橘在不同的運輸條件下受到的振動損傷展開研究，研究表明瀝青路面振動損傷最小[9]。但是在實際貯運過程中，香梨遭受的損傷是多種載荷共同作用的結(jié)果，仍需針對實際工況展開研究。盧立新模擬了實際公路運輸工況下香梨的損傷情況，表明包裝方式對果實的損傷保護不同，其中用瓦楞紙板以及網(wǎng)罩組合包裝方式減損效果最好[10]。謝丹丹模擬了實際運輸工況，表明了振動強度越大對獼猴桃生理品質(zhì)影響就越大[11]。上述研究學者針對實際工況進行模擬研究，并未闡釋復合載荷損傷機理。因此需要從實際角度出發(fā)，明晰復合載荷損傷機理，能為香梨在實際采后加工過程受到多種復合載荷提供科學理論依據(jù)。然而，關于庫爾勒香梨振動沖擊復合載荷損傷相關研究鮮有報道。

本文對不同成熟度下庫爾勒香梨進行單一載荷下的沖擊損傷試驗和振動損傷試驗，探究其損傷變化規(guī)律，并以上述試驗為基礎，研究振動沖擊復合載荷對香梨損傷面積的影響規(guī)律，建立復合載荷與損傷面積間的數(shù)學模型，可為香梨在實際生產(chǎn)過程中減損提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

庫爾勒香梨樣品在2019年9月1日采摘自位置于阿拉爾市10團10連的優(yōu)質(zhì)香梨園，每隔4天采摘一次，試驗樣品選取大小相似、形狀均勻、果重相當、無病蟲害、去青皮的香梨。每次采摘的香梨記為一個成熟度，共采摘8次，分別記為H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8。

1.2 試驗方法

1.2.1 損傷面積的測定

將損傷的庫爾勒香梨放置在室內(nèi)24 h以上使其充分褐變，去除損傷表皮，褐變后香梨表面損傷可輕易用肉眼識別，因此測量香梨損傷面積采用吳杰等人[12]的損傷面積法，測量損傷區(qū)域的長半軸a與短半軸b。

式中：S—損傷面積，mm2；a—損傷區(qū)域長半軸，mm；b—損傷區(qū)域短半軸，mm。

1.2.2 沖擊損傷試驗

參考盧立新建立的瓦楞紙板模型[13]，采用自制沖擊損傷試驗臺，在試驗臺上鋪上齒形為UV型、楞型為A型的瓦楞紙板三層。選用不同的跌落高度，試驗表明沖擊30 cm會出現(xiàn)損傷，150 cm會出現(xiàn)表皮破裂，所以設定試驗的沖擊高度為30~150 cm，每隔20 c m為一組，每組試驗重復十次，24 h后測量損傷面積，取平均值。

自行設計試驗臺如圖1。工作時將水果放到吸盤正下方，打開空氣閥門開關，水果吸附在吸盤上。將吸盤上升到一定高度，記錄沖擊高度，關閉空氣閥門，水果下落至平臺上，單次試驗完成。

圖1 沖擊損傷試驗臺

1.2.3 振動損傷試驗

采用胡洋和孫儷等人[14-15]的方法，將庫爾勒香梨放在振動損傷試驗臺上進行振動，根據(jù)ISTA/ASTM標準[16]和文獻[17]，轉(zhuǎn)速選取180 r/min，對應的振動頻率為3Hz。振動時間為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，每組試驗取十次重復，24 h后測量損傷面積，取平均值（圖2）。試驗臺參數(shù)如下：

圖2 振動損傷試驗臺

工作臺面尺寸（mm×mm）1 000×1200

模擬車速（km/h）25~40

振動方式 回轉(zhuǎn)Gyration

振幅范圍（mm）25.4

頻率范圍（rpm）100~300

最大負載（kg）100

1.2.4 振動沖擊復載損傷試驗

將庫爾勒香梨放置于振動損傷試驗臺上，振動一定時間后觀察香梨損傷部位，將香梨放置于沖擊損傷試驗臺上使損傷部位正對瓦楞紙板，做到先振動再沖擊，振動損傷試驗臺的轉(zhuǎn)速取180 r/min。為了不使香梨因振動時間過長及沖擊高度過高而出現(xiàn)大范圍損傷，振動時間設定為0.5 h、1 h、2 h、3 h，沖擊高度設定為30 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm，每組試驗重復十次并取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 沖擊載荷對香梨損傷的影響

不同成熟度下的香梨損傷面積隨沖擊高度的變化規(guī)律如圖3，香梨損傷面積整體是隨著沖擊高度的增大而增大的，其中香梨成熟度初期關系接近，即H1與H2接近，成熟度末期曲線接近，即H7與H8接近，說明受載荷作用損傷面積關系接近，損傷面積變化小，成熟度對香梨損傷影響不明顯。成熟度中期，即H3~H6時，受載荷作用損傷面積關系遠離，損傷面積變化大，說明成熟度的香梨受載荷作用明顯。

圖3 不同成熟期香梨沖擊高度與損傷面積間的關系

2.2 振動載荷對香梨損傷影響

振動時間對不同成熟度香梨損傷面積影響規(guī)律如圖4，振動損傷面積整體是隨著振動時間的增大而增大的，其中香梨成熟度初期關系接近，即H1、H2接近，成熟度末期曲線接近，即H7、H8、H9接近，說明受載荷作用損傷面積關系接近，損傷面積變化小，成熟度對香梨損傷影響不明顯。成熟度中期，即H3、H4、H5時，受載荷作用損傷面積關系遠離，損傷面積變化大，說明成熟度的香梨受載荷作用明顯。

圖4 不同成熟度香梨損傷面積隨時間變化規(guī)律

2.3 振動沖擊復合載荷對香梨損傷影響

振動沖擊復合載荷大小與損傷面積的關系如圖5，不同的振動時間，損傷面積均隨著沖擊高度的增加而增加。當沖擊高度一定時，損傷面積隨著振動時間的增長而增加。不同成熟度香梨硬度不同，受振動沖擊復合載荷的損傷面積有差別，成熟度為H1與H2的復合載荷大小與損傷面積變化曲線近似，成熟度為H3、H4、H5的振動復合載荷大小與損傷面積變化曲線差異較大，成熟度為H6、H7、H8的復合載荷大小與損傷面積變化曲線近似。先振動0.5 h后再沖擊的損傷面積隨沖擊高度變化曲線（圖5a）與圖3一致，說明振動0.5 h對香梨沒有造成振動損傷，因此沖擊與振動不產(chǎn)生交互作用。先振動1 h、2 h、3 h后再進行沖擊的損傷面積隨沖擊高度變化曲線（圖5）與圖3不一致，損傷面積明顯大于沖擊載荷損傷面積，說明振動時間大于1 h對香梨產(chǎn)生振動損傷，因此再進行沖擊會產(chǎn)生交互作用。

圖5 振動沖擊復合載荷與損傷面積的關系

觀察圖5中的曲線可以看出損傷面積與復合載荷成二次函數(shù)關系，對不同復合載荷下的損傷面積數(shù)據(jù)進行一元二次多項式的回歸分析，得到數(shù)學模型為：

式中Y—復載損傷面積，mm2；X—跌落高度，cm；a、b、c—為常數(shù)。

振動沖擊復合載荷數(shù)學模型如表1~表4。在振動0.5 h后沖擊高度與損傷面積的數(shù)學模型中，香梨成熟度為H3和H5的數(shù)學模型R2為0.9998，擬合效果較優(yōu)。在振動1h后沖擊高度與損傷面積數(shù)學模型中，香梨成熟度H3和H4的數(shù)學模型R2為0.9999，擬合效果較優(yōu)。在振動2 h后沖擊高度與損傷面積數(shù)學模型中，香梨成熟度H3和H4的數(shù)學模型R2分別為0.9943與0.9933，擬合效果較優(yōu)。在振動3 h后沖擊高度與損傷面積數(shù)學模型中，香梨成熟度H4的數(shù)學模型R2為0.9928，擬合效果較優(yōu)。各振動沖擊復合載荷數(shù)學模型R2均接近于1，擬合程度較好。

表1 振動0.5h后沖擊高度與損傷面積的數(shù)學模型

表4 振動3h后沖擊高度與損傷面積的數(shù)學模型

該模型可表征不同成熟度香梨損傷面積與復合載荷間的關系，根據(jù)損傷面積，分析香梨受復合載荷大小，選取不同成熟度香梨合理的包裝方式、包裝材料、運輸方式，最終減少香梨在采后加工過程中的損傷。

表2 振動1h后沖擊高度與損傷面積的數(shù)學模型

表3 振動2h后沖擊高度與損傷面積的數(shù)學模型

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)香梨在成熟初期與末期時，振動、沖擊載荷作用對香梨損傷面積關系相近，而在成熟中期，振動、沖擊載荷作用對香梨損傷面積關系遠離。主要是因為香梨細胞壁會隨著果實的成熟發(fā)育而下降，果實硬度下降，整體硬度呈現(xiàn)“穩(wěn)定—快速變化—穩(wěn)定”的變化規(guī)律[18-20]，所以在香梨成熟初期與末期，同一載荷不同成熟度損傷面積變化不明顯，而在香梨成熟中期時，同一載荷不同成熟度損傷面積變化較為明顯。因此，在成熟初期與末期采摘香梨時，香梨受載荷影響波動較小，在成熟中期，香梨受載荷作用波動較大，故此階段應盡快采摘，減少香梨因損傷帶來的經(jīng)濟損失。

香梨損傷的外部原因主要來自載荷作用，沖擊和振動是香梨實際生產(chǎn)中最主要的載荷形式，在實際生產(chǎn)過程中香梨受到的損傷是多種載荷共同作用的結(jié)果，本研究試驗以上述試驗為基礎，貼合實際生產(chǎn)過程研究振動沖擊復合載荷作用下香梨的損傷規(guī)律。

研究發(fā)現(xiàn)，香梨振動時間大于1 h后再進行沖擊的損傷變化規(guī)律，與單一沖擊損傷變化規(guī)律（圖4）不一致，認為產(chǎn)生交互作用，據(jù)周然、李萍研究表明，黃花梨的硬度隨振動時間增加而減小[21-22]，隨著香梨振動1 h損傷部位硬度下降，損傷部位仍然具有一定抗載作用來消耗一些沖擊能量，剩余的沖擊能量會對振動損傷部位造成二次損傷，因此復載損傷面積小于單一載荷沖擊損傷面積與振動損傷面積的和，既表現(xiàn)為復合載荷損傷規(guī)律與沖擊載荷損傷規(guī)律不一致。復合載荷產(chǎn)生的交互作用對香梨影響較為復雜，其規(guī)律有待更深入的研究。

4 結(jié)論

（1）香梨損傷面積隨著沖擊高度與振動時間的增長而增大。在香梨成熟初期與末期，同一載荷不同成熟度損傷面積變化不明顯，成熟中期，同一載荷不同成熟度損傷面積變化明顯。在成熟初期與末期采摘，受載荷影響波動較小，在成熟中期采摘，受載荷影響波動較大，需盡快采摘，減少香梨損傷。

（2）振動0.5 h再沖擊的復載作用下，不產(chǎn)生交互作用。在振動1 h后沖擊的復載作用下產(chǎn)生交互作用。建立不同成熟度香梨不同振動時間下沖擊高度與復載損傷面積間的數(shù)學模型復合二次函數(shù)。該模型可表征不同成熟度香梨損傷面積與復合載荷間的關系，可為香梨采后加工過程減損提供理論指導。