新疆無核白葡萄力學(xué)特性研究

孟 煒，丁 羽，劉媛媛，李風(fēng)娟，閆樹軍，范修文

（塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院，新疆　阿拉爾 843300）

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新疆無核白葡萄力學(xué)特性研究

孟 煒，丁 羽，劉媛媛，李風(fēng)娟，閆樹軍，范修文※

（塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300）

摘要：為降低葡萄在收獲、儲運過程中的機械損傷，給葡萄作業(yè)裝備設(shè)計提供理論依據(jù)，試驗測定了新疆無核白葡萄鮮果粒的幾何參數(shù)，對果粒進行了不同加載條件的壓縮試驗，計算得出剛度。試驗表明，無核白葡萄果粒的抗擠壓能力具有各向異性，且縱向大于橫向；研究結(jié)果可為無核白葡萄的收獲、加工和運輸?shù)忍峁├碚撘罁?jù)。

關(guān)鍵 詞：葡萄；無核白；力學(xué)特性；壓縮；剛度；研究

0　引言

葡萄是新疆的特色水果，尤其以吐魯番的葡萄最佳。這里生產(chǎn)的無核白葡萄皮薄、肉嫩、多汁、味美、營養(yǎng)豐富，有“珍珠”的美稱，其含糖量高達20%～24%，超過美國加利福尼亞州的葡萄，居世界之首。用無核白鮮葡萄制作的葡萄干含糖量可達60%，被視為葡萄中的珍貴品種。新疆栽培葡萄歷史悠久，品種十分豐富，約有600多個品種，有無核白、馬奶子、百家干、田紅、喀什哈爾、粉紅太妃等，尤其以無核白最為名貴。葡萄在收獲、加工和運輸過程中容易因受力而產(chǎn)生機械損傷，葡萄損傷后極易腐爛、變質(zhì)。水果的機械損傷與其力學(xué)特性密切相關(guān)［1］。國內(nèi)外學(xué)者針對水果收獲、儲運過程中產(chǎn)生的振動、靜載和撞擊的機械損傷等問題，對番茄、桔子、黃花梨、荔枝、西瓜和蘋果等水果的力學(xué)特性進行了研究［2～6］，研究結(jié)果表明：不同類型水果的力學(xué)特性存在本質(zhì)差異。目前，國內(nèi)外對水果和蔬菜力學(xué)特性及機械損傷的研究主要是針對蘋果和馬鈴薯的研究，蘋果和馬鈴薯屬于質(zhì)地較硬的仁果類水果蔬菜，而葡萄和番茄屬于漿果類水果蔬菜，這些漿果類水果蔬菜質(zhì)地較軟，在從生產(chǎn)基地到消費者手中的過程中，更易受到機械損傷的作用。目前，國內(nèi)外對葡萄和番茄等漿果類水果蔬菜損傷機理的研究很少，因此對這類水果進行力學(xué)特性和機械損傷的研究有一定的理論和實際意義。本文針對葡萄在收獲、儲運過程中與擠壓相關(guān)的力學(xué)特性，選擇新疆無核白葡萄為研究對象，測定了無核白葡萄果粒的宏觀幾何參數(shù)，并對其進行不同加載條件下的整果果粒的壓縮試驗。研究結(jié)果可為葡萄收獲、加工和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)中的機械裝備設(shè)計提供理論依據(jù)。

1　無核白葡萄果粒幾何參數(shù)的測定

1.1材料

測定材料是采自新疆阿拉爾市幸福農(nóng)場的無核白葡萄鮮果（采后12 h內(nèi)試驗），九成熟，個體大小差異不大，且需完好無破損并剪去果柄。

1.2果粒幾何參數(shù)的測定

將無核白葡萄鮮果分為2組，每組取10個，使用精度為0.02 mm的游標卡尺分別測量果粒的縱軸直徑和橫軸直徑，測量結(jié)果如表1所示。

表1　無核白葡萄幾何參數(shù)

2　無核白葡萄果粒壓縮試驗

試驗所使用的儀器是美國FTC公司生產(chǎn)的TMS-PRO食品物性分析儀（質(zhì)構(gòu)儀）。果粒壓縮試驗采用剛性平板壓頭，下壓板固定不動，上壓板垂直下壓，屬于準靜態(tài)范圍。無核白葡萄果粒隨機分為10組，每組20個，進行縱向（果梗延長線方向）和橫向（腰部方向）壓縮試驗。

3　結(jié)果與分析

3.1幾何參數(shù)測定結(jié)果

從表1可以看出，無核白葡萄的縱軸直徑平均值為23.14 mm，橫軸直徑平均值為15.52 mm，差異較大。因此，對無核白葡萄果粒進行受擠壓力學(xué)分析時可將果粒視為長橢球體。試驗結(jié)果與文獻［5］的研究一致。

3.2不同加載方向下果粒剛度的測定

由圖1、圖2可見，同一加載速率不同加載方向，無核白葡萄果粒的壓縮力學(xué)參數(shù)具有差異性，說明無核白果?？箶D壓能力具有各向異性特征。縱向壓縮和橫向壓縮曲線具有相似性，擠壓過程沒有明顯生物屈服點出現(xiàn)，擠壓力上升達到破裂力后，果皮發(fā)生破裂。果皮破裂后，擠壓力驟然下降。無核白葡萄的破裂力是壓縮特性中的重要參數(shù)，對應(yīng)著宏觀結(jié)構(gòu)的破壞，試驗測得橫向壓縮時的最大破裂力約為8.590 N，縱向壓縮時的最大破裂力約為7.108 N。

由于剛度是指力—位移曲線起始階段的斜率，利用無核白葡萄的壓縮數(shù)據(jù)，在excel中利用圖表中的散點圖，通過添加趨勢線得到從開始加載到果皮破裂階段的趨勢線是力關(guān)于位移的一次函數(shù)，見圖1（b）和圖2（b），分別是y=1.6217x+0.140（縱向）和y=1.873x-0.1459（橫向）。可見，無核白葡萄的剛度縱向壓縮時為1.6217×103Pa，橫向壓縮時為1.873×103Pa。

圖1　單粒無核白葡萄縱向壓縮的力—位移曲線

圖2　單粒無核白葡萄橫向壓縮的力-位移曲線

4　結(jié)論

本試驗以新疆無核白葡萄為原料，測得了它的宏觀幾何參數(shù)，采用TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀，通過壓縮試驗，研究了它的力學(xué)特性，主要得出以下結(jié)論：

（1）無核白葡萄單個果粒的縱軸直徑平均值為23.14 mm，橫軸直徑平均直徑平均值為15.52 mm，差異較大，進行作業(yè)裝備設(shè)計時可將無核白果粒近似看作長橢球體。

（2）果皮的裂紋現(xiàn)象有一定的規(guī)律，無論是縱向壓縮還是橫向壓縮，每次壓縮果皮的裂紋均只有一條，且均是沿加載方向的垂直方向延伸，當(dāng)對無核白葡萄果粒進行縱向加載時，其果皮破裂裂紋沿橫軸直徑方向，當(dāng)進行橫向加載時，其果皮破裂裂紋沿縱軸直徑方向，大多數(shù)裂紋出現(xiàn)在底部（與果梗相對的部分），部分裂紋只出現(xiàn)在腰部。

（3）其果粒受壓時，抵抗擠壓的能力具有各向異性特征，試驗表明縱向擠壓破裂力小于橫向。無核白葡萄的剛度縱向壓縮時為1.6217×103Pa，橫向壓縮時為1.873×103Pa，可見無核白葡萄受壓時抵抗變形的能力橫向大于縱向。

參考文獻：

［1］吳亞麗，郭玉明.果蔬生物力學(xué)性質(zhì)的研究進展及應(yīng)用［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工，2009，166（3）：34～49.

［2］陳燕，蔡偉亮，鄒湘軍等.荔枝鮮果擠壓力學(xué)特性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（8）：360～364..

［3］王劍平，王俊，陳善鋒等.黃花梨的撞擊力學(xué)特性研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2002，18（6）：32～35.

［4］王榮，焦群英，魏德強.葡萄與番茄宏觀力學(xué)特性參數(shù)的確定［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20（2）：54～57.

［5］王榮，焦群英，魏德強.葡萄與番茄宏觀力學(xué)特性參數(shù)的確定［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20（2）：54～57.

［6］王旭東，朱立學(xué)，劉江濤等.荔枝物理參數(shù)和機械特性的試驗研究［J］.農(nóng)機化研究，2007（12）：132～134.

［7］周祖鍔.農(nóng)業(yè)物料學(xué)［M］.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1994：40～50.

doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.01.003

中圖分類號:S663.1

文獻標識碼：A

文章編號：1007-7782（2016）01-0010-03

收稿日期：2016-03-09

基金項目：塔里木大學(xué)校長基金項目（TDZKSSZD201403）

通訊作者：范修文

Study on the Mechanical Properties of Xinjiang Seedless Grape

MENG Wei，DING Yu，LIU Yuan-yuan，LI Feng-juan，YAN Shu-jun，F(xiàn)AN Xiu-wen*
（Mechanical and electrical engineering college，Tarim University，Alar，843300，Xinjiang，China）

Abstract:In order to reduce the mechanical damage in the process of grape during its harvest，storage and transportation，To provide theoretical basis for grape operation equipment design，Xinjiang seedless grape grain geometry parameters were measured.Compression test of fruit subjected in different loading conditions，the stiffness of the seedless fruit is calculated.Tests show that the anti-extrusion capacity of the seedless grape grain has anisotropy，and the longitudinal compressive capacity is greater than the transverse.The research results may provide a theoretical basis for the grape harvest，processing and transportation etc.

Key word:Grape；Seedless；Mechanical properties；Compression；Rigidity；Study