河套蜜瓜跌落沖擊特性

王芳++韓媛媛++魏星++田海清++張子義

摘要：為掌握蜜瓜的沖擊特性，降低其在運(yùn)輸中受沖擊作用的機(jī)械損傷，以河套蜜瓜為研究對象，采用正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)，分別研究跌落高度、跌落角度、蜜瓜質(zhì)量對沖擊加速度的影響。結(jié)果表明：對沖擊加速度的影響排序?yàn)榈涓叨?跌落角度>蜜瓜質(zhì)量，且蜜瓜質(zhì)量對沖擊加速度的影響顯著；在質(zhì)量、硬度相近的情況下，沖擊加速度隨著跌落高度的增加而增大，果梗垂直跌落時(shí)的沖擊加速度比水平跌落的大，且沖擊時(shí)間比水平跌落的長。試驗(yàn)結(jié)果對進(jìn)一步研究蜜瓜的沖擊力學(xué)特性、損傷機(jī)制有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：河套蜜瓜；沖擊；跌落；加速度

中圖分類號(hào)： S121文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）08-0199-03

蜜瓜是黏彈性體，且具有貯藏性差的特點(diǎn)，在運(yùn)輸過程中易受到?jīng)_擊、振動(dòng)、擠壓等作用，造成損傷，從而影響其商品性和貯藏性[1]。研究蜜瓜沖擊碰撞的力學(xué)行為，對于控制和預(yù)測跌落沖擊損傷有理論意義。國內(nèi)外一直以來都有相關(guān)學(xué)者在這一領(lǐng)域進(jìn)行研究。Siyami等對蘋果做碰撞試驗(yàn)，通過多元線性回歸方程建立蘋果損傷直徑預(yù)測模型[2]；Schoorl等以蘋果為研究對象提出著名的水果損傷能量原理[3]；Menesatti等提出了下降損傷指數(shù)（DDI）的概念，并通過對4種果實(shí)（蘋果、桃、梨、杏）的試驗(yàn)得出：DDI可以用來測定果實(shí)沖擊破壞的敏感度或抗力，還建立了桃的跌落沖擊破壞預(yù)測統(tǒng)計(jì)模型[4]。Menesatti等用線性模型和非線性模型分析了果實(shí)跌落損傷的破壞指標(biāo)，經(jīng)過比較分析，得出采用非線性模型來表示更加合適[5]；陳善鋒研究了梨下落碰撞時(shí)不同因素的加速度特性[6]；盧立新進(jìn)行了紅富士蘋果在不同高度下的跌落試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行模型參數(shù)的識(shí)別[7]；吳杰等采用感壓膠片測量了香梨與4種材料碰撞時(shí)的接觸應(yīng)力，確定香梨果損傷與接觸應(yīng)力分布的關(guān)系[8]；孫慧杰等在吳杰等的研究[8]基礎(chǔ)上通過有限元模擬方法對香梨的損傷面積進(jìn)行了預(yù)測分析[9]。

本試驗(yàn)以內(nèi)蒙古當(dāng)?shù)氐奶禺a(chǎn)河套蜜瓜為研究對象進(jìn)行跌落試驗(yàn)。測定蜜瓜的跌落損傷臨界高度，分析跌落高度、跌落角度、蜜瓜質(zhì)量對沖擊特性的影響，以期為預(yù)測蜜瓜損傷機(jī)制提供基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

選用河套蜜瓜作為試驗(yàn)材料，產(chǎn)地為內(nèi)蒙古巴彥淖爾市。試驗(yàn)所選蜜瓜形狀規(guī)則，硬度相近，表面無損傷，質(zhì)量為 1.2～1.6 kg/個(gè)。

1.2試驗(yàn)設(shè)備與方法

河套蜜瓜與剛性表面的跌落沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。加速度傳感器為BK公司的4500-B-001系列。先將加速度傳感器固定在蜜瓜表面，再將試樣放置在沖擊臺(tái)托架上。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，按動(dòng)“升降”按鈕自由選定試驗(yàn)所需高度，然后按動(dòng)“準(zhǔn)備”按鈕，氣缸活塞伸出，放置試樣，再按動(dòng)“跌落”按鈕，使氣缸活塞迅速縮進(jìn)，試樣作自由落體，并采用美國Vision Research公司的Phantom Miro2高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍照，記錄跌落全過程，用BK 3050-B-060型六通道Pulse LAN-XI數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，然后用TEMA高速運(yùn)動(dòng)分析軟件得到?jīng)_擊跌落過程的時(shí)間-加速度曲線。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按質(zhì)量、硬度選取3組蜜瓜，每組蜜瓜質(zhì)量差控制在20 g

之內(nèi)，硬度差控制在0.15 MPa之內(nèi)；蜜瓜跌落高度設(shè)定為220、240、260、280、300、330、350、380、400、450 mm，在每個(gè)高度，從每組中各選取5個(gè)蜜瓜進(jìn)行試驗(yàn)，從不同跌落高度進(jìn)行跌落沖擊試驗(yàn)，記錄跌落過程的沖擊加速度信號(hào)；試驗(yàn)后將蜜瓜于常溫放置24 h，用Matlab圖像處理方法測定其損傷面積，并以此為依據(jù)，判斷損傷臨界高度[10]。

選取蜜瓜質(zhì)量、跌落高度、跌落角度3個(gè)因素，以蜜瓜跌落沖擊的加速度作為試驗(yàn)指標(biāo)，采取正交試驗(yàn)、單因素試驗(yàn)。沖擊前位置包括蜜瓜瓜柄水平放置（0°）、瓜柄垂直放置（90°）2種。正交試驗(yàn)因素水平見表1。

2結(jié)果與分析

2.1損傷臨界跌落試驗(yàn)結(jié)果

蜜瓜跌落后的損傷面積與跌落高度的關(guān)系如圖2所示，可見蜜瓜跌落后出現(xiàn)可見損傷的臨界高度為（200±5）mm。

2.2正交試驗(yàn)結(jié)果與方差分析

為研究不同因素對蜜瓜沖擊加速度的影響顯著性，按照L9（34）正交設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。由表2可見，各因素對沖擊加速度影響的主次順序是A>C>B，即跌落高度>跌落角度>蜜瓜質(zhì)量。

2.3蜜瓜在跌落過程中的力學(xué)特性分析

由測試系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到高度相同、硬度相近、質(zhì)量不同的蜜瓜沖擊加速度曲線，如圖3所示，在蜜瓜下跌過程中

加速度保持不變，發(fā)生剛性沖擊的瞬間加速度達(dá)到最大值，由于蜜瓜是黏彈性體，因此在沖擊過程中會(huì)發(fā)生多次碰撞，最終靜止。

2.4單因素試驗(yàn)及分析

2.4.1不同跌落高度對沖擊加速度的影響對質(zhì)量、硬度相近的蜜瓜試樣做不同高度的跌落試驗(yàn)，在每個(gè)高度選取3個(gè)試樣試驗(yàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由圖4、圖5可知，沖擊加速度峰值隨跌落高度的增加而增大；隨著高度的增加，沖擊時(shí)間有所縮短，但變化較小。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到蜜瓜跌落試驗(yàn)中不同高度與沖擊加速度的關(guān)系，對數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到的回歸方程如下：

Y=0.000 009X3-0.008 2X2+2.416 9X-102.83，r2=0.940 6。（1）

式中：Y為沖擊加速度峰值，m/s2；X為跌落高度，mm。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析得F0.05（4，10）=3.478，F(xiàn)值為3999，F(xiàn)>F0.05，因此可見跌落高度對沖擊加速度峰值影響顯著。

2.4.2不同跌落角度對沖擊加速度的影響選取3組試樣，每組試樣的質(zhì)量、硬度相近，且定義蜜瓜果梗水平放置為水平跌落，果梗垂直放置為垂直跌落，每組試樣分別在同一高度下做不同角度的跌落試驗(yàn)。由圖6可知，在相同質(zhì)量、相同硬度下，垂直跌落的蜜瓜加速度比水平跌落的大，且沖擊時(shí)間比水平跌落的長，這可能是由于瓜柄位置可食用部分硬度略大于水平跌落位置處理瓜瓤的硬度，也可能與表面接觸面積有關(guān)[11]。

2.4.3不同蜜瓜質(zhì)量對沖擊加速度的影響根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到蜜瓜跌落試驗(yàn)中不同蜜瓜質(zhì)量與沖擊加速度的關(guān)系，對數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到的回歸方程如下：

垂直跌落：

Y=0.000 2X2-0.038X+148，r2=0.998 7；（2）

水平跌落：

Y=0.000 1X2+0.067X+113.25，r2=0.990 4。（3）

式中：Y為沖擊加速度峰值，m/s2；X為質(zhì)量，kg。

對數(shù)據(jù)方差分析可知，F(xiàn)0.05（2，6）=5.143 2，垂直跌落的F值為70.2，水平跌落的F值為56.93，F(xiàn)>F0.05。故在其他條件相同的情況下，蜜瓜質(zhì)量對沖擊加速度峰值影響顯著，且質(zhì)量越大，沖擊加速度越大，詳見圖7。

3結(jié)論

蜜瓜在跌落沖擊試驗(yàn)中存在黏滯性，且（200±5）mm為

蜜瓜跌落臨界損傷高度。對沖擊加速度的影響因素主次順序是跌落高度>跌落角度>蜜瓜質(zhì)量。在質(zhì)量、硬度相近時(shí)，沖擊加速度隨著跌落高度的增加而增加，且影響顯著；在質(zhì)量、硬度相近且跌落高度相同時(shí)，垂直跌落的蜜瓜加速度比水平跌落的大?？梢钥闯?，蜜瓜質(zhì)量對沖擊加速度有影響，沖擊加速度隨著質(zhì)量的增大而增大。

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