蘋(píng)果采后加工碰撞損傷影響因素研究*

何曉東，朱德泉，朱健軍，薛康，于從羊，劉俊

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥市，230036)

0 引言

水果在清洗、分級(jí)和包裝等采后加工環(huán)節(jié)易發(fā)生機(jī)械損傷，碰撞是導(dǎo)致機(jī)械損傷最主要的原因[1]。我國(guó)是世界水果生產(chǎn)大國(guó)，生產(chǎn)量約占世界的14%，居世界首位。但在采后加工環(huán)節(jié)因碰撞損傷導(dǎo)致變質(zhì)、霉?fàn)€的水果高達(dá)30%～40%，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)百億元[2-5]。因此，深入研究水果采后加工過(guò)程中的碰撞損傷機(jī)理，對(duì)提高水果生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水果損傷方面開(kāi)展了大量的研究。Lin等[6]根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)，研究緩沖材料和溫度對(duì)成熟桃子損傷的影響，發(fā)現(xiàn)使用PU+CFB包裝材料在10 ℃ 時(shí)可顯著減少成熟桃子的機(jī)械損傷。?ztekin等[7]通過(guò)桃子跌落損傷試驗(yàn)研究了桃子和不同碰撞材料接觸的沖擊速度、加速度與損傷體積之間的關(guān)系，提出硼材料做緩沖材料可大幅度降低桃子的碰撞損傷。Dintwa等[8]運(yùn)用離散元素法模擬箱裝蘋(píng)果在不同層次的損傷情況，研究發(fā)現(xiàn)底層水果損傷程度最嚴(yán)重。盧立新等[9-11]針對(duì)蘋(píng)果減損包裝開(kāi)展了振動(dòng)強(qiáng)度、緩沖包裝結(jié)構(gòu)和放置層數(shù)對(duì)蘋(píng)果損傷影響研究，提出非線(xiàn)性黏彈性動(dòng)態(tài)流變模型和多層果實(shí)跌落沖擊模型。張蕾等[12]研究3種緩沖包裝結(jié)構(gòu)在各自共振頻率下定頻振15 min對(duì)油桃生理品質(zhì)的影響，研究得出由五層瓦楞紙板做成彈簧型結(jié)構(gòu)水果托緩沖包裝可保證90%的油桃在運(yùn)輸中不受振動(dòng)損傷。李小昱等[13-14]研究蘋(píng)果碰撞過(guò)程中損傷體積與吸收能量、最大加速度、襯墊厚度、碰撞時(shí)間等因素之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)蘋(píng)果的總損傷體積與吸收能量線(xiàn)性相關(guān)。孫慧杰等[15]研究了不同跌落高度下香梨與4種材料碰撞時(shí)的接觸應(yīng)力，確定了接觸應(yīng)力分布與香梨損傷之間的關(guān)系。以上學(xué)者在蘋(píng)果、梨子等脆皮水果在包裝材料碰撞損傷方面做了很多研究工作，但鮮有學(xué)者利用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論方法，詳細(xì)闡述蘋(píng)果在清洗、分級(jí)和包裝等整個(gè)采后加工過(guò)程中不同試驗(yàn)影響因子對(duì)蘋(píng)果損傷體積的影響，同時(shí)關(guān)于蘋(píng)果在不同碰撞材料下?lián)p傷臨界跌落高度的研究也少有涉及。

本文擬選用紅富士蘋(píng)果為試驗(yàn)材料，以跌落高度、果實(shí)質(zhì)量和碰撞材料為試驗(yàn)因素，開(kāi)展蘋(píng)果跌落沖擊試驗(yàn)，分析了試驗(yàn)因素對(duì)蘋(píng)果碰撞損傷體積影響的顯著性；并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定蘋(píng)果在2種碰撞材料下的損傷臨界跌落高度，為蘋(píng)果采后加工過(guò)程的損傷機(jī)理研究及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)于安徽省合肥市安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程園進(jìn)行。試驗(yàn)材料選用新鮮的山東紅富士蘋(píng)果，于2020年6月30日進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選，剔除有果病、果實(shí)形狀不規(guī)則、表面有損傷的蘋(píng)果，分別挑選單個(gè)質(zhì)量為(150±5) g、(200±5) g、(250±5) g的蘋(píng)果。

1.2 儀器設(shè)備

蘋(píng)果跌落試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)主要包括機(jī)架、標(biāo)尺(量程100 mm)、橢圓形夾緊裝置、高度調(diào)節(jié)裝置、傳感器平臺(tái)(傳感器量程：1 kN，精度±0.1%F.S)、應(yīng)變式傳感器數(shù)據(jù)采集儀(型號(hào)FD0825，采集頻率15 kHz，精度0.05%)、計(jì)算機(jī)。傳感器平臺(tái)由三個(gè)傳感器和上、下圓形不銹鋼板組成，傳感器均勻分布在平臺(tái)中，組成圓形受力區(qū)域，增大碰撞范圍，精確采集蘋(píng)果跌落沖擊信號(hào)且利用電壓補(bǔ)償法讓三個(gè)傳感器輸出靈敏度一致，并聯(lián)輸出電壓。蘋(píng)果靜態(tài)壓縮采用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(日本AG-X plus、量程1 kN、精度0.5%級(jí))，如圖2所示。

圖1 蘋(píng)果跌落試驗(yàn)臺(tái)

圖2 AG-X plus型高精度雙立柱萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)

1.3 試驗(yàn)方法

正交試驗(yàn)方法：(1)試驗(yàn)前，利用電子天平測(cè)量蘋(píng)果質(zhì)量并進(jìn)行標(biāo)記；(2)考慮蘋(píng)果實(shí)際碰撞中的撞擊部位，選取蘋(píng)果試樣的側(cè)邊圓平面，即跌落方向與蘋(píng)果果柄垂直；(3)利用高度調(diào)節(jié)裝置將橢圓形夾緊裝置固定在設(shè)置跌落高度，夾緊裝置將蘋(píng)果固定；(4)將傳感器平臺(tái)置在蘋(píng)果跌落試驗(yàn)臺(tái)，校準(zhǔn)后測(cè)試。

蘋(píng)果碰撞損傷試驗(yàn)方法：(1)選取蘋(píng)果數(shù)量50個(gè)，將蘋(píng)果置于萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)(平板壓頭，加載速度為2 mm/min，加載位移為10 mm)，得到蘋(píng)果加載力—形變量試驗(yàn)數(shù)據(jù)；(2)選取蘋(píng)果質(zhì)量為150 g、200 g、250 g，同一等級(jí)質(zhì)量差控制在5 g以?xún)?nèi)，設(shè)置跌落高度為100 mm，200 mm，300 mm，400 mm，500 mm；碰撞材料為普通碳素鋼和PE板，每個(gè)高度跌落3次，采集沖擊力與時(shí)間的信號(hào)。

2 正交試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)前期研究[10-23]選取初始跌落高度、果實(shí)質(zhì)量、碰撞材料為試驗(yàn)因素，蘋(píng)果碰撞損傷體積作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，初始跌落高度選取200 mm、400 mm、600 mm；碰撞材料選取普通碳素鋼、瓦楞紙、PE板；蘋(píng)果質(zhì)量選取150 g、200 g、250 g，同一等級(jí)質(zhì)量差控制在5 g以?xún)?nèi)；正交試驗(yàn)采用L9(34)[24]設(shè)計(jì)，試驗(yàn)同時(shí)設(shè)置空白列，如表1所示。每組試驗(yàn)重復(fù)10次并取平均值，利用Minitab 17軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表1 試驗(yàn)因素與水平

2.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)完成后將蘋(píng)果碰撞后的部位進(jìn)行標(biāo)記并放置在恒溫箱中，在溫度20 ℃下保存24 h。受損部位出現(xiàn)褐色，將受損部位沿表面切開(kāi)，測(cè)量受損面積的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度與短軸長(zhǎng)度，垂直方向沿著受損部位切開(kāi)，測(cè)量受損深度，蘋(píng)果損傷體積由式(1)計(jì)算得出[25-26]。

(1)

式中：V——損傷體積，mm3；

ω1——受損面積的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，mm；

ω2——受損面積的短軸長(zhǎng)度，mm；

h——受損深度，mm。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，對(duì)損傷體積V的極差分析結(jié)果如表3所示，對(duì)損傷體積V的方差分析結(jié)果如表4所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

表4 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果

由表3極差分析可知，影響蘋(píng)果碰撞損傷體積因素主次關(guān)系為跌落高度H>碰撞材料P>果實(shí)質(zhì)量M。由表4方差分析可知，試驗(yàn)因素H對(duì)蘋(píng)果碰撞損傷體積V影響極顯著，試驗(yàn)因素M、P對(duì)蘋(píng)果碰撞損傷體積V影響顯著；其顯著性由高到低依次為跌落高度H、碰撞材料P和果實(shí)質(zhì)量M。

跌落高度H越高，蘋(píng)果碰撞損傷體積V越大，果實(shí)質(zhì)量M越大，蘋(píng)果碰撞損傷體積V越大。主要原因是初始跌落高度越高，蘋(píng)果與材料接觸瞬間速度越大，碰撞壓力迅速增大；蘋(píng)果果實(shí)質(zhì)量越大，碰撞壓力越大，損傷體積也隨之增大。因此，在蘋(píng)果清洗、分級(jí)和包裝等采后加工處理過(guò)程中，合理降低蘋(píng)果的跌落高度、碰撞速度，可有效減少蘋(píng)果碰撞跌落損傷。

蘋(píng)果與普通碳素鋼、瓦楞紙、PE板碰撞損傷體積由大到小為普通碳素鋼、PE板、瓦楞紙，主要原因是普通碳素鋼硬度高，蘋(píng)果與其碰撞接觸后沒(méi)有緩沖作用時(shí)間，碰撞壓力增大，損傷體積也隨之增大；PE板次之；瓦楞紙相較于普通碳素鋼和PE板硬度較低，彈性較高，與蘋(píng)果碰撞后因具有緩沖作用，增加了碰撞作用時(shí)間，碰撞壓力減小，損傷體積也隨之減小。因此蘋(píng)果在清洗、分級(jí)和包裝過(guò)程中，可使用瓦楞紙和PE板降低蘋(píng)果碰撞跌落損傷。

3 蘋(píng)果跌落損傷臨界值

從3種質(zhì)量蘋(píng)果、3種跌落高度和3種碰撞材料的正交試驗(yàn)結(jié)果可知，影響蘋(píng)果碰撞損傷體積的因素由高到低依次為跌落高度、碰撞材料、果實(shí)質(zhì)量，跌落高度對(duì)蘋(píng)果損傷體積影響最大。因此，測(cè)定蘋(píng)果與不同碰撞材料的損傷臨界跌落高度至關(guān)重要，對(duì)蘋(píng)果采后加工過(guò)程中機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有著很大的作用；故本節(jié)以紅富士蘋(píng)果為研究對(duì)象，利用蘋(píng)果跌落試驗(yàn)臺(tái)與萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)相結(jié)合的方法，對(duì)不同質(zhì)量蘋(píng)果的碰撞損傷臨界跌落高度進(jìn)行研究。

3.1 跌落沖擊理論分析

針對(duì)果實(shí)跌落沖擊特點(diǎn)，本試驗(yàn)做出以下假設(shè)：(1)壓面板為剛性面板，不吸收能量，蘋(píng)果吸收所有能量；(2)蘋(píng)果為均勻球體狀，自由跌落時(shí)均勻受力。(3)沖擊時(shí)，忽略蘋(píng)果跌落時(shí)內(nèi)部的震動(dòng)[27]。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，蘋(píng)果做自由跌落運(yùn)動(dòng)時(shí)，蘋(píng)果所受到的沖擊力F，加速度a，速度v壓縮位移s之間的關(guān)系如式(2)～式(5)所示。

(2)

v=v0+a×Δt

(3)

(4)

s=v×Δt

(5)

式中：F——蘋(píng)果與材料撞擊的沖擊力，N；

v0——蘋(píng)果與材料撞擊的初始速度，m/s；

h——蘋(píng)果跌落高度，mm；

Δt——采樣點(diǎn)時(shí)間間隔，ms。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 蘋(píng)果靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

通過(guò)蘋(píng)果靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，得到蘋(píng)果加載力與形變量之間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖3所示。隨著蘋(píng)果形變量的增加，加載力呈不斷增大趨勢(shì)；A點(diǎn)之前加載力隨蘋(píng)果形變量的增加呈近似直線(xiàn)式增長(zhǎng)，這個(gè)階段為蘋(píng)果的彈性變形；A點(diǎn)之后曲線(xiàn)瞬間出現(xiàn)明顯波動(dòng)，形變量幾乎不變而加載力減小，此時(shí)蘋(píng)果開(kāi)始產(chǎn)生損傷；故將曲線(xiàn)中開(kāi)始出現(xiàn)明顯波動(dòng)的點(diǎn)A作為蘋(píng)果彈性變形與塑性變形的分界點(diǎn)，即生理屈服點(diǎn)。

對(duì)50個(gè)蘋(píng)果進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行散點(diǎn)繪圖，如圖4所示。從圖4可知，蘋(píng)果靜態(tài)壓縮試驗(yàn)時(shí)加載力與形變量整體呈線(xiàn)性變化趨勢(shì)，加載力隨形變量增加而增大，并且形變量多數(shù)集中在2～4 mm，此時(shí)蘋(píng)果開(kāi)始屈服產(chǎn)生損傷；對(duì)所有蘋(píng)果進(jìn)行分析可得加載力變化范圍為145.73～698.09 N，形變量變化范圍為2.10～8.02 mm。

圖3 蘋(píng)果加載力與形變量的曲線(xiàn)

表5 蘋(píng)果靜態(tài)壓縮下屈服點(diǎn)的形變量

圖4 加載力與形變量之間的關(guān)系

蘋(píng)果靜態(tài)壓縮試驗(yàn)屬于兩面受壓，而蘋(píng)果實(shí)際碰撞過(guò)程中為單面受損。故蘋(píng)果形變量應(yīng)取蘋(píng)果靜態(tài)壓縮試驗(yàn)的1/2，即蘋(píng)果單側(cè)承受形變量范圍為1.05～4.01 mm，為最大程度減少蘋(píng)果跌落造成的損傷，故選取蘋(píng)果單側(cè)所能承受形變量最小值作為蘋(píng)果跌落時(shí)所能承受形變量的參考，即1.05 mm。

3.2.2 蘋(píng)果跌落試驗(yàn)

3種質(zhì)量蘋(píng)果分別與普通碳素鋼和PE板進(jìn)行跌落沖擊試驗(yàn)，可得沖擊力—時(shí)間的曲線(xiàn)，如圖5、圖6、圖7所示。3種質(zhì)量的蘋(píng)果與普通碳素鋼和PE板碰撞時(shí)，隨著跌落高度的增加，沖擊力到達(dá)峰值的時(shí)間整體呈減少的趨勢(shì)且沖擊力會(huì)持續(xù)增大，主要原因是跌落高度增加，蘋(píng)果與碰撞材料接觸時(shí)速度增大，沖量增大，沖擊力迅速到達(dá)峰值；不同等級(jí)質(zhì)量的蘋(píng)果在同一高度與普通碳素鋼或PE板進(jìn)行碰撞時(shí)，蘋(píng)果果實(shí)質(zhì)量越大，碰撞時(shí)接觸的沖擊力也越大，損傷越嚴(yán)重；隨著果實(shí)質(zhì)量的增加，蘋(píng)果與材料碰撞時(shí)接觸面積增大，抵抗力比較大，撞擊過(guò)程緩慢，碰撞總時(shí)間延長(zhǎng)。

(a) 蘋(píng)果與普通碳素鋼

(a) 蘋(píng)果與普通碳素鋼

(a) 蘋(píng)果與普通碳素鋼

根據(jù)跌落沖擊理論分析，可得3種質(zhì)量蘋(píng)果與普通碳素鋼和PE板從不同跌落高度落下時(shí)蘋(píng)果跌落形變量與時(shí)間的曲線(xiàn)，如圖8、圖9、圖10所示。從圖可知，隨著跌落高度的增加，蘋(píng)果跌落形變量整體呈上升趨勢(shì)，這表明蘋(píng)果的損傷進(jìn)一步增大；并且隨果實(shí)質(zhì)量的增加，蘋(píng)果與兩種材料碰撞的總時(shí)間延長(zhǎng)。

(a) 蘋(píng)果與普通碳素鋼

(a) 蘋(píng)果與普通碳素鋼

(a) 蘋(píng)果與普通碳素鋼

由圖8、圖9、圖10可知，蘋(píng)果與2種碰撞材料進(jìn)行跌落試驗(yàn)時(shí)跌落形變量與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；其中以跌落高度為因變量，形變量為自變量，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，可得3種質(zhì)量蘋(píng)果與普通碳素鋼碰撞的擬合方程相關(guān)系數(shù)依次為0.993 6、0.994 1、0.990 0；與PE板碰撞的擬合方程相關(guān)系數(shù)依次為0.996 3、0.998 4、0.990 5，如圖11、圖12所示。

由表5可知，蘋(píng)果單側(cè)承受形變量最小值為1.05 mm，分別代入圖11、圖12中蘋(píng)果與碰撞材料的擬合曲線(xiàn)方程，可得蘋(píng)果與普通碳素鋼、PE板損傷臨界跌落高度，如表6所示。

圖11 蘋(píng)果與普通碳素鋼碰撞擬合曲線(xiàn)

圖12 蘋(píng)果與PE板碰撞擬合曲線(xiàn)

表6 蘋(píng)果損傷臨界跌落高度

4 結(jié)論

利用蘋(píng)果跌落試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)正交試驗(yàn)測(cè)試跌落高度、果實(shí)質(zhì)量和碰撞材料對(duì)蘋(píng)果碰撞損傷體積的影響，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了3種質(zhì)量蘋(píng)果在2種碰撞材料下的碰撞損傷臨界跌落高度。

1) 影響蘋(píng)果碰撞損傷體積的因素由高到低依次為初始跌落高度、碰撞材料和蘋(píng)果果實(shí)質(zhì)量，且初始跌落高度對(duì)蘋(píng)果碰撞損傷體積影響極顯著，碰撞材料和蘋(píng)果果實(shí)質(zhì)量對(duì)蘋(píng)果碰撞損傷體積影響顯著。

2) 150 g蘋(píng)果與普通碳素鋼、PE板碰撞損傷臨界跌落高度值分別為59.06 mm和70.93 mm；200 g蘋(píng)果與普通碳素鋼、PE板碰撞損傷臨界跌落高度值分別為51.70 mm和63.03 mm；250 g蘋(píng)果與普通碳素鋼、PE板碰撞損傷臨界跌落高度值分別為41.65 mm和49.88 mm。