香梨跌落碰撞接觸應(yīng)力分布特性及損傷估測(cè)

孫慧杰 吳 杰 馮 哲

SUN Hui－jieWU JieFENG Zhe

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；

2.教育部綠洲特色經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)機(jī)械化工程研究中心，新疆 石河子832003）

庫爾勒香梨在整個(gè)流通鏈中要經(jīng)過采摘、分級(jí)、儲(chǔ)藏和銷售等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)的機(jī)械化和自動(dòng)化作業(yè)會(huì)產(chǎn)生香梨與接觸件的碰撞損傷，從而導(dǎo)致香梨品質(zhì)和商品率降低［1］。因此需要對(duì)香梨與不同材料的碰撞特性進(jìn)行研究，為香梨機(jī)械化和自動(dòng)化作業(yè)過程的減損設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

梨果碰撞后的損傷部位會(huì)發(fā)生褐變，由于褐變面積易于觀察和測(cè)量，已成為實(shí)踐中梨果碰撞損傷判斷及外觀等級(jí)劃分的主要依據(jù)［2，3］。例如，在梨果品質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中就有明確規(guī)定［4］，一級(jí)果碰壓面積≤50mm2，二級(jí)果碰壓面積≤100mm2。已有的研究［5，6］發(fā)現(xiàn)，梨果受載時(shí)的接觸應(yīng)力分布與損傷面積有直接的關(guān)系，因而成為果實(shí)損傷研究重要的切入點(diǎn)。早期，對(duì)于具有復(fù)雜幾何特征的果品，傳統(tǒng)力學(xué)測(cè)試儀器還很難實(shí)現(xiàn)其受載的接觸應(yīng)力分布測(cè)量，盡管可采用Hertz彈性接觸公式進(jìn)行理論計(jì)算，但是果實(shí)的各向異性和粘彈特性使Hertz公式計(jì)算的接觸應(yīng)力分布結(jié)果誤差很大［7］。最近，美國(guó)和日本研制的感壓膠片作為一種非破壞式的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了柔性材料和具有曲面特征的材料的不同受載條件下的接觸應(yīng)力分布測(cè)量分析，并在醫(yī)學(xué)生物組織工程領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用［8］。最近，有研究者［9，10］利用感壓膠片成功實(shí)現(xiàn)了梨果跌落碰撞時(shí)接觸應(yīng)力分布與損傷關(guān)系的測(cè)量分析，但是對(duì)香梨與不同常用接觸材料的碰撞特性以及損傷面積估測(cè)時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力面積范圍并沒有具體研究。本試驗(yàn)采用感壓膠片對(duì)香梨跌落碰撞不同接觸材料時(shí)的接觸應(yīng)力分布進(jìn)行測(cè)量分析，以探討接觸應(yīng)力分布與其損傷面積的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)香梨碰撞損傷面積的準(zhǔn)確估測(cè)。

1 材料與方法

1.1 試樣材料與儀器

庫爾勒香梨：采自新疆庫爾勒市大墩子鄉(xiāng)果園，采樣期在2012年11月15日，試樣確保無畸形、蟲害和損傷，其基本物性見表1。采摘后迅速冷藏，冷藏溫度為－2～0℃，相對(duì)濕度為85%～90%。試驗(yàn)前，香梨在20℃下放置24h。

表1 香梨試樣的基本物性參數(shù)Table1 Material properties of Korla pear sample

感壓膠片：LLLW型Prescale?雙層特超低壓，日本Fuji公司；

掃描儀：PerfectionTMV300photo型CCD（電荷耦合器件），日本Fuji公司；

壓力圖像數(shù)字測(cè)量分析系統(tǒng)V2.0：FD－8010E型，日本Fuji公司。

自制跌落試樣臺(tái)架：本實(shí)驗(yàn)室自制（見圖1）。

圖1 香梨跌落碰撞測(cè)試裝置Figure1 Test apparatus for drop impact of Korla pear

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 香梨跌落碰撞試驗(yàn) 香梨通過真空泵產(chǎn)生負(fù)壓使吸盤吸附香梨，開關(guān)閥關(guān)閉，負(fù)壓消失，香梨試樣自由跌落，使香梨的赤道部與不同接觸材料接觸。碰撞后迅速抓取香梨防止二次碰撞。碰撞后試樣在室溫下放置7d（168h）充分褐變，損傷面積采用Mohsenin等提出的針對(duì)果蔬材料瘀傷測(cè)量方法［11］進(jìn)行計(jì)算。

1.2.2 接觸應(yīng)力分布的測(cè)量 感壓膠片放置在接觸材料表面，如圖2所示，碰撞后的感壓膠片采用掃描儀和顏色校正板讀取接觸應(yīng)力分布的特征圖，然后經(jīng)配套的FD－8010E壓力圖像數(shù)字測(cè)量分析系統(tǒng)V2.0進(jìn)行數(shù)值解析以及平滑處理，獲得參數(shù)接觸應(yīng)力分布面積和接觸應(yīng)力分布圖像的平滑處理圖。

圖2 香梨碰撞接觸應(yīng)力分布圖的處理Figure2 Mapping of Fujifilm pressure distribution for Korla pear impact

1.2.3 試驗(yàn)因素及水平 根據(jù)香梨作業(yè)中常用接觸材料選取鋼板、橡膠板（放置于鋼板上）、高抗沖聚乙烯（HDPE）板和瓦楞紙板（放置于鋼板上），材料特性見表2。其中瓦楞紙板為雙瓦五層，瓦楞齒形UV型，AB型愣型，試驗(yàn)時(shí)與鋼板應(yīng)良好固定，每次碰撞后更換，以保證緩沖性能一致；根據(jù)梨果作業(yè)環(huán)節(jié)中潛在的跌落高度范圍選取8個(gè)跌落高度［12］：10，15，20，30，40，60，80，100cm，每一跌落試驗(yàn)重復(fù)5次。

表2 接觸材料的特性參數(shù)Table2 Properties of impact surface materials

2 結(jié)果與分析

2.1 香梨跌落碰撞接觸應(yīng)力分布特性

以跌落高度80cm為例，香梨跌落碰撞不同材料時(shí)接觸應(yīng)力分布特征見圖3。香梨不同接觸應(yīng)力值呈非均勻分布，這可能與香梨的曲面特征和表面凹凸不平有關(guān)。香梨與鋼板、橡膠板和HDPE板碰撞的接觸應(yīng)力分布呈近橢圓形，≤0.2MPa（綠色顯示）應(yīng)力在邊緣分布且分布區(qū)域小；香梨與瓦楞紙板碰撞時(shí)，由于材料較好的緩沖性能，使接觸應(yīng)力分布的邊緣形狀不規(guī)則，≤0.2MPa的接觸應(yīng)力有較大面積分布，這表明，≤0.2MPa的接觸應(yīng)力可能不會(huì)造成香梨果肉損傷。

圖3 香梨與4種接觸材料跌落碰撞的接觸應(yīng)力分布特征圖Figure3 Images of pressure－sensitive distribution for pear impacts against four contact materials

由圖4可知，香梨與不同材料碰撞時(shí)峰值應(yīng)力（＞0.5MPa）面積均很小，不超過25mm2，因此峰值應(yīng)力不是造成香梨損傷的主要原因。香梨與鋼板和緩沖性能較低的橡膠板和 HDPE板碰撞時(shí)，應(yīng)力呈正態(tài)分布，0.2～0.4MPa范圍的應(yīng)力面積最大，應(yīng)該構(gòu)成了香梨損傷面積的主要部分。與之相比，香梨與瓦楞紙板碰撞時(shí)，在較低高度跌落的接觸應(yīng)力呈非正態(tài)分布特點(diǎn)，≤0.2MPa范圍應(yīng)力面積明顯較高，但隨著跌落高度增大，0.2～0.3MPa范圍應(yīng)力面積逐漸增大并超過≤0.2MPa范圍應(yīng)力面積，這進(jìn)一步說明，0.2MPa應(yīng)該是估測(cè)香梨在瓦楞紙板上跌落碰撞損傷面積的臨界點(diǎn)。

圖4 香梨與4種接觸材料碰撞時(shí)的接觸應(yīng)力分布Figure4 Contact pressure distributions of Korla pear against four contact materials

2.2 香梨跌落碰撞接觸應(yīng)力分布面積與損傷面積關(guān)系

香梨與不同材料在不同高度跌落碰撞時(shí)，不同范圍的接觸應(yīng)力面積與損傷面積的關(guān)系見圖5。香梨在30cm跌落高度與鋼板、橡膠板和HDPE板碰撞時(shí)，＞0MPa范圍應(yīng)力面積（總面積）與損傷面積實(shí)測(cè)值最為接近，采用總應(yīng)力面積估測(cè)損傷面積的平均相對(duì)誤差分別為4.84%，1.83%，3.21%。盡管香梨在低高度跌落碰撞鋼板、橡膠板和HDPE板時(shí)，采用總應(yīng)力面積估測(cè)損傷面積的相對(duì)誤差較高，分別達(dá)到了58.84%，31.90%，15.25%，但可能是香梨微觀損傷所產(chǎn)生的褐變較淺而無法準(zhǔn)確辨識(shí)，致使損傷面積實(shí)測(cè)誤差大。因此，采用＞0MPa范圍應(yīng)力面積可以較準(zhǔn)確地估測(cè)香梨實(shí)際損傷面積。與之相比，香梨與瓦楞紙板碰撞時(shí)，≤0.2MPa的應(yīng)力面積較大，這充分反映了瓦楞紙板對(duì)香梨減損的效果。因此從圖5（d）可以看出，＞0.2MPa范圍的應(yīng)力面積與損傷面積最為接近，采用＞0.2MPa范圍的應(yīng)力面積估測(cè)損傷面積的平均相對(duì)誤差為6.81%。

圖5 香梨與4種接觸材料碰撞時(shí)的接觸應(yīng)力分布面積與損傷面積比較Figure5 Comparisons of pressured area and bruise area for Korla pear with four counterfaces

3 結(jié)論

（1）香梨與鋼板及緩沖性能較低的橡膠板、HDPE板跌落碰撞時(shí)，應(yīng)力分布特征為近橢圓形，≤0.2MPa范圍應(yīng)力分布在邊緣且面積較小，不同范圍應(yīng)力呈正態(tài)分布，0.2～0.4MPa范圍的應(yīng)力面積最大，采用總應(yīng)力面積能夠較準(zhǔn)確估測(cè)損傷面積，相對(duì)誤差分別為4.84%，1.83%，3.21%。

（2）當(dāng)香梨與瓦楞紙板碰撞時(shí)，應(yīng)力分布邊緣特征不規(guī)則，≤0.2MPa范圍應(yīng)力面積較大，在較低高度跌落的接觸應(yīng)力呈非正態(tài)分布特點(diǎn)，采用＞0.2MPa范圍的應(yīng)力面積能夠較準(zhǔn)確估測(cè)損傷面積，相對(duì)誤差為6.81%。

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