蘋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

(安徽農業大學工學院，合肥市，230036)

0 引言

水果在清洗、分級和包裝等采后加工環節易發生機械損傷，碰撞是導致機械損傷最主要的原因[1]。我國是世界水果生產大國，生產量約占世界的14%，居世界首位。但在采后加工環節因碰撞損傷導致變質、霉爛的水果高達30%～40%，經濟損失達百億元[2-5]。因此，深入研究水果采后加工過程中的碰撞損傷機理，對提高水果生產的經濟效益具有重要的意義。

國內外學者在水果損傷方面開展了大量的研究。Lin等[6]根據振動試驗，研究緩沖材料和溫度對成熟桃子損傷的影響，發現使用PU+CFB包裝材料在10 ℃ 時可顯著減少成熟桃子的機械損傷。?ztekin等[7]通過桃子跌落損傷試驗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]運用離散元素法模擬箱裝蘋果在不同層次的損傷情況，研究發現底層水果損傷程度最嚴重。盧立新等[9-11]針對蘋果減損包裝開展了振動強度、緩沖包裝結構和放置層數對蘋果損傷影響研究，提出非線性黏彈性動態流變模型和多層果實跌落沖擊模型。張蕾等[12]研究3種緩沖包裝結構在各自共振頻率下定頻振15 min對油桃生理品質的影響，研究得出由五層瓦楞紙板做成彈簧型結構水果托緩沖包裝可保證90%的油桃在運輸中不受振動損傷。李小昱等[13-14]研究蘋果碰撞過程中損傷體積與吸收能量、最大加速度、襯墊厚度、碰撞時間等因素之間的關系，發現兩個蘋果的總損傷體積與吸收能量線性相關。孫慧杰等[15]研究了不同跌落高度下香梨與4種材料碰撞時的接觸應力，確定了接觸應力分布與香梨損傷之間的關系。以上學者在蘋果、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，但鮮有學者利用統計學理論方法，詳細闡述蘋果在清洗、分級和包裝等整個采后加工過程中不同試驗影響因子對蘋果損傷體積的影響，同時關于蘋果在不同碰撞材料下損傷臨界跌落高度的研究也少有涉及。

本文擬選用紅富士蘋果為試驗材料，以跌落高度、果實質量和碰撞材料為試驗因素，開展蘋果跌落沖擊試驗，分析了試驗因素對蘋果碰撞損傷體積影響的顯著性；并通過試驗測定蘋果在2種碰撞材料下的損傷臨界跌落高度，為蘋果采后加工過程的損傷機理研究及機械結構設計提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于安徽省合肥市安徽農業大學機電工程園進行。試驗材料選用新鮮的山東紅富士蘋果，于2020年6月30日進行試驗，經過嚴格篩選，剔除有果病、果實形狀不規則、表面有損傷的蘋果，分別挑選單個質量為(150±5) g、(200±5) g、(250±5) g的蘋果。

1.2 儀器設備

蘋果跌落試驗臺如圖1所示，試驗臺主要包括機架、標尺(量程100 mm)、橢圓形夾緊裝置、高度調節裝置、傳感器平臺(傳感器量程：1 kN，精度±0.1%F.S)、應變式傳感器數據采集儀(型號FD0825，采集頻率15 kHz，精度0.05%)、計算機。傳感器平臺由三個傳感器和上、下圓形不銹鋼板組成，傳感器均勻分布在平臺中，組成圓形受力區域，增大碰撞范圍，精確采集蘋果跌落沖擊信號且利用電壓補償法讓三個傳感器輸出靈敏度一致，并聯輸出電壓。蘋果靜態壓縮采用萬能力學試驗機(日本AG-X plus、量程1 kN、精度0.5%級)，如圖2所示。

圖1 蘋果跌落試驗臺

圖2 AG-X plus型高精度雙立柱萬能力學試驗機

1.3 試驗方法

正交試驗方法：(1)試驗前，利用電子天平測量蘋果質量并進行標記；(2)考慮蘋果實際碰撞中的撞擊部位，選取蘋果試樣的側邊圓平面，即跌落方向與蘋果果柄垂直；(3)利用高度調節裝置將橢圓形夾緊裝置固定在設置跌落高度，夾緊裝置將蘋果固定；(4)將傳感器平臺置在蘋果跌落試驗臺，校準后測試。

蘋果碰撞損傷試驗方法：(1)選取蘋果數量50個，將蘋果置于萬能力學試驗機進行靜態壓縮試驗(平板壓頭，加載速度為2 mm/min，加載位移為10 mm)，得到蘋果加載力—形變量試驗數據；(2)選取蘋果質量為150 g、200 g、250 g，同一等級質量差控制在5 g以內，設置跌落高度為100 mm，200 mm，300 mm，400 mm，500 mm；碰撞材料為普通碳素鋼和PE板，每個高度跌落3次，采集沖擊力與時間的信號。

2 正交試驗

2.1 試驗設計

根據前期研究[10-23]選取初始跌落高度、果實質量、碰撞材料為試驗因素，蘋果碰撞損傷體積作為評價指標，進行正交試驗，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；蘋果質量選取150 g、200 g、250 g，同一等級質量差控制在5 g以內；正交試驗采用L9(34)[24]設計，試驗同時設置空白列，如表1所示。每組試驗重復10次并取平均值，利用Minitab 17軟件進行數據分析。

表1 試驗因素與水平

2.2 試驗評價指標

試驗完成后將蘋果碰撞后的部位進行標記并放置在恒溫箱中，在溫度20 ℃下保存24 h。受損部位出現褐色，將受損部位沿表面切開，測量受損面積的長軸長度與短軸長度，垂直方向沿著受損部位切開，測量受損深度，蘋果損傷體積由式(1)計算得出[25-26]。

(1)

式中：V——損傷體積，mm3；

ω1——受損面積的長軸長度，mm；

ω2——受損面積的短軸長度，mm；

h——受損深度，mm。

2.3 試驗結果與分析

正交試驗結果如表2所示，對損傷體積V的極差分析結果如表3所示，對損傷體積V的方差分析結果如表4所示。

表2 正交試驗結果

表3 正交試驗極差分析結果

表4 正交試驗方差分析結果

由表3極差分析可知，影響蘋果碰撞損傷體積因素主次關系為跌落高度H>碰撞材料P>果實質量M。由表4方差分析可知，試驗因素H對蘋果碰撞損傷體積V影響極顯著，試驗因素M、P對蘋果碰撞損傷體積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和果實質量M。

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

蘋果與普通碳素鋼、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，蘋果與其碰撞接觸后沒有緩沖作用時間，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，與蘋果碰撞后因具有緩沖作用，增加了碰撞作用時間，碰撞壓力減小，損傷體積也隨之減小。因此蘋果在清洗、分級和包裝過程中，可使用瓦楞紙和PE板降低蘋果碰撞跌落損傷。

3 蘋果跌落損傷臨界值

從3種質量蘋果、3種跌落高度和3種碰撞材料的正交試驗結果可知，影響蘋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、果實質量，跌落高度對蘋果損傷體積影響最大。因此，測定蘋果與不同碰撞材料的損傷臨界跌落高度至關重要，對蘋果采后加工過程中機構的設計有著很大的作用；故本節以紅富士蘋果為研究對象，利用蘋果跌落試驗臺與萬能力學試驗機相結合的方法，對不同質量蘋果的碰撞損傷臨界跌落高度進行研究。

3.1 跌落沖擊理論分析

針對果實跌落沖擊特點，本試驗做出以下假設：(1)壓面板為剛性面板，不吸收能量，蘋果吸收所有能量；(2)蘋果為均勻球體狀，自由跌落時均勻受力。(3)沖擊時，忽略蘋果跌落時內部的震動[27]。

根據運動學理論，蘋果做自由跌落運動時，蘋果所受到的沖擊力F，加速度a，速度v壓縮位移s之間的關系如式(2)～式(5)所示。

(2)

v=v0+a×Δt

(3)

(4)

s=v×Δt

(5)

式中：F——蘋果與材料撞擊的沖擊力，N；

v0——蘋果與材料撞擊的初始速度，m/s；

h——蘋果跌落高度，mm；

Δt——采樣點時間間隔，ms。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1 蘋果靜態壓縮試驗

通過蘋果靜態壓縮試驗，得到蘋果加載力與形變量之間的關系曲線，如圖3所示。隨著蘋果形變量的增加，加載力呈不斷增大趨勢；A點之前加載力隨蘋果形變量的增加呈近似直線式增長，這個階段為蘋果的彈性變形；A點之后曲線瞬間出現明顯波動，形變量幾乎不變而加載力減小，此時蘋果開始產生損傷；故將曲線中開始出現明顯波動的點A作為蘋果彈性變形與塑性變形的分界點，即生理屈服點。

對50個蘋果進行靜態壓縮試驗，試驗結果如表5所示。對試驗結果進行散點繪圖，如圖4所示。從圖4可知，蘋果靜態壓縮試驗時加載力與形變量整體呈線性變化趨勢，加載力隨形變量增加而增大，并且形變量多數集中在2～4 mm，此時蘋果開始屈服產生損傷；對所有蘋果進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 蘋果加載力與形變量的曲線

表5 蘋果靜態壓縮下屈服點的形變量

圖4 加載力與形變量之間的關系

蘋果靜態壓縮試驗屬于兩面受壓，而蘋果實際碰撞過程中為單面受損。故蘋果形變量應取蘋果靜態壓縮試驗的1/2，即蘋果單側承受形變量范圍為1.05～4.01 mm，為最大程度減少蘋果跌落造成的損傷，故選取蘋果單側所能承受形變量最小值作為蘋果跌落時所能承受形變量的參考，即1.05 mm。

3.2.2 蘋果跌落試驗

3種質量蘋果分別與普通碳素鋼和PE板進行跌落沖擊試驗，可得沖擊力—時間的曲線，如圖5、圖6、圖7所示。3種質量的蘋果與普通碳素鋼和PE板碰撞時，隨著跌落高度的增加，沖擊力到達峰值的時間整體呈減少的趨勢且沖擊力會持續增大，主要原因是跌落高度增加，蘋果與碰撞材料接觸時速度增大，沖量增大，沖擊力迅速到達峰值；不同等級質量的蘋果在同一高度與普通碳素鋼或PE板進行碰撞時，蘋果果實質量越大，碰撞時接觸的沖擊力也越大，損傷越嚴重；隨著果實質量的增加，蘋果與材料碰撞時接觸面積增大，抵抗力比較大，撞擊過程緩慢，碰撞總時間延長。

(a) 蘋果與普通碳素鋼

(a) 蘋果與普通碳素鋼

(a) 蘋果與普通碳素鋼

根據跌落沖擊理論分析，可得3種質量蘋果與普通碳素鋼和PE板從不同跌落高度落下時蘋果跌落形變量與時間的曲線，如圖8、圖9、圖10所示。從圖可知，隨著跌落高度的增加，蘋果跌落形變量整體呈上升趨勢，這表明蘋果的損傷進一步增大；并且隨果實質量的增加，蘋果與兩種材料碰撞的總時間延長。

(a) 蘋果與普通碳素鋼

(a) 蘋果與普通碳素鋼

(a) 蘋果與普通碳素鋼

由圖8、圖9、圖10可知，蘋果與2種碰撞材料進行跌落試驗時跌落形變量與時間的對應關系；其中以跌落高度為因變量，形變量為自變量，進行數據擬合，可得3種質量蘋果與普通碳素鋼碰撞的擬合方程相關系數依次為0.993 6、0.994 1、0.990 0；與PE板碰撞的擬合方程相關系數依次為0.996 3、0.998 4、0.990 5，如圖11、圖12所示。

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

圖11 蘋果與普通碳素鋼碰撞擬合曲線

圖12 蘋果與PE板碰撞擬合曲線

表6 蘋果損傷臨界跌落高度

4 結論

利用蘋果跌落試驗臺通過正交試驗測試跌落高度、果實質量和碰撞材料對蘋果碰撞損傷體積的影響，并通過試驗測定了3種質量蘋果在2種碰撞材料下的碰撞損傷臨界跌落高度。

1) 影響蘋果碰撞損傷體積的因素由高到低依次為初始跌落高度、碰撞材料和蘋果果實質量，且初始跌落高度對蘋果碰撞損傷體積影響極顯著，碰撞材料和蘋果果實質量對蘋果碰撞損傷體積影響顯著。

2) 150 g蘋果與普通碳素鋼、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。