哈密瓜物流包裝垂直和水平振動的建模分析與防護

張連文 謝曉定 武玉柱 張 超 高 鉀 徐 斌

(1. 天津商業大學,天津 300134;2. 新疆工程學院,新疆 烏魯木齊 830023;3. 新疆農業科學院,新疆 烏魯木齊 830091)

作為新疆重要的農業經濟作物之一,哈密瓜因香甜脆嫩、營養豐富等優點,深受消費者喜愛[1-2]。為滿足內地消費者對哈密瓜的需求,需將哈密瓜通過卡車長途運輸至廣東、上海、浙江、北京等主要分銷地[3]。但長途運輸振動,不僅會對哈密瓜的外觀造成機械損傷,還會加速其內部品質劣變,因此,研究卡車長途運輸振動具有重要意義[4-5]。

近年來,國內外學者致力于研究運輸振動對瓜果品質的損傷機理,并尋找降低振動引起的損傷的方法[6-7]。目前,研究運輸振動對瓜果品質的影響主要通過模擬運輸隨機振動、定頻振動、掃頻振動3種試驗手段[8]。夏銘等[9-11]通過模擬運輸隨機振動試驗,研究了不同類型的減振襯墊、托盤、緩沖泡沫對水果的防護效果;曾媛媛等[12-15]通過模擬運輸定頻振動試驗,研究了不同振動頻率對哈密瓜硬度、總酚含量、細胞膜脂、彈性和咀嚼性等品質指標的影響,發現低頻振動對哈密瓜品質的影響更大。張連文等[16-17]通過模擬運輸掃頻振動試驗,測定了瓦楞紙箱及瓜果的固有頻率。上述研究大多集中在對單果或單層包裝件在單一垂直方向振動及其損傷,而在實際公路運輸過程中,包裝件通常以逐層碼放的方式裝載在卡車廂內,并且行駛中由于受路況、氣候條件、行駛速度等因素的影響,卡車往往會同時產生垂直和水平方向振動的現象,因此,研究多層堆碼包裝件在垂直和水平方向的振動特性更具實際參考價值。

試驗擬以西州蜜17號哈密瓜和0201型包裝瓦楞紙箱為研究對象,模擬長途卡車在高速公路行駛的實際運輸振動,分析采集到的振動信號,試圖建立最大功率譜密度、峰值加速度與堆碼層的變化規律模型,研究不同堆碼層包裝件在垂直和水平方向的振動強度,以期為包裝件防護優化設計提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

哈密瓜:西州蜜17號,選自同一批次,形狀和大小均勻、成熟度相近、無損傷以及無病蟲害,單果質量為2.5 ～3.5 kg的哈密瓜[18],市售;

瓦楞紙箱:選用0201型紙箱,瓦楞組合為BE楞,外形尺寸為462 mm×376 mm×168 mm;

緩沖材料:尺寸為320 mm×110 mm～370 mm×160 mm的泡沫網套和緩沖5層瓦楞紙板,根據長途運輸裝載的實際包裝要求,將哈密瓜套上泡沫網套,每箱裝4個,并用4塊緩沖瓦楞紙板隔開(圖1),按照試驗標準,共選用15箱進行試驗。

圖1 哈密瓜的裝箱示意圖

1.2 試驗設備

低頻振動臺:DC-1000-15型,配有RC-3000-4振動臺控制儀,HT-8045A可程式恒溫恒濕處理機和傳感器等設備,蘇州試驗儀器總廠;

智能數據采集和信號分析系統DASP-V11/INV3062T軟件:北京東方振動和噪聲技術研究所。

1.3 試驗方法

為確保試驗結果的準確性,嚴格按照GB/T 4857.10正弦掃頻振動試驗,模擬物流運輸車輛在高速公路行駛的實際運輸振動,設置3組重復試驗,每組挑選5箱哈密瓜以堆碼的方式進行正弦掃頻振動試驗。根據GB/T 4857.2,試驗前,將15箱哈密瓜放置于HT-8045A可程式恒濕恒溫處理機中進行溫濕度預處理(溫度23 ℃、相對濕度50%、預處理時間8 h)。相同溫濕度條件下, 預處理時間為8,24 h的試驗結果基本一致,因此,為提高試驗效率,預處理時間選擇8 h[19]。將試驗場地的溫濕度調節至與溫濕度預處理條件一致。將傳感器固定于各層包裝件底部的中間位置。為便于識別振動控制儀通道以及連接數據線路,將測試第1～5層垂直方向振動信號數據線分別連接到振動臺控制儀的第2、6、7、9、10通道,將測試1、3、5奇數層前后方向振動信號的數據線分別連接到第3、8、11通道,受振動臺控制儀通道數量的限制以及考慮傳感器在堆碼層布置的合理性,僅測試1、3、5奇數層前后方向的振動信號,以表征水平方向的振動情況。包裝件的中心與振動臺臺面幾何中心重合,其寬度和長度方向分別對應振動臺前后和左右方向,并以逐層堆碼的形式正立置于振動臺面上,用尼龍繩捆扎固定,防止試驗過程中產生劇烈的晃動(見圖2)。在DASP V11軟件中設置振動臺的采樣頻率為1 024 Hz,掃描頻率為5～100 Hz,掃描速率為每分鐘1/2倍頻程,啟動堆碼正弦掃頻振動試驗,并對振動信號進行實時采樣[16]。

圖2 哈密瓜包裝件5層堆碼示意圖

1.4 數據處理

采用COINV DASP V11軟件對試驗采集到的振動信號進行頻域分析,獲得固有頻率和最大功率譜密度,并進行時域分析,獲得峰值加速度。使用Excel 2019軟件處理從COINV DASP V11導出的數據,使用回歸建模分析對數據進行差異顯著性分析,并使用Origin 2019b軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 垂直和水平方向的固有頻率

2.1.1 5層包裝件垂直方向的固有頻率 采用COINV DASP V11軟件對試驗采集到的振動信號進行頻域分析,獲得第1～5層包裝件在垂直方向振動的功率譜密度,用 Excel 2019軟件分析各層功率譜密度,用Origin 2019b繪圖,得到自功率譜圖如圖3所示,自功率譜反映的是各層功率隨頻率的變化關系。

圖3 堆碼包裝件在垂直方向的自功率譜

當振動臺給予的外激勵振動頻率等于包裝件的固有頻率時,包裝件產生共振現象,自功率譜曲線的峰值所對應頻率就是包裝件在垂直方向振動的固有頻率[20]。由圖3可知,第1～5層包裝件在垂直方向的固有頻率分別為9.86,54.75,9.75,9.92,10.31 Hz。

2.1.2 奇數層包裝件水平方向的固有頻率 由圖4可知,第1、3、5層包裝件水平方向的固有頻率分別為10.12,10.44,11.13 Hz。

圖4 奇數層包裝件在水平方向的自功率譜

由圖3和圖4可知,功率譜密度值在頻率為9～12 Hz時發生明顯的跳躍,是由于掃頻頻率接近或等于固有頻率時產生共振,振動能量大幅度增加,導致振動強度顯著增強,此時對應的頻率(9～12 Hz)即為堆碼包裝件的共振頻率。當掃頻頻率為9 Hz時,堆碼包裝件的振動強度明顯增大,直至掃頻頻率為12 Hz時,該現象消失。因此,實際運輸過程中應盡量避開產生9～12 Hz頻段的路段,或者采用恰當的包裝和運輸方式,以有效避開共振頻率,防止運輸過程中產生共振而加速哈密瓜品質的劣變。

2.2 垂直和水平方向的峰值加速度

2.2.1 5層包裝件在垂直方向的峰值加速度 由圖5可知,5層包裝件的第1～5層包裝件垂直方向振動的峰值加速度分別為11.933 8,26.616 3,39.213 8,43.197 3,51.148 5 m/s2。

圖5 堆碼包裝件在垂直方向的時域響應圖

2.2.2 奇數層包裝件在水平方向的峰值加速度 由圖6可知,第1、3、5層包裝件在水平方向振動的峰值加速度分別為5.047 2,6.786 9,9.645 4 m/s2。

圖6 奇數層包裝件在水平方向的時域響應圖

結合圖5和圖6可知,垂直和水平方向振動的峰值加速度值均從底層到頂層呈遞增趨勢,與王璐璐等[20]的研究規律相同。這是由于處于上層的包裝所受的承載壓力比下層的小,因此上層的約束程度小,導致上層的振動幅度比下層的大,從而使上層的沖擊力和峰值加速度更大,對產品造成的損傷程度更大[21-22]。因此,實際運輸裝載過程中對堆碼包裝件應進行合理的捆扎,以增加其約束程度,從而減小運載產品的振動幅度,達到減輕振動引起損傷的目的。

2.3 最大功率譜密度和峰值加速度與堆碼層的關系

2.3.1 最大功率譜密度與堆碼層的關系 自功率譜曲線反映的是振動過程中功率隨頻率的變化關系,功率譜密度越大表明振動產生的能量越大,即振動強度越強。表1為各層包裝件垂直和水平方向的最大功率譜密度,根據其數據分別建立垂直和水平方向最大功率譜密度與堆碼層關系的一元線性回歸模型,并進行相關系數的顯著性檢驗,選擇顯著水平為α=0.05[23]。

表1 垂直和水平方向的最大功率譜密度?

垂直方向最大功率譜密度與堆碼層關系的一元線性回歸模型為:

y1=35.189 1x1-33.856 0,

(1)

式中:

x1——堆碼層,層;

y1——功率譜密度,m2/(s4·Hz)。

相關系數的顯著性檢驗(α=0.05),由于|r|=0.994 7>rα(n-2)=r0.05(3)=0.878,因此在顯著水平為0.05條件下,垂直方向最大功率譜密度對堆碼層的一元線性回歸模型效果顯著[17],因此該模型可以較準確地預測垂直方向功率譜密度的變化規律(圖7)。

圖7 最大功率譜密度與堆碼層的建模分析

水平方向最大功率譜密度與堆碼層關系的一元線性回歸模型為:

y2=2.172 9x2+1.459 7,

(2)

式中:

x2——堆碼層,層;

y2——功率譜密度,m2/(s4·Hz)。

相關系數的顯著性檢驗(α=0.05),由于|r|=0.999 9>rα(n-2)=r0.05(1)=0.997,因此在顯著水平為0.05條件下,水平方向最大功率譜密度對堆碼層的一元線性回歸模型效果顯著,因此該模型可以較準確地預測水平方向功率譜密度的變化規律(圖7)。

2.3.2 峰值加速度與堆碼層的關系 表2為各層包裝件垂直和水平方向的峰值加速度,根據其數據分別建立垂直和水平方向峰值加速度與堆碼層關系的一元線性回歸模型,進行相關系數的顯著性檢驗,選擇顯著水平為α=0.05。

表2 垂直和水平方向的峰值加速度?

垂直方向峰值加速度與堆碼層關系的一元線性回歸模型為:

y3=9.568 3x3+5.784 4,

(3)

式中:

x3——堆碼層,層;

y3——功率譜密度,m2/(s4·Hz)。

相關系數的顯著性檢驗(α=0.05),由于|r|=0.977 7>rα(n-2)=r0.05(3)=0.878,因此在顯著水平為0.05條件下,認為包裝件垂直方向的峰值加速度對堆碼層的一元線性回歸模型效果顯著,因此該模型可以較準確地預測垂直方向峰值加速度的變化規律(圖8)。

圖8 峰值加速度與堆碼層的建模分析

水平方向峰值加速度與堆碼層關系的一元線性回歸模型為:

y4=1.149 5x4+3.711 2,

(4)

式中:

x4——堆碼層,層;

y4——功率譜密度,m2/(s4·Hz)。

相關系數的顯著性檢驗(α=0.05),由于|r|=0.990 3

結合圖7和圖8可知,垂直和水平方向最大功率譜密度值和峰值加速度從底層到頂層均呈遞增趨勢,且垂直方向振動的遞增速度更快;同一堆碼層垂直方向的功率譜密度和峰值加速度大于水平方向的;垂直和水平方向的最大功率譜密度和峰值加速度與堆碼層的關系均表現為極顯著正相關,因此所獲得的模型可以較準確地預測各層包裝件的最大功率譜密度和峰值加速度。由于不同堆碼層的振動強度由底層到頂層逐漸增大,因此上層的外部包裝紙箱質量和內部緩沖材料性能要求更好;由于同一堆碼層的振動強度在垂直方向大于水平方向,因此包裝件在垂直方向的外部包裝紙箱質量和內部緩沖材料性能要求更好。

3 結論

試驗表明,① 通過哈密瓜物流堆碼模擬運輸振動試驗,測定了堆碼包裝件的共振頻率為9～12 Hz;用回歸分析法獲得最大功率譜密度和峰值加速度與堆碼層關系的振動模型,揭示出各層包裝件的振動強度由底層到頂層呈遞增趨勢,同一堆碼層在垂直方向的振動強度大于水平方向的。② 實際運輸中應避開產生9～12 Hz頻率的路段;緩沖包裝優化設計時應依據包裝件在不同堆碼層和不同方向振動強度水平進行分等級防護優化設計,處于上層以及垂直方向的緩沖材料性能要求更好,即越往頂層以及垂直方向的防護等級要求更高。③ 要實現包裝更全面的分等級防護優化設計,目前僅分析了不同堆碼層垂直和水平方向的振動強度,信息還不夠全面,如包裝件在車廂板前部、中部和后部位置的振動強度信息以及尋求更優的集裝堆碼方式需進一步研究。