蘋果表面摩擦系數的試驗研究

楊 磊，宋 欣，李艷聰，單慧勇 (天津農學院工程技術學院，天津300384)

在果實采摘、運輸、加工和儲存的過程中，果實會與其他不同材質的表面接觸，或者果實之間產生摩擦。這種摩擦作用會導致果實的機械損傷，從而也降低了機械采摘的效果和果實自身的品質，而摩擦系數是其中的重要決定因素。另外，果實的品種、成熟度、表面承壓情況及保鮮溫度等因素還會對果實表面的摩擦系數產生影響［1－2］。

所以，果實表面靜、動摩擦系數的測定對于果實的機械采摘、儲運設備的設計以及果實儲運方式的選擇都具有重要的意義。

1 摩擦系數測定儀的結構及工作原理

1.1 基本結構 摩擦系數測定儀的基本結構如圖1所示。該摩擦系數測定儀包括底座、線性滑塊導軌、主平移臺、從平移臺、推拉力計、驅動推拉力計的驅動裝置以及果實夾緊組件。試驗臺底座上表面橫向平行對稱固裝線性滑塊導軌，該線性滑塊導軌上橫向滑動安裝由驅動裝置驅動的主平移臺。推拉力計固裝在主平移臺上，帶動滑動安裝在線性滑塊導軌上的從平移臺運動。

其中，驅動裝置包括滾珠螺桿和步進電機。滾珠螺桿橫向安裝在主平移臺下部，通過安裝在基板端部的步進電機驅動。

果實夾緊組件包括支撐架、夾緊板以及螺柱。支撐架豎直對稱安裝在基板外側的底座上，兩個支撐架上部豎直對稱制有U型槽，該U型槽內豎直相對滑動安裝一對螺柱，兩個螺柱的相對端部分別固裝用于夾緊被測物體的夾緊板，夾緊板將被測物體夾緊后通過螺母鎖緊。

1.2 工作原理 通過步進電機驅動主平移臺運動，使其帶動數字式推拉力計沿線性滑塊導軌進行勻速直線運動，從而對從平移臺施加一個拉力，隨著勻速直線運動的進行，該拉力逐漸增大。當數字式推拉力計拉動從平移臺的瞬間(即果實與摩擦試片即將發生相對滑動時)，記錄下此時的拉力值F1［3－5］。根據摩擦力計算公式:

可以得到:

此時的摩擦系數μ為靜摩擦系數，此時的拉力值F1為最大靜摩擦力。隨著數字式推拉力計繼續對摩擦試片施加拉力，使得果實與摩擦試片間產生相對滑動，平穩運動一段行程后，讀取拉力值F2，該拉力值應略低于最大靜摩擦力。同樣根據摩擦力計算公式，可以得到:

此時的摩擦系數μ為動摩擦系數。整個運動過程中，拉力隨時間變化的曲線可以通過數字式推拉力傳輸至計算機中進行實時顯示，其中拉力的峰值即為最大靜摩擦力，用于計算靜摩擦系數。隨后拉力略有降低，且趨于恒定，該拉力值為動摩擦力，用于計算動摩擦系數。間的靜摩擦系數為0.143 3，動摩擦系數為0.136 6;蘋果和牛皮紙之間的靜摩擦系數為0.874 7，動摩擦系數為0.449 6。對比可以發現，不同材料與蘋果之間的摩擦系數不同，總體來說，材料表面粗糙度越大，相應與蘋果之間的摩擦系數也就越大。

2 試驗分析

在此次試驗中，選用新鮮紅富士蘋果作為試驗對象，表面無機械損傷和病蟲害，平均質量為256 g，外形圓度較好。將選取好的蘋果進行分組編號，在控制面板內設定數字推拉力計的水平移動速度為1.5 mm/s。首先測量在不加載蘋果時水平測力計移動所需要的拉力，然后將蘋果和提前制作好的材料板放置在測試臺上，分別測量蘋果和有機玻璃板、蘋果和牛皮紙之間發生相對位移時需要的拉力。最后通過試驗所得數據取平均值，利用公式，求得蘋果和有機玻璃、蘋果和牛皮紙之間的靜/動摩擦系數。

從圖2和圖3中可以看出，當拉力達到峰值，即為試驗所需最大靜摩擦力，隨后拉力略有降低，且趨于恒定，該拉力值為動摩擦力。

通過表1、2數據，利用公式可以得出蘋果與有機玻璃之

表1 蘋果與有機玻璃之間摩擦測量值

表2 蘋果與牛皮紙之間摩擦測量值

3 結論

蘋果的摩擦特性對于果實的收獲、貯藏和加工機械的設計具有非常重要的指導意義，通過試驗研究，由試驗數據分析得出下述結論:蘋果與其他物質之間的摩擦系數是由接觸表面的特性決定的，接觸表面越粗糙，其摩擦系數就越大。試驗所用摩擦試驗臺結構簡單、設計科學合理，可以準確地測量出不同負載或者不同拉動速度下，果實表面與不同摩擦試片間的動、靜摩擦系數。

通過試驗得到蘋果的相關摩擦系數，結果可為機械采摘、儲運設備的設計以及果實儲運方式的選擇中摩擦力的計算提供依據。

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