河套蜜瓜跌落沖擊特性

王芳++韓媛媛++魏星++田海清++張子義

摘要：為掌握蜜瓜的沖擊特性，降低其在運輸中受沖擊作用的機械損傷，以河套蜜瓜為研究對象，采用正交試驗和單因素試驗，分別研究跌落高度、跌落角度、蜜瓜質量對沖擊加速度的影響。結果表明：對沖擊加速度的影響排序為跌落高度>跌落角度>蜜瓜質量，且蜜瓜質量對沖擊加速度的影響顯著；在質量、硬度相近的情況下，沖擊加速度隨著跌落高度的增加而增大，果梗垂直跌落時的沖擊加速度比水平跌落的大，且沖擊時間比水平跌落的長。試驗結果對進一步研究蜜瓜的沖擊力學特性、損傷機制有一定的借鑒意義。

關鍵詞：河套蜜瓜；沖擊；跌落；加速度

中圖分類號： S121文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）08-0199-03

蜜瓜是黏彈性體，且具有貯藏性差的特點，在運輸過程中易受到沖擊、振動、擠壓等作用，造成損傷，從而影響其商品性和貯藏性[1]。研究蜜瓜沖擊碰撞的力學行為，對于控制和預測跌落沖擊損傷有理論意義。國內外一直以來都有相關學者在這一領域進行研究。Siyami等對蘋果做碰撞試驗，通過多元線性回歸方程建立蘋果損傷直徑預測模型[2]；Schoorl等以蘋果為研究對象提出著名的水果損傷能量原理[3]；Menesatti等提出了下降損傷指數（DDI）的概念，并通過對4種果實（蘋果、桃、梨、杏）的試驗得出：DDI可以用來測定果實沖擊破壞的敏感度或抗力，還建立了桃的跌落沖擊破壞預測統計模型[4]。Menesatti等用線性模型和非線性模型分析了果實跌落損傷的破壞指標，經過比較分析，得出采用非線性模型來表示更加合適[5]；陳善鋒研究了梨下落碰撞時不同因素的加速度特性[6]；盧立新進行了紅富士蘋果在不同高度下的跌落試驗，根據結果進行模型參數的識別[7]；吳杰等采用感壓膠片測量了香梨與4種材料碰撞時的接觸應力，確定香梨果損傷與接觸應力分布的關系[8]；孫慧杰等在吳杰等的研究[8]基礎上通過有限元模擬方法對香梨的損傷面積進行了預測分析[9]。

本試驗以內蒙古當地的特產河套蜜瓜為研究對象進行跌落試驗。測定蜜瓜的跌落損傷臨界高度，分析跌落高度、跌落角度、蜜瓜質量對沖擊特性的影響，以期為預測蜜瓜損傷機制提供基礎。

1材料與方法

1.1試驗材料

選用河套蜜瓜作為試驗材料，產地為內蒙古巴彥淖爾市。試驗所選蜜瓜形狀規則，硬度相近，表面無損傷，質量為 1.2～1.6 kg/個。

1.2試驗設備與方法

河套蜜瓜與剛性表面的跌落沖擊試驗系統如圖1所示。加速度傳感器為BK公司的4500-B-001系列。先將加速度傳感器固定在蜜瓜表面，再將試樣放置在沖擊臺托架上。在進行試驗時，按動“升降”按鈕自由選定試驗所需高度，然后按動“準備”按鈕，氣缸活塞伸出，放置試樣，再按動“跌落”按鈕，使氣缸活塞迅速縮進，試樣作自由落體，并采用美國Vision Research公司的Phantom Miro2高速數字攝像機拍照，記錄跌落全過程，用BK 3050-B-060型六通道Pulse LAN-XI數據采集卡進行數據采集和存儲，然后用TEMA高速運動分析軟件得到沖擊跌落過程的時間-加速度曲線。

1.3試驗設計

按質量、硬度選取3組蜜瓜，每組蜜瓜質量差控制在20 g

之內，硬度差控制在0.15 MPa之內；蜜瓜跌落高度設定為220、240、260、280、300、330、350、380、400、450 mm，在每個高度，從每組中各選取5個蜜瓜進行試驗，從不同跌落高度進行跌落沖擊試驗，記錄跌落過程的沖擊加速度信號；試驗后將蜜瓜于常溫放置24 h，用Matlab圖像處理方法測定其損傷面積，并以此為依據，判斷損傷臨界高度[10]。

選取蜜瓜質量、跌落高度、跌落角度3個因素，以蜜瓜跌落沖擊的加速度作為試驗指標，采取正交試驗、單因素試驗。沖擊前位置包括蜜瓜瓜柄水平放置（0°）、瓜柄垂直放置（90°）2種。正交試驗因素水平見表1。

2結果與分析

2.1損傷臨界跌落試驗結果

蜜瓜跌落后的損傷面積與跌落高度的關系如圖2所示，可見蜜瓜跌落后出現可見損傷的臨界高度為（200±5）mm。

2.2正交試驗結果與方差分析

為研究不同因素對蜜瓜沖擊加速度的影響顯著性，按照L9（34）正交設計進行試驗。由表2可見，各因素對沖擊加速度影響的主次順序是A>C>B，即跌落高度>跌落角度>蜜瓜質量。

2.3蜜瓜在跌落過程中的力學特性分析

由測試系統的試驗數據，得到高度相同、硬度相近、質量不同的蜜瓜沖擊加速度曲線，如圖3所示，在蜜瓜下跌過程中

加速度保持不變，發生剛性沖擊的瞬間加速度達到最大值，由于蜜瓜是黏彈性體，因此在沖擊過程中會發生多次碰撞，最終靜止。

2.4單因素試驗及分析

2.4.1不同跌落高度對沖擊加速度的影響對質量、硬度相近的蜜瓜試樣做不同高度的跌落試驗，在每個高度選取3個試樣試驗，根據數據進行統計分析。由圖4、圖5可知，沖擊加速度峰值隨跌落高度的增加而增大；隨著高度的增加，沖擊時間有所縮短，但變化較小。根據試驗數據，得到蜜瓜跌落試驗中不同高度與沖擊加速度的關系，對數據進行多項式擬合，得到的回歸方程如下：

Y=0.000 009X3-0.008 2X2+2.416 9X-102.83，r2=0.940 6。（1）

式中：Y為沖擊加速度峰值，m/s2；X為跌落高度，mm。

對數據進行方差分析得F0.05（4，10）=3.478，F值為3999，F>F0.05，因此可見跌落高度對沖擊加速度峰值影響顯著。

2.4.2不同跌落角度對沖擊加速度的影響選取3組試樣，每組試樣的質量、硬度相近，且定義蜜瓜果梗水平放置為水平跌落，果梗垂直放置為垂直跌落，每組試樣分別在同一高度下做不同角度的跌落試驗。由圖6可知，在相同質量、相同硬度下，垂直跌落的蜜瓜加速度比水平跌落的大，且沖擊時間比水平跌落的長，這可能是由于瓜柄位置可食用部分硬度略大于水平跌落位置處理瓜瓤的硬度，也可能與表面接觸面積有關[11]。

2.4.3不同蜜瓜質量對沖擊加速度的影響根據試驗數據，得到蜜瓜跌落試驗中不同蜜瓜質量與沖擊加速度的關系，對數據進行多項式擬合，得到的回歸方程如下：

垂直跌落：

Y=0.000 2X2-0.038X+148，r2=0.998 7；（2）

水平跌落：

Y=0.000 1X2+0.067X+113.25，r2=0.990 4。（3）

式中：Y為沖擊加速度峰值，m/s2；X為質量，kg。

對數據方差分析可知，F0.05（2，6）=5.143 2，垂直跌落的F值為70.2，水平跌落的F值為56.93，F>F0.05。故在其他條件相同的情況下，蜜瓜質量對沖擊加速度峰值影響顯著，且質量越大，沖擊加速度越大，詳見圖7。

3結論

蜜瓜在跌落沖擊試驗中存在黏滯性，且（200±5）mm為

蜜瓜跌落臨界損傷高度。對沖擊加速度的影響因素主次順序是跌落高度>跌落角度>蜜瓜質量。在質量、硬度相近時，沖擊加速度隨著跌落高度的增加而增加，且影響顯著；在質量、硬度相近且跌落高度相同時，垂直跌落的蜜瓜加速度比水平跌落的大。可以看出，蜜瓜質量對沖擊加速度有影響，沖擊加速度隨著質量的增大而增大。

參考文獻：

[1]楊曉清，王春光. 河套蜜瓜機械特性與靜載損傷關系的研究[J]. 農業工程學報，2008，24（3）：31-37.

[2]Siyami S， Brown G K， Burgess G J， et al. Apple impact bruise prediction models[J]. Transactions of the ASABE，1988（31）：1038-1046.

[3]Schoorl D， Holt J E. Impact bruising in 3 apple pack arrangements[J]. Journal of Agricultural Engineering Research，1982，27（6）：507-512.

[4]Menesatti P， Paglia G. Development of a drop damage index of fruit resistance to damage[J]. Journal of Agricultural Engineering Research，2001，80（1）：53-64.

[5]Menesatti P， Paglia G， Solaini S， et al. Non-linear multiple regression models to estimate the drop damage index of fruit[J]. Biosystems Engineering，2002，83（3）：319-326.

[6]陳善鋒，周亦斌，王俊，等. 梨的下落碰撞沖擊加速度特性研究[J]. 浙江大學學報：農業與生命科學版，2003，29（3）：339-342.

[7]盧立新，李春飛. 單層與多層蘋果跌落沖擊損傷研究[J]. 包裝工程，2006，27（6）：1-3.

[8]吳杰，郭康權，葛云，等. 香梨果實跌落碰撞時的接觸應力分布特性[J]. 農業工程學報，2012，28（1）：250-254.

[9]孫慧杰，吳杰，馮哲，等. 香梨與瓦楞紙板跌落碰撞的接觸應力分布分析及損傷預測[J]. 現代食品科技，2014，30（2）：48-52.

[10]曹海燕，盧立新. 梨果實跌落沖擊特性與流變模型[J]. 食品與生物技術學報，2007，26（4）：11-15.

[11]盧立新，王志偉. 蘋果跌落沖擊力學特性研究[J]. 農業工程學報，2007，23（2）：254-258.