藍莓機械損傷試驗的設計與試驗研究

呂 洋，王黎明

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

藍莓(Blueberry)又名篤斯，屬杜鵑花科，越橘屬植物，果實呈扁圓形且皮薄，且含有豐富的營養物質。我國的藍莓產量由2005年的181t增長到2015年的43 184t[1]。目前，藍莓果實的采摘方式主要依靠人工采摘，效率低，影響藍莓的品質及經濟效益。藍莓果實在采摘、加工、運輸和儲藏等過程中容易受到外力的作用，從而使果實產生機械損傷。果實的機械損傷一般是由壓縮載荷引起的。力學特性的相關研究被廣泛應用在果蔬機械損傷試驗中，包括葡萄[2-3]、荔枝[4-5]、楊梅果[6-7]、蘋果[8-9]、辣椒[10]、木薯[11]、銀杏[12]、番茄[13-14]和鮮棗[15]等。

壓縮強度通常是判斷蔬菜和水果的品質的重要指標之一，蔬菜、水果的內部應力測量也十分困難，因此在自然狀態下對藍莓壓縮載荷作用下的分析很有價值，其結果也可以為工程分析和計算提供有意義的依據[16]。目前對藍莓果實壓縮特性研究的文章較少，本文通過對藍莓整果進行壓縮載荷下的力學特性試驗，探討采摘外力對藍莓宏觀組織的影響，并設計機械損傷下藍莓果實力學特性試驗方案，得出機械損傷下藍莓果實的力學特性方程，探討機械采摘藍莓果實的損傷規律，為藍莓果實的采摘與收獲機械設計提供參考。

1 藍莓整果的壓縮試驗

試驗藍莓隨機選取顏色均勻、無病蟲害、表皮無損傷的50個藍莓樣品，由METTLER TOLEDO電子稱(精度0.001g)測得單果質量為0.651～1.920g，直徑由電子游標卡尺(精度0.02mm)每個方向測3次取平均值減小隨機誤差，橫向直徑10.65～15.45mm，縱向(蒂部到頂部)直徑5.63～11.56mm。在樣本中選擇差異較大的個體，使用WDW-200E型微機控制電子式萬能試驗機，試驗速度范圍為0.01～300mm/min，無級調速，精度±0.5%，分辨率1/200 000。在試驗過程中可由微機自動控制加載、卸載和力與位移數據的收集。裝置結構示意圖如圖1所示。

1.加載裝置 2.上壓板 3.藍莓試樣 4.下壓板 5.打印機 6.計算機

分別對單粒藍莓的縱向與橫向進行壓縮試驗(見圖2)，得到試驗力-時間曲線(見圖3)。由圖2、圖3可知：無論橫向還是縱向壓縮，力與位移曲線均為非線性，且沒有明顯的屈服點出現，達到破裂力后，藍莓表皮發生破裂。

1.上壓板 2.藍莓試樣 3.下壓板

圖3 試驗力與時間變化關系圖Fig.3 Test force and time change diagram

彈性模量可以衡量物料產生彈性變形的難易程度，一般其值越大，表示物料發生彈性變形所需的應力越大。

在藍莓壓縮試驗的彈性階段過程中，在靜載荷和變形的初期階段變形較小的條件下，應用赫芝理論建立能夠識別物料彈性模量的壓縮方程。由單面平板壓縮方程可得

式中F—壓力；

μ—物料的泊松比，通常果蔬的泊松比在0.2～0.5之間；

D—壓縮變形量；

R—被測物料與平板接觸處的最大曲率半徑；

R1′—被測物料與平板接觸處的最小曲率半徑；

K—取決于物體的兩個主曲率的常系數，其值已由赫茲理論算出(見表1)。

表1 K值Table 1 K value

表1中，θ值可以由公式算出；R、R′是分別為被測物料與平板接觸的最大曲率半徑與最小曲率半徑。

取藍莓的泊松比為0.3，根據藍莓壓縮試驗采集數據應用單面平板壓縮方程計算得出線性范圍內的藍莓彈性模量：橫向壓縮模量為0.21MPa，縱向壓縮模量為0.18MPa。由于其彈性模量較小，可知較小的應力就可以使藍莓產生形變。

在三水平正交表中，選用試驗量最小無交互作用的L9(34)正交表安排，因素水平如表2所示。選用直徑、距平臺高度及加載速度為3個因素，根據吳德光的壓縮試驗方法[17],采用剛性單面平板壓縮方式，下壓板不動，上壓板分別以固定速率1、5、10mm/min垂直下壓。試驗用的藍莓直徑由電子天平測得，并取平均值。用藍莓的破裂力作為試驗指標，藍莓的破裂力是壓縮特性試驗的一個重要參數，對應宏觀結構的破壞。試驗時，分別對單粒藍莓果實進行壓縮實驗，極差分析如表3所示。

表2 因素水平Table 2 The level of factor

表3 極差分析表Table 3 The poor analysis table

2 試驗結果與分析

2.1 極差分析

由表3可知：K1、K2、K3分別為各因素在各水平下藍莓破裂所需要的應力，k1、k2、k3表示各因素在各水平下藍莓果實破裂力的平均值，藍莓的直徑對藍莓果實破裂力的影響大于藍莓的加載速度與藍莓距平臺高度。

藍莓的直徑越大，越不容易受到損傷，原因主要是：藍莓果實越飽滿，其內部的纖維組織結合越緊密。加載速度越快，越容易受到損傷，原因主要是：加載速度越快，藍莓越容易受到沖擊力的作用，導致藍莓果實表皮受損而破裂。藍莓距離平臺高度基本上沒有影響，原因主要是：藍莓是否受到機械損傷與內部結構有關，與放置方向無太大關系。

2.2 方差分析

本試驗主要運用SPSS20.0軟件對試驗結果進行分析，結果如表4所示。

表4 方差分析Table 4 The analysis of variance

由表4可知：直徑與破壞力對應的Sig值、加載速度與破裂力對應的Sig值及高度與破裂力對應的Sig值，是方差分析時顯著性指標的參考數值；Sig值越小，說明試驗因素對試驗結果的影響越顯著。直徑與破裂力的Sig值在0.1左右，可以認為其對破裂力存在影響，高度對破裂力的影響較小。在直徑、加載速度、高度3個因素中，藍莓的直徑對破裂力的影響最大，其分析結果與極差分析結果一致。

運用SPSS軟件中的兩兩比較，能夠比較同一因素下不同水平之間是否存在明顯的差異，如表5所示。由表5可以得出不同水平之間藍莓直徑、加載速度與距平臺高度存在差異。其中，藍莓直徑對藍莓破裂力的影響最大。

表5 兩兩比較Table 5 The comparison of two

2.3 回歸分析

運用SPSS20.0軟件對實驗結果進行回歸分析，選擇逐步回歸，如表6所示。由表6可知：在直徑、加載速度與高度變量都存在的情況下，高度的Sig值為0.875>0.1，表明其對因變量破裂力的影響較小，R2值為0.777。剔除高度對藍莓破裂力的影響重新擬合，其Sig值均小于0.1，影響顯著，R2值為0.776。兩次R2值相差較小，所以在3個變量都剔除距平臺高度對藍莓破裂力的影響，可以得到破裂力與藍莓直徑、加載速度的關系式為

Y=-0.332+1.154X1-0.323X2

式中X1—藍莓的直徑；

X2—加載速度。

表6 相關系數Table 6 The correlation coefficient

模型系數a非標準化系數B標準 誤差標準系數試用版tSig.1(常量)0.3324.010-0.0830.937直徑1.1540.3070.7273.7590.009加載速度-0.3230.126-0.497-2.5720.042a. 因變量: 破裂力

3 結論

1)藍莓果實在壓縮載荷的作用下，無論是橫向還是縱向力，與時間的關系曲線均為非線性，壓縮過程中無明顯的生物體屈服點出現，壓縮力上升至破裂力后，藍莓發生破裂。通過計算得出了藍莓的壓縮彈性模量，其縱向與橫向分別為0.18MPa和0.21MPa，即較小的力就可以使藍莓產生變形。

2)以藍莓破裂力為試驗指標，根據極差分析與方差分析得知：藍莓的直徑大小對藍莓破裂力的有一定的影響。藍莓果實的直徑越大，越不容易受到損傷；加載速度越快，藍莓果實越容易受到損傷；藍莓距平臺的高度對藍莓果實損傷沒有影響。同時，得出了破裂力與藍莓直徑和加載速度的關系式。

3)選取的因素較少，僅能得到部分影響藍莓破裂的因素。由于藍莓品種間存在差異性，即不同品種藍莓的內部纖維組織結合程度也不相同，因此對所得結果也有影響。