張權(quán)威，劉 揚(yáng)，于世輝，蔣 鑫，張 瑞，張 宏※

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300;2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

庫爾勒香梨品質(zhì)優(yōu)良，汁多味美，深受廣大消費(fèi)者青睞[1]。但因其皮薄肉脆等自身屬性，在采后加工易受到機(jī)械損傷。香梨在實(shí)際生產(chǎn)中受到的損傷是多種載荷共同作用的結(jié)果，其中以沖擊損傷和振動(dòng)損傷為主[2-3]。香梨損傷部位容易滋生細(xì)菌，造成香梨內(nèi)部組織的腐敗使香梨品質(zhì)下降，每年因損傷造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)6 000萬元以上，嚴(yán)重制約香梨產(chǎn)業(yè)發(fā)展[4]。因此減少振動(dòng)沖擊復(fù)合載荷對香梨的損傷，降低腐爛率，可為香梨采后加工過程提供理論指導(dǎo)，對提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

關(guān)于載荷作用對水果損傷影響方面，國內(nèi)外學(xué)者多以單一載荷形式研究為主。在沖擊損傷方面的研究中。Springael證明了沖擊是蘋果機(jī)械損傷的主要原因[5]。Schoorl在沖擊損傷試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)沖擊能量越多損傷越大[6]。Schulte指出紙質(zhì)托盤能減緩沖擊對蘋果的影響[7]。振動(dòng)損傷方面，李曉娟對鴨梨進(jìn)行了模擬振動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)頻率一定時(shí)，鴨梨的損傷程度會(huì)隨著振動(dòng)加速度的增大而增大，當(dāng)加速度一定時(shí)，鴨梨的損傷程度會(huì)隨著振動(dòng)頻率減小而增大[8]。Jarimopas對柑橘在不同的運(yùn)輸條件下受到的振動(dòng)損傷展開研究，研究表明瀝青路面振動(dòng)損傷最小[9]。但是在實(shí)際貯運(yùn)過程中，香梨遭受的損傷是多種載荷共同作用的結(jié)果，仍需針對實(shí)際工況展開研究。盧立新模擬了實(shí)際公路運(yùn)輸工況下香梨的損傷情況，表明包裝方式對果實(shí)的損傷保護(hù)不同，其中用瓦楞紙板以及網(wǎng)罩組合包裝方式減損效果最好[10]。謝丹丹模擬了實(shí)際運(yùn)輸工況，表明了振動(dòng)強(qiáng)度越大對獼猴桃生理品質(zhì)影響就越大[11]。上述研究學(xué)者針對實(shí)際工況進(jìn)行模擬研究，并未闡釋復(fù)合載荷損傷機(jī)理。因此需要從實(shí)際角度出發(fā)，明晰復(fù)合載荷損傷機(jī)理，能為香梨在實(shí)際采后加工過程受到多種復(fù)合載荷提供科學(xué)理論依據(jù)。然而，關(guān)于庫爾勒香梨振動(dòng)沖擊復(fù)合載荷損傷相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

本文對不同成熟度下庫爾勒香梨進(jìn)行單一載荷下的沖擊損傷試驗(yàn)和振動(dòng)損傷試驗(yàn)，探究其損傷變化規(guī)律，并以上述試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究振動(dòng)沖擊復(fù)合載荷對香梨損傷面積的影響規(guī)律，建立復(fù)合載荷與損傷面積間的數(shù)學(xué)模型，可為香梨在實(shí)際生產(chǎn)過程中減損提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

庫爾勒香梨樣品在2019年9月1日采摘自位置于阿拉爾市10團(tuán)10連的優(yōu)質(zhì)香梨園，每隔4天采摘一次，試驗(yàn)樣品選取大小相似、形狀均勻、果重相當(dāng)、無病蟲害、去青皮的香梨。每次采摘的香梨記為一個(gè)成熟度，共采摘8次，分別記為H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 損傷面積的測定

將損傷的庫爾勒香梨放置在室內(nèi)24 h以上使其充分褐變，去除損傷表皮，褐變后香梨表面損傷可輕易用肉眼識(shí)別，因此測量香梨損傷面積采用吳杰等人[12]的損傷面積法，測量損傷區(qū)域的長半軸a與短半軸b。

式中：S—損傷面積，mm2；a—損傷區(qū)域長半軸，mm；b—損傷區(qū)域短半軸，mm。

1.2.2 沖擊損傷試驗(yàn)

參考盧立新建立的瓦楞紙板模型[13]，采用自制沖擊損傷試驗(yàn)臺(tái)，在試驗(yàn)臺(tái)上鋪上齒形為UV型、楞型為A型的瓦楞紙板三層。選用不同的跌落高度，試驗(yàn)表明沖擊30 cm會(huì)出現(xiàn)損傷，150 cm會(huì)出現(xiàn)表皮破裂，所以設(shè)定試驗(yàn)的沖擊高度為30~150 cm，每隔20 c m為一組，每組試驗(yàn)重復(fù)十次，24 h后測量損傷面積，取平均值。

自行設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)如圖1。工作時(shí)將水果放到吸盤正下方，打開空氣閥門開關(guān)，水果吸附在吸盤上。將吸盤上升到一定高度，記錄沖擊高度，關(guān)閉空氣閥門，水果下落至平臺(tái)上，單次試驗(yàn)完成。

圖1 沖擊損傷試驗(yàn)臺(tái)

1.2.3 振動(dòng)損傷試驗(yàn)

采用胡洋和孫儷等人[14-15]的方法，將庫爾勒香梨放在振動(dòng)損傷試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)，根據(jù)ISTA/ASTM標(biāo)準(zhǔn)[16]和文獻(xiàn)[17]，轉(zhuǎn)速選取180 r/min，對應(yīng)的振動(dòng)頻率為3Hz。振動(dòng)時(shí)間為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，每組試驗(yàn)取十次重復(fù)，24 h后測量損傷面積，取平均值（圖2）。試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)如下：

圖2 振動(dòng)損傷試驗(yàn)臺(tái)

工作臺(tái)面尺寸（mm×mm）1 000×1200

模擬車速（km/h）25~40

振動(dòng)方式 回轉(zhuǎn)Gyration

振幅范圍（mm）25.4

頻率范圍（rpm）100~300

最大負(fù)載（kg）100

1.2.4 振動(dòng)沖擊復(fù)載損傷試驗(yàn)

將庫爾勒香梨放置于振動(dòng)損傷試驗(yàn)臺(tái)上，振動(dòng)一定時(shí)間后觀察香梨損傷部位，將香梨放置于沖擊損傷試驗(yàn)臺(tái)上使損傷部位正對瓦楞紙板，做到先振動(dòng)再?zèng)_擊，振動(dòng)損傷試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速取180 r/min。為了不使香梨因振動(dòng)時(shí)間過長及沖擊高度過高而出現(xiàn)大范圍損傷，振動(dòng)時(shí)間設(shè)定為0.5 h、1 h、2 h、3 h，沖擊高度設(shè)定為30 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm，每組試驗(yàn)重復(fù)十次并取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 沖擊載荷對香梨損傷的影響

不同成熟度下的香梨損傷面積隨沖擊高度的變化規(guī)律如圖3，香梨損傷面積整體是隨著沖擊高度的增大而增大的，其中香梨成熟度初期關(guān)系接近，即H1與H2接近，成熟度末期曲線接近，即H7與H8接近，說明受載荷作用損傷面積關(guān)系接近，損傷面積變化小，成熟度對香梨損傷影響不明顯。成熟度中期，即H3~H6時(shí)，受載荷作用損傷面積關(guān)系遠(yuǎn)離，損傷面積變化大，說明成熟度的香梨受載荷作用明顯。

圖3 不同成熟期香梨沖擊高度與損傷面積間的關(guān)系

2.2 振動(dòng)載荷對香梨損傷影響

振動(dòng)時(shí)間對不同成熟度香梨損傷面積影響規(guī)律如圖4，振動(dòng)損傷面積整體是隨著振動(dòng)時(shí)間的增大而增大的，其中香梨成熟度初期關(guān)系接近，即H1、H2接近，成熟度末期曲線接近，即H7、H8、H9接近，說明受載荷作用損傷面積關(guān)系接近，損傷面積變化小，成熟度對香梨損傷影響不明顯。成熟度中期，即H3、H4、H5時(shí)，受載荷作用損傷面積關(guān)系遠(yuǎn)離，損傷面積變化大，說明成熟度的香梨受載荷作用明顯。

圖4 不同成熟度香梨損傷面積隨時(shí)間變化規(guī)律

2.3 振動(dòng)沖擊復(fù)合載荷對香梨損傷影響

振動(dòng)沖擊復(fù)合載荷大小與損傷面積的關(guān)系如圖5，不同的振動(dòng)時(shí)間，損傷面積均隨著沖擊高度的增加而增加。當(dāng)沖擊高度一定時(shí)，損傷面積隨著振動(dòng)時(shí)間的增長而增加。不同成熟度香梨硬度不同，受振動(dòng)沖擊復(fù)合載荷的損傷面積有差別，成熟度為H1與H2的復(fù)合載荷大小與損傷面積變化曲線近似，成熟度為H3、H4、H5的振動(dòng)復(fù)合載荷大小與損傷面積變化曲線差異較大，成熟度為H6、H7、H8的復(fù)合載荷大小與損傷面積變化曲線近似。先振動(dòng)0.5 h后再?zèng)_擊的損傷面積隨沖擊高度變化曲線（圖5a）與圖3一致，說明振動(dòng)0.5 h對香梨沒有造成振動(dòng)損傷，因此沖擊與振動(dòng)不產(chǎn)生交互作用。先振動(dòng)1 h、2 h、3 h后再進(jìn)行沖擊的損傷面積隨沖擊高度變化曲線（圖5）與圖3不一致，損傷面積明顯大于沖擊載荷損傷面積，說明振動(dòng)時(shí)間大于1 h對香梨產(chǎn)生振動(dòng)損傷，因此再進(jìn)行沖擊會(huì)產(chǎn)生交互作用。

圖5 振動(dòng)沖擊復(fù)合載荷與損傷面積的關(guān)系

觀察圖5中的曲線可以看出損傷面積與復(fù)合載荷成二次函數(shù)關(guān)系，對不同復(fù)合載荷下的損傷面積數(shù)據(jù)進(jìn)行一元二次多項(xiàng)式的回歸分析，得到數(shù)學(xué)模型為：

式中Y—復(fù)載損傷面積，mm2；X—跌落高度，cm；a、b、c—為常數(shù)。

振動(dòng)沖擊復(fù)合載荷數(shù)學(xué)模型如表1~表4。在振動(dòng)0.5 h后沖擊高度與損傷面積的數(shù)學(xué)模型中，香梨成熟度為H3和H5的數(shù)學(xué)模型R2為0.9998，擬合效果較優(yōu)。在振動(dòng)1h后沖擊高度與損傷面積數(shù)學(xué)模型中，香梨成熟度H3和H4的數(shù)學(xué)模型R2為0.9999，擬合效果較優(yōu)。在振動(dòng)2 h后沖擊高度與損傷面積數(shù)學(xué)模型中，香梨成熟度H3和H4的數(shù)學(xué)模型R2分別為0.9943與0.9933，擬合效果較優(yōu)。在振動(dòng)3 h后沖擊高度與損傷面積數(shù)學(xué)模型中，香梨成熟度H4的數(shù)學(xué)模型R2為0.9928，擬合效果較優(yōu)。各振動(dòng)沖擊復(fù)合載荷數(shù)學(xué)模型R2均接近于1，擬合程度較好。

表1 振動(dòng)0.5h后沖擊高度與損傷面積的數(shù)學(xué)模型

表4 振動(dòng)3h后沖擊高度與損傷面積的數(shù)學(xué)模型

該模型可表征不同成熟度香梨損傷面積與復(fù)合載荷間的關(guān)系，根據(jù)損傷面積，分析香梨受復(fù)合載荷大小，選取不同成熟度香梨合理的包裝方式、包裝材料、運(yùn)輸方式，最終減少香梨在采后加工過程中的損傷。

表2 振動(dòng)1h后沖擊高度與損傷面積的數(shù)學(xué)模型

表3 振動(dòng)2h后沖擊高度與損傷面積的數(shù)學(xué)模型

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)香梨在成熟初期與末期時(shí)，振動(dòng)、沖擊載荷作用對香梨損傷面積關(guān)系相近，而在成熟中期，振動(dòng)、沖擊載荷作用對香梨損傷面積關(guān)系遠(yuǎn)離。主要是因?yàn)橄憷婕?xì)胞壁會(huì)隨著果實(shí)的成熟發(fā)育而下降，果實(shí)硬度下降，整體硬度呈現(xiàn)“穩(wěn)定—快速變化—穩(wěn)定”的變化規(guī)律[18-20]，所以在香梨成熟初期與末期，同一載荷不同成熟度損傷面積變化不明顯，而在香梨成熟中期時(shí)，同一載荷不同成熟度損傷面積變化較為明顯。因此，在成熟初期與末期采摘香梨時(shí)，香梨受載荷影響波動(dòng)較小，在成熟中期，香梨受載荷作用波動(dòng)較大，故此階段應(yīng)盡快采摘，減少香梨因損傷帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

香梨損傷的外部原因主要來自載荷作用，沖擊和振動(dòng)是香梨實(shí)際生產(chǎn)中最主要的載荷形式，在實(shí)際生產(chǎn)過程中香梨受到的損傷是多種載荷共同作用的結(jié)果，本研究試驗(yàn)以上述試驗(yàn)為基礎(chǔ)，貼合實(shí)際生產(chǎn)過程研究振動(dòng)沖擊復(fù)合載荷作用下香梨的損傷規(guī)律。

研究發(fā)現(xiàn)，香梨振動(dòng)時(shí)間大于1 h后再進(jìn)行沖擊的損傷變化規(guī)律，與單一沖擊損傷變化規(guī)律（圖4）不一致，認(rèn)為產(chǎn)生交互作用，據(jù)周然、李萍研究表明，黃花梨的硬度隨振動(dòng)時(shí)間增加而減小[21-22]，隨著香梨振動(dòng)1 h損傷部位硬度下降，損傷部位仍然具有一定抗載作用來消耗一些沖擊能量，剩余的沖擊能量會(huì)對振動(dòng)損傷部位造成二次損傷，因此復(fù)載損傷面積小于單一載荷沖擊損傷面積與振動(dòng)損傷面積的和，既表現(xiàn)為復(fù)合載荷損傷規(guī)律與沖擊載荷損傷規(guī)律不一致。復(fù)合載荷產(chǎn)生的交互作用對香梨影響較為復(fù)雜，其規(guī)律有待更深入的研究。

4 結(jié)論

（1）香梨損傷面積隨著沖擊高度與振動(dòng)時(shí)間的增長而增大。在香梨成熟初期與末期，同一載荷不同成熟度損傷面積變化不明顯，成熟中期，同一載荷不同成熟度損傷面積變化明顯。在成熟初期與末期采摘，受載荷影響波動(dòng)較小，在成熟中期采摘，受載荷影響波動(dòng)較大，需盡快采摘，減少香梨損傷。

（2）振動(dòng)0.5 h再?zèng)_擊的復(fù)載作用下，不產(chǎn)生交互作用。在振動(dòng)1 h后沖擊的復(fù)載作用下產(chǎn)生交互作用。建立不同成熟度香梨不同振動(dòng)時(shí)間下沖擊高度與復(fù)載損傷面積間的數(shù)學(xué)模型復(fù)合二次函數(shù)。該模型可表征不同成熟度香梨損傷面積與復(fù)合載荷間的關(guān)系，可為香梨采后加工過程減損提供理論指導(dǎo)。