洱源盐梅鲜果基本物理参数及切削力学特性研究

段晓凡，胡子武，杨 薇，李国雄

(1.昆明理工大学现代农业工程学院，云南昆明650500;2.大理农林职业技术学院机械与信息技术系，云南大理671000)

洱源县是云南省著名的梅子生产基地，2007年“洱源梅子”被国家检疫检验局列为地理标志产品［1］，梅子及梅子产品已经是当地农民的一项主要收入来源［2－4］。由于梅果属于高酸低糖类水果，不适合直接食用，可加工成为雕梅、话梅、乌梅、梅子酒等青梅制品销售和存储［5－6］。

在洱源梅子产品中，雕梅是其中最主要的产品之一，其特点是口感酸甜，外形独特美丽，在大理梅子产品中最受欢迎［5］。雕梅成品外形如图1，雕梅的生产工艺包括雕刻、去核、挤压、腌制几部分［6］，其中，将梅子从鲜果加工为雕梅坯的过程(雕刻、去核、挤压工艺)最为复杂。目前雕梅坯生产过程主要以手工加工为主，没有任何机械化设备介入，而对于雕梅原料——洱源盐梅的研究主要停留在对其理化特性等研究方面［7］，为给下一步开发雕梅机械提供相关数据，笔者参照国内外其他水果的特性研究［8－11］对洱源盐梅鲜果进行了几何参数的测量及适合雕梅生产中从梅果大径向内切削加工的力学特性试验。

1 材料与方法

1.1 材料 选用7月初采摘的新鲜盐梅子进行试验，为测定不同成熟度的梅子在雕刻加工过程中的力的大小，将梅子分为2组进行试验，每组50颗;第1组选绿色的梅子(成熟度为6～7成熟)，称为青梅组;第2组选已经变黄的(大约9成熟的梅子)，称为成熟组。

1.2 方法

1.2.1 基本物理参数测定。将盐梅鲜果放置于XYZ坐标系中，果蒂向下，花萼向上(图2)。分别定义梅果宽度(W)、高度(H)和厚度(T)，沿Z轴尺寸为梅子高度(H)，沿X轴方向(合缝线方向)为梅子宽度(W)，沿Y轴方向尺寸为梅子厚度(T);梅核以相同方向确定参数，分别为(h、w、t)。

使用数码相机设定于梅子中心距离40 mm处，获取梅子在XOY、YOZ、XOZ平面内的投影图像，并使用50 mm直径标准圆标定像素与长度单位之间的转换比例。将图像输入计算机并用Matlab 2007a对图像进行处理;使用同样方法测量梅核相关参数。通过图像处理可以获得梅子鲜果的高度H、宽度W和厚度T，其在XOY、YOZ、XOZ平面上投影的圆度 RdXOY、RdYOZ、RdXOZ按式(1)计算;梅子几何平均直径按式(2)计算;算术平均直径按式(3)计算;球度按式(4)计算［12］。

式中，Rd为3个平面的投影圆度;AP为梅果在相应平面上的投影面积;AO为投影面积的最小外接圆面积;Dg为梅果几何平均直径;Da为梅果算术平均直径;SP为球形度;W为梅果宽;H为梅果高;T为梅果厚。

1.2.2 盐梅鲜果切削力学性能测定。切削力学特性试验设备为自制刀具(直径20 mm圆形刀具)和蕴科/WDS-3000型万能拉压力试验机，为防止梅肉弹性变形对测量结果产生影响，同时为了防止试验中梅子滚动，将梅子一面切成平面，试验中，用小刀紧贴梅核，平行于XOZ平面切削，保留梅核进行试验。试验装置图如图3所示。

电脑自动记录切削试验过程中压力随切削深度变化的规律、最大切削力F及其发生位置、发生时的果肉变形量x。切削力根据式(5)计算，单位长度切削力按式(6)计算。

式中，F为梅子实际所受切削力;F'为试验机指示力;f为单位长度切削力;r为刀具半径。

2 结果与分析

2.1 梅子鲜果及梅核基本物理参数 从表1中可以看出，成熟组与青梅组相比，青梅组各参数都大于成熟组。鲜果3轴尺寸中，宽度最大［青梅组(39.94 ±0.83)mm，成熟组(37.78 ±1.01)mm］;高度次之［青梅组(37.31 ±0.99)mm，成熟组(35.19 ±0.83)mm］;厚度最小［青梅组(35.95 ±0.97)mm，成熟组(34.29 ±0.89)mm］。梅果虽然三轴尺寸不同，但差异不大，几何形体接近球体［青梅组(0.94±0.008)，成熟组(0.95 ±0.007)］。梅果在3个基准平面中投影近似圆，在平面XOY投影圆度最低［青梅组(0.90±0.02)，成熟组(0.91±0.01)］;平面YOZ上投影圆度最高［青梅组(0.96 ±0.02)，成熟组(0.97 ±0.01)］。

表1 梅果基本物理参数

梅核的基本物理参数见表2。从表2中可以看出，梅核尺寸中，高度最大［青梅组(21.95 ±0.83)mm，成熟组(20.77±0.64)mm］;宽度次之［青梅组(19.64 ±0.43)mm，成熟组(18.18±0.70)mm］;厚度最小［青梅组(14.80 ±0.33)mm，成熟组(14.52±1.13)mm］。

表2 梅核物理参数

梅核与梅果尺寸比例关系见表3。从表3中可以看出，虽然2组青梅尺寸不同，但梅核与梅果相应尺寸比相差不大，其中，梅核与梅果高度比最大，青梅组与成熟组均为(0.59 ±0.01)，宽度比次之，分别为(0.49 ±0.01)、(0.48 ±0.01);厚度比最小，分别为(0.41 ±0.01)、(0.42 ±0.01)。

表3 梅核与梅果比例

2.2 鲜梅切削力学特性 从试验中可以看出，在切削加工中，刀具破皮前，梅子皮会有一段变形量，不同成熟度的梅子该变形量不同(表4)。青梅组破皮力f为(1.96±0.12)N，变形量为(3.582 ±0.36)mm;而成熟组破皮力为(1.68 ±0.29)N，变形量为(5.299±0.45)mm。青梅组的破皮力比成熟组破皮力大，且变形量小。由此可见，成熟度(硬度)对破皮力及破皮变形量都有较大影响，青梅加工中，破皮时刀具对果肉压缩量较小，即对果肉品质影响较小，加工性能比较好。

表4 梅子破皮力与破皮变形量

切削过程中，切削深度与切削力的变化如图4。从图4中可以看出，在切削加工中，切削力最大发生在破皮位置，在破皮前，切削力与变形量成正比，破皮后切削力逐渐减小，最后达到平衡。

3 结论

经试验发现，洱源梅子形状呈扁椭圆形，宽度方向尺寸最大，厚度方向尺寸最小，且梅核在x、y、z方向与梅子比例固定，分别为:0.48 ～0.49、0.59、0.42;梅子在以 Y 轴为轴心的圆柱面向内切削加工时，最大受力发生在破皮时，破皮前梅子变形量与梅子受力成正比，青梅加工性能更好。

［1］无.洱源梅子［J］.中国果业信息，2008，25(3):32 －33.

［2］王滟.洱源县梅果产业稳步健康发展［N］.大理日报，2015－03－16(A2).

［3］杨品高.洱源县不断发展壮大高原特色生态农业［J］.云南农业，2013(3):22.

［4］张兴旺.梅子:洱源县的四大经济支柱之一［J］.中国果业信息，2007，24(4):33.

［5］钟祥.大理的名特食品炖梅与雕梅［J］.云南林业，2002(4):21.

［6］杜子楠.洱源雕梅制作工艺［J］.云南农业，1995(8):28.

［7］左绍远，董莎莎.大理地区青梅果营养成分分析［J］.大理学院学报，2010，9(6):13 －15.

［8］GOYAL R K，KINGSLYB A R P，KUMARBA P，et al.Physical and mechanical properties of aonla fruits［J］.Journal of food engineering，2007，82(10):595－599.

［9］PEREZ-LOPEZ A，CHAVEZ-FRANCO S H，VILLASENOR-PEREA C A，et al.Respiration rate and mechanical properties of peach fruit during storage at three maturity stages［J］.Journal of food engineering，2014，142(12):111－117.

［10］LI Z G，LI P P，LIU J Z.Physical and mechanical properties of tomato fruits as related to robot’s harvesting［J］.Journal of food engineering，2011，103(3):170 －178.

［11］陈燕，蔡伟亮，邹湘军，等.荔枝鲜果挤压力学特性［J］.农业工程学报，2011，27(8):360 －364.

［12］周祖锷.农业物料学［M］.北京:中国农业出版社，1994:5－9.