河套蜜瓜跌落冲击特性

王芳++韩媛媛++魏星++田海清++张子义

摘要：为掌握蜜瓜的冲击特性，降低其在运输中受冲击作用的机械损伤，以河套蜜瓜为研究对象，采用正交试验和单因素试验，分别研究跌落高度、跌落角度、蜜瓜质量对冲击加速度的影响。结果表明：对冲击加速度的影响排序为跌落高度>跌落角度>蜜瓜质量，且蜜瓜质量对冲击加速度的影响显著；在质量、硬度相近的情况下，冲击加速度随着跌落高度的增加而增大，果梗垂直跌落时的冲击加速度比水平跌落的大，且冲击时间比水平跌落的长。试验结果对进一步研究蜜瓜的冲击力学特性、损伤机制有一定的借鉴意义。

关键词：河套蜜瓜；冲击；跌落；加速度

中图分类号： S121文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）08-0199-03

蜜瓜是黏弹性体，且具有贮藏性差的特点，在运输过程中易受到冲击、振动、挤压等作用，造成损伤，從而影响其商品性和贮藏性[1]。研究蜜瓜冲击碰撞的力学行为，对于控制和预测跌落冲击损伤有理论意义。国内外一直以来都有相关学者在这一领域进行研究。Siyami等对苹果做碰撞试验，通过多元线性回归方程建立苹果损伤直径预测模型[2]；Schoorl等以苹果为研究对象提出著名的水果损伤能量原理[3]；Menesatti等提出了下降损伤指数（DDI）的概念，并通过对4种果实（苹果、桃、梨、杏）的试验得出：DDI可以用来测定果实冲击破坏的敏感度或抗力，还建立了桃的跌落冲击破坏预测统计模型[4]。Menesatti等用线性模型和非线性模型分析了果实跌落损伤的破坏指标，经过比较分析，得出采用非线性模型来表示更加合适[5]；陈善锋研究了梨下落碰撞时不同因素的加速度特性[6]；卢立新进行了红富士苹果在不同高度下的跌落试验，根据结果进行模型参数的识别[7]；吴杰等采用感压胶片测量了香梨与4种材料碰撞时的接触应力，确定香梨果损伤与接触应力分布的关系[8]；孙慧杰等在吴杰等的研究[8]基础上通过有限元模拟方法对香梨的损伤面积进行了预测分析[9]。

本试验以内蒙古当地的特产河套蜜瓜为研究对象进行跌落试验。测定蜜瓜的跌落损伤临界高度，分析跌落高度、跌落角度、蜜瓜质量对冲击特性的影响，以期为预测蜜瓜损伤机制提供基础。

1材料与方法

1.1试验材料

选用河套蜜瓜作为试验材料，产地为内蒙古巴彦淖尔市。试验所选蜜瓜形状规则，硬度相近，表面无损伤，质量为 1.2～1.6 kg/个。

1.2试验设备与方法

河套蜜瓜与刚性表面的跌落冲击试验系统如图1所示。加速度传感器为BK公司的4500-B-001系列。先将加速度传感器固定在蜜瓜表面，再将试样放置在冲击台托架上。在进行试验时，按动“升降”按钮自由选定试验所需高度，然后按动“准备”按钮，气缸活塞伸出，放置试样，再按动“跌落”按钮，使气缸活塞迅速缩进，试样作自由落体，并采用美国Vision Research公司的Phantom Miro2高速数字摄像机拍照，记录跌落全过程，用BK 3050-B-060型六通道Pulse LAN-XI数据采集卡进行数据采集和存储，然后用TEMA高速运动分析软件得到冲击跌落过程的时间-加速度曲线。

1.3试验设计

按质量、硬度选取3组蜜瓜，每组蜜瓜质量差控制在20 g

之内，硬度差控制在0.15 MPa之内；蜜瓜跌落高度设定为220、240、260、280、300、330、350、380、400、450 mm，在每个高度，从每组中各选取5个蜜瓜进行试验，从不同跌落高度进行跌落冲击试验，记录跌落过程的冲击加速度信号；试验后将蜜瓜于常温放置24 h，用Matlab图像处理方法测定其损伤面积，并以此为依据，判断损伤临界高度[10]。

选取蜜瓜质量、跌落高度、跌落角度3个因素，以蜜瓜跌落冲击的加速度作为试验指标，采取正交试验、单因素试验。冲击前位置包括蜜瓜瓜柄水平放置（0°）、瓜柄垂直放置（90°）2种。正交试验因素水平见表1。

2结果与分析

2.1损伤临界跌落试验结果

蜜瓜跌落后的损伤面积与跌落高度的关系如图2所示，可见蜜瓜跌落后出现可见损伤的临界高度为（200±5）mm。

2.2正交试验结果与方差分析

为研究不同因素对蜜瓜冲击加速度的影响显著性，按照L9（34）正交设计进行试验。由表2可见，各因素对冲击加速度影响的主次顺序是A>C>B，即跌落高度>跌落角度>蜜瓜质量。

2.3蜜瓜在跌落过程中的力学特性分析

由测试系统的试验数据，得到高度相同、硬度相近、质量不同的蜜瓜冲击加速度曲线，如图3所示，在蜜瓜下跌过程中

加速度保持不变，发生刚性冲击的瞬间加速度达到最大值，由于蜜瓜是黏弹性体，因此在冲击过程中会发生多次碰撞，最终静止。

2.4单因素试验及分析

2.4.1不同跌落高度对冲击加速度的影响对质量、硬度相近的蜜瓜试样做不同高度的跌落试验，在每个高度选取3个试样试验，根据数据进行统计分析。由图4、图5可知，冲击加速度峰值随跌落高度的增加而增大；随着高度的增加，冲击时间有所缩短，但变化较小。根据试验数据，得到蜜瓜跌落试验中不同高度与冲击加速度的关系，对数据进行多项式拟合，得到的回归方程如下：

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

式中：Y为冲击加速度峰值，m/s2；X为跌落高度，mm。

对数据进行方差分析得F0.05（4，10）=3.478，F值为3999，F>F0.05，因此可见跌落高度对冲击加速度峰值影响显著。

2.4.2不同跌落角度对冲击加速度的影响选取3组试样，每组试样的质量、硬度相近，且定义蜜瓜果梗水平放置为水平跌落，果梗垂直放置为垂直跌落，每组试样分别在同一高度下做不同角度的跌落试验。由图6可知，在相同质量、相同硬度下，垂直跌落的蜜瓜加速度比水平跌落的大，且冲击时间比水平跌落的长，这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处理瓜瓤的硬度，也可能与表面接触面积有关[11]。

2.4.3不同蜜瓜质量对冲击加速度的影响根据试验数据，得到蜜瓜跌落试验中不同蜜瓜质量与冲击加速度的关系，对数据进行多项式拟合，得到的回归方程如下：

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为冲击加速度峰值，m/s2；X为质量，kg。

對数据方差分析可知，F0.05（2，6）=5.143 2，垂直跌落的F值为70.2，水平跌落的F值为56.93，F>F0.05。故在其他条件相同的情况下，蜜瓜质量对冲击加速度峰值影响显著，且质量越大，冲击加速度越大，详见图7。

3结论

蜜瓜在跌落冲击试验中存在黏滞性，且（200±5）mm为

蜜瓜跌落临界损伤高度。对冲击加速度的影响因素主次顺序是跌落高度>跌落角度>蜜瓜质量。在质量、硬度相近时，冲击加速度随着跌落高度的增加而增加，且影响显著；在质量、硬度相近且跌落高度相同时，垂直跌落的蜜瓜加速度比水平跌落的大。可以看出，蜜瓜质量对冲击加速度有影响，冲击加速度随着质量的增大而增大。

参考文献：

[1]杨晓清，王春光. 河套蜜瓜机械特性与静载损伤关系的研究[J]. 农业工程学报，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]陈善锋，周亦斌，王俊，等. 梨的下落碰撞冲击加速度特性研究[J]. 浙江大学学报：农业与生命科学版，2003，29（3）：339-342.

[7]卢立新，李春飞. 单层与多层苹果跌落冲击损伤研究[J]. 包装工程，2006，27（6）：1-3.

[8]吴杰，郭康权，葛云，等. 香梨果实跌落碰撞时的接触应力分布特性[J]. 农业工程学报，2012，28（1）：250-254.

[9]孙慧杰，吴杰，冯哲，等. 香梨与瓦楞纸板跌落碰撞的接触应力分布分析及损伤预测[J]. 现代食品科技，2014，30（2）：48-52.

[10]曹海燕，卢立新. 梨果实跌落冲击特性与流变模型[J]. 食品与生物技术学报，2007，26（4）：11-15.

[11]卢立新，王志伟. 苹果跌落冲击力学特性研究[J]. 农业工程学报，2007，23（2）：254-258.