蓝莓机械损伤试验的设计与试验研究

2018-08-10王黎明

农机化研究 2018年12期

吕洋，王黎明

(黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江大庆 163319)

0 引言

蓝莓(Blueberry)又名笃斯，属杜鹃花科，越橘属植物，果实呈扁圆形且皮薄，且含有丰富的营养物质。我国的蓝莓产量由2005年的181t增长到2015年的43 184t[1]。目前，蓝莓果实的采摘方式主要依靠人工采摘，效率低，影响蓝莓的品质及经济效益。蓝莓果实在采摘、加工、运输和储藏等过程中容易受到外力的作用，从而使果实产生机械损伤。果实的机械损伤一般是由压缩载荷引起的。力学特性的相关研究被广泛应用在果蔬机械损伤试验中，包括葡萄[2-3]、荔枝[4-5]、杨梅果[6-7]、苹果[8-9]、辣椒[10]、木薯[11]、银杏[12]、番茄[13-14]和鲜枣[15]等。

压缩强度通常是判断蔬菜和水果的品质的重要指标之一，蔬菜、水果的内部应力测量也十分困难，因此在自然状态下对蓝莓压缩载荷作用下的分析很有价值，其结果也可以为工程分析和计算提供有意义的依据[16]。目前对蓝莓果实压缩特性研究的文章较少，本文通过对蓝莓整果进行压缩载荷下的力学特性试验，探讨采摘外力对蓝莓宏观组织的影响，并设计机械损伤下蓝莓果实力学特性试验方案，得出机械损伤下蓝莓果实的力学特性方程，探讨机械采摘蓝莓果实的损伤规律，为蓝莓果实的采摘与收获机械设计提供参考。

1 蓝莓整果的压缩试验

试验蓝莓随机选取颜色均匀、无病虫害、表皮无损伤的50个蓝莓样品，由METTLER TOLEDO电子称(精度0.001g)测得单果质量为0.651～1.920g，直径由电子游标卡尺(精度0.02mm)每个方向测3次取平均值减小随机误差，横向直径10.65～15.45mm，纵向(蒂部到顶部)直径5.63～11.56mm。在样本中选择差异较大的个体，使用WDW-200E型微机控制电子式万能试验机，试验速度范围为0.01～300mm/min，无级调速，精度±0.5%，分辨率1/200 000。在试验过程中可由微机自动控制加载、卸载和力与位移数据的收集。装置结构示意图如图1所示。

1.加载装置 2.上压板 3.蓝莓试样 4.下压板 5.打印机 6.计算机

分别对单粒蓝莓的纵向与横向进行压缩试验(见图2)，得到试验力-时间曲线(见图3)。由图2、图3可知：无论横向还是纵向压缩，力与位移曲线均为非线性，且没有明显的屈服点出现，达到破裂力后，蓝莓表皮发生破裂。

1.上压板 2.蓝莓试样 3.下压板

图3 试验力与时间变化关系图Fig.3 Test force and time change diagram

弹性模量可以衡量物料产生弹性变形的难易程度，一般其值越大，表示物料发生弹性变形所需的应力越大。

在蓝莓压缩试验的弹性阶段过程中，在静载荷和变形的初期阶段变形较小的条件下，应用赫芝理论建立能够识别物料弹性模量的压缩方程。由单面平板压缩方程可得

式中F—压力；

μ—物料的泊松比，通常果蔬的泊松比在0.2～0.5之间；

D—压缩变形量；

R—被测物料与平板接触处的最大曲率半径；

R1′—被测物料与平板接触处的最小曲率半径；

K—取决于物体的两个主曲率的常系数，其值已由赫兹理论算出(见表1)。

表1 K值Table 1 K value

表1中，θ值可以由公式算出；R、R′是分别为被测物料与平板接触的最大曲率半径与最小曲率半径。

取蓝莓的泊松比为0.3，根据蓝莓压缩试验采集数据应用单面平板压缩方程计算得出线性范围内的蓝莓弹性模量：横向压缩模量为0.21MPa，纵向压缩模量为0.18MPa。由于其弹性模量较小，可知较小的应力就可以使蓝莓产生形变。

在三水平正交表中，选用试验量最小无交互作用的L9(34)正交表安排，因素水平如表2所示。选用直径、距平台高度及加载速度为3个因素，根据吴德光的压缩试验方法[17],采用刚性单面平板压缩方式，下压板不动，上压板分别以固定速率1、5、10mm/min垂直下压。试验用的蓝莓直径由电子天平测得，并取平均值。用蓝莓的破裂力作为试验指标，蓝莓的破裂力是压缩特性试验的一个重要参数，对应宏观结构的破坏。试验时，分别对单粒蓝莓果实进行压缩实验，极差分析如表3所示。

表2 因素水平Table 2 The level of factor

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

2 试验结果与分析

2.1 极差分析

由表3可知：K1、K2、K3分别为各因素在各水平下蓝莓破裂所需要的应力，k1、k2、k3表示各因素在各水平下蓝莓果实破裂力的平均值，蓝莓的直径对蓝莓果实破裂力的影响大于蓝莓的加载速度与蓝莓距平台高度。

蓝莓的直径越大，越不容易受到损伤，原因主要是：蓝莓果实越饱满，其内部的纤维组织结合越紧密。加载速度越快，越容易受到损伤，原因主要是：加载速度越快，蓝莓越容易受到冲击力的作用，导致蓝莓果实表皮受损而破裂。蓝莓距离平台高度基本上没有影响，原因主要是：蓝莓是否受到机械损伤与内部结构有关，与放置方向无太大关系。

2.2 方差分析

本试验主要运用SPSS20.0软件对试验结果进行分析，结果如表4所示。

表4 方差分析Table 4 The analysis of variance

由表4可知：直径与破坏力对应的Sig值、加载速度与破裂力对应的Sig值及高度与破裂力对应的Sig值，是方差分析时显著性指标的参考数值；Sig值越小，说明试验因素对试验结果的影响越显著。直径与破裂力的Sig值在0.1左右，可以认为其对破裂力存在影响，高度对破裂力的影响较小。在直径、加载速度、高度3个因素中，蓝莓的直径对破裂力的影响最大，其分析结果与极差分析结果一致。

运用SPSS软件中的两两比较，能够比较同一因素下不同水平之间是否存在明显的差异，如表5所示。由表5可以得出不同水平之间蓝莓直径、加载速度与距平台高度存在差异。其中，蓝莓直径对蓝莓破裂力的影响最大。

表5 两两比较Table 5 The comparison of two

2.3 回归分析

运用SPSS20.0软件对实验结果进行回归分析，选择逐步回归，如表6所示。由表6可知：在直径、加载速度与高度变量都存在的情况下，高度的Sig值为0.875>0.1，表明其对因变量破裂力的影响较小，R2值为0.777。剔除高度对蓝莓破裂力的影响重新拟合，其Sig值均小于0.1，影响显著，R2值为0.776。两次R2值相差较小，所以在3个变量都剔除距平台高度对蓝莓破裂力的影响，可以得到破裂力与蓝莓直径、加载速度的关系式为

Y=-0.332+1.154X1-0.323X2

式中X1—蓝莓的直径；

X2—加载速度。