哈密瓜物流包装垂直和水平振动的建模分析与防护

张连文 谢晓定 武玉柱 张 超 高 钾 徐 斌

(1. 天津商业大学,天津 300134;2. 新疆工程学院,新疆 乌鲁木齐 830023;3. 新疆农业科学院,新疆 乌鲁木齐 830091)

作为新疆重要的农业经济作物之一,哈密瓜因香甜脆嫩、营养丰富等优点,深受消费者喜爱[1-2]。为满足内地消费者对哈密瓜的需求,需将哈密瓜通过卡车长途运输至广东、上海、浙江、北京等主要分销地[3]。但长途运输振动,不仅会对哈密瓜的外观造成机械损伤,还会加速其内部品质劣变,因此,研究卡车长途运输振动具有重要意义[4-5]。

近年来,国内外学者致力于研究运输振动对瓜果品质的损伤机理,并寻找降低振动引起的损伤的方法[6-7]。目前,研究运输振动对瓜果品质的影响主要通过模拟运输随机振动、定频振动、扫频振动3种试验手段[8]。夏铭等[9-11]通过模拟运输随机振动试验,研究了不同类型的减振衬垫、托盘、缓冲泡沫对水果的防护效果;曾媛媛等[12-15]通过模拟运输定频振动试验,研究了不同振动频率对哈密瓜硬度、总酚含量、细胞膜脂、弹性和咀嚼性等品质指标的影响,发现低频振动对哈密瓜品质的影响更大。张连文等[16-17]通过模拟运输扫频振动试验,测定了瓦楞纸箱及瓜果的固有频率。上述研究大多集中在对单果或单层包装件在单一垂直方向振动及其损伤,而在实际公路运输过程中,包装件通常以逐层码放的方式装载在卡车厢内,并且行驶中由于受路况、气候条件、行驶速度等因素的影响,卡车往往会同时产生垂直和水平方向振动的现象,因此,研究多层堆码包装件在垂直和水平方向的振动特性更具实际参考价值。

试验拟以西州蜜17号哈密瓜和0201型包装瓦楞纸箱为研究对象,模拟长途卡车在高速公路行驶的实际运输振动,分析采集到的振动信号,试图建立最大功率谱密度、峰值加速度与堆码层的变化规律模型,研究不同堆码层包装件在垂直和水平方向的振动强度,以期为包装件防护优化设计提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

哈密瓜:西州蜜17号,选自同一批次,形状和大小均匀、成熟度相近、无损伤以及无病虫害,单果质量为2.5 ～3.5 kg的哈密瓜[18],市售;

瓦楞纸箱:选用0201型纸箱,瓦楞组合为BE楞,外形尺寸为462 mm×376 mm×168 mm;

缓冲材料:尺寸为320 mm×110 mm～370 mm×160 mm的泡沫网套和缓冲5层瓦楞纸板,根据长途运输装载的实际包装要求,将哈密瓜套上泡沫网套,每箱装4个,并用4块缓冲瓦楞纸板隔开(图1),按照试验标准,共选用15箱进行试验。

图1 哈密瓜的装箱示意图

1.2 试验设备

低频振动台:DC-1000-15型,配有RC-3000-4振动台控制仪,HT-8045A可程式恒温恒湿处理机和传感器等设备,苏州试验仪器总厂;

智能数据采集和信号分析系统DASP-V11/INV3062T软件:北京东方振动和噪声技术研究所。

1.3 试验方法

为确保试验结果的准确性,严格按照GB/T 4857.10正弦扫频振动试验,模拟物流运输车辆在高速公路行驶的实际运输振动,设置3组重复试验,每组挑选5箱哈密瓜以堆码的方式进行正弦扫频振动试验。根据GB/T 4857.2,试验前,将15箱哈密瓜放置于HT-8045A可程式恒湿恒温处理机中进行温湿度预处理(温度23 ℃、相对湿度50%、预处理时间8 h)。相同温湿度条件下, 预处理时间为8,24 h的试验结果基本一致,因此,为提高试验效率,预处理时间选择8 h[19]。将试验场地的温湿度调节至与温湿度预处理条件一致。将传感器固定于各层包装件底部的中间位置。为便于识别振动控制仪通道以及连接数据线路,将测试第1～5层垂直方向振动信号数据线分别连接到振动台控制仪的第2、6、7、9、10通道,将测试1、3、5奇数层前后方向振动信号的数据线分别连接到第3、8、11通道,受振动台控制仪通道数量的限制以及考虑传感器在堆码层布置的合理性,仅测试1、3、5奇数层前后方向的振动信号,以表征水平方向的振动情况。包装件的中心与振动台台面几何中心重合,其宽度和长度方向分别对应振动台前后和左右方向,并以逐层堆码的形式正立置于振动台面上,用尼龙绳捆扎固定,防止试验过程中产生剧烈的晃动(见图2)。在DASP V11软件中设置振动台的采样频率为1 024 Hz,扫描频率为5～100 Hz,扫描速率为每分钟1/2倍频程,启动堆码正弦扫频振动试验,并对振动信号进行实时采样[16]。

图2 哈密瓜包装件5层堆码示意图

1.4 数据处理

采用COINV DASP V11软件对试验采集到的振动信号进行频域分析,获得固有频率和最大功率谱密度,并进行时域分析,获得峰值加速度。使用Excel 2019软件处理从COINV DASP V11导出的数据,使用回归建模分析对数据进行差异显著性分析,并使用Origin 2019b软件绘图。

2 结果与分析

2.1 垂直和水平方向的固有频率

2.1.1 5层包装件垂直方向的固有频率 采用COINV DASP V11软件对试验采集到的振动信号进行频域分析,获得第1～5层包装件在垂直方向振动的功率谱密度,用 Excel 2019软件分析各层功率谱密度,用Origin 2019b绘图,得到自功率谱图如图3所示,自功率谱反映的是各层功率随频率的变化关系。

图3 堆码包装件在垂直方向的自功率谱

当振动台给予的外激励振动频率等于包装件的固有频率时,包装件产生共振现象,自功率谱曲线的峰值所对应频率就是包装件在垂直方向振动的固有频率[20]。由图3可知,第1～5层包装件在垂直方向的固有频率分别为9.86,54.75,9.75,9.92,10.31 Hz。

2.1.2 奇数层包装件水平方向的固有频率 由图4可知,第1、3、5层包装件水平方向的固有频率分别为10.12,10.44,11.13 Hz。

图4 奇数层包装件在水平方向的自功率谱

由图3和图4可知,功率谱密度值在频率为9～12 Hz时发生明显的跳跃,是由于扫频频率接近或等于固有频率时产生共振,振动能量大幅度增加,导致振动强度显著增强,此时对应的频率(9～12 Hz)即为堆码包装件的共振频率。当扫频频率为9 Hz时,堆码包装件的振动强度明显增大,直至扫频频率为12 Hz时,该现象消失。因此,实际运输过程中应尽量避开产生9～12 Hz频段的路段,或者采用恰当的包装和运输方式,以有效避开共振频率,防止运输过程中产生共振而加速哈密瓜品质的劣变。

2.2 垂直和水平方向的峰值加速度

2.2.1 5层包装件在垂直方向的峰值加速度 由图5可知,5层包装件的第1～5层包装件垂直方向振动的峰值加速度分别为11.933 8,26.616 3,39.213 8,43.197 3,51.148 5 m/s2。

图5 堆码包装件在垂直方向的时域响应图

2.2.2 奇数层包装件在水平方向的峰值加速度 由图6可知,第1、3、5层包装件在水平方向振动的峰值加速度分别为5.047 2,6.786 9,9.645 4 m/s2。

图6 奇数层包装件在水平方向的时域响应图

结合图5和图6可知,垂直和水平方向振动的峰值加速度值均从底层到顶层呈递增趋势,与王璐璐等[20]的研究规律相同。这是由于处于上层的包装所受的承载压力比下层的小,因此上层的约束程度小,导致上层的振动幅度比下层的大,从而使上层的冲击力和峰值加速度更大,对产品造成的损伤程度更大[21-22]。因此,实际运输装载过程中对堆码包装件应进行合理的捆扎,以增加其约束程度,从而减小运载产品的振动幅度,达到减轻振动引起损伤的目的。

2.3 最大功率谱密度和峰值加速度与堆码层的关系

2.3.1 最大功率谱密度与堆码层的关系 自功率谱曲线反映的是振动过程中功率随频率的变化关系,功率谱密度越大表明振动产生的能量越大,即振动强度越强。表1为各层包装件垂直和水平方向的最大功率谱密度,根据其数据分别建立垂直和水平方向最大功率谱密度与堆码层关系的一元线性回归模型,并进行相关系数的显著性检验,选择显著水平为α=0.05[23]。

表1 垂直和水平方向的最大功率谱密度†

垂直方向最大功率谱密度与堆码层关系的一元线性回归模型为:

y1=35.189 1x1-33.856 0,

(1)

式中:

x1——堆码层,层;

y1——功率谱密度,m2/(s4·Hz)。

相关系数的显著性检验(α=0.05),由于|r|=0.994 7>rα(n-2)=r0.05(3)=0.878,因此在显著水平为0.05条件下,垂直方向最大功率谱密度对堆码层的一元线性回归模型效果显著[17],因此该模型可以较准确地预测垂直方向功率谱密度的变化规律(图7)。

图7 最大功率谱密度与堆码层的建模分析

水平方向最大功率谱密度与堆码层关系的一元线性回归模型为:

y2=2.172 9x2+1.459 7,

(2)

式中:

x2——堆码层,层;

y2——功率谱密度,m2/(s4·Hz)。

相关系数的显著性检验(α=0.05),由于|r|=0.999 9>rα(n-2)=r0.05(1)=0.997,因此在显著水平为0.05条件下,水平方向最大功率谱密度对堆码层的一元线性回归模型效果显著,因此该模型可以较准确地预测水平方向功率谱密度的变化规律(图7)。

2.3.2 峰值加速度与堆码层的关系 表2为各层包装件垂直和水平方向的峰值加速度,根据其数据分别建立垂直和水平方向峰值加速度与堆码层关系的一元线性回归模型,进行相关系数的显著性检验,选择显著水平为α=0.05。

表2 垂直和水平方向的峰值加速度†

垂直方向峰值加速度与堆码层关系的一元线性回归模型为:

y3=9.568 3x3+5.784 4,

(3)

式中:

x3——堆码层,层;

y3——功率谱密度,m2/(s4·Hz)。

相关系数的显著性检验(α=0.05),由于|r|=0.977 7>rα(n-2)=r0.05(3)=0.878,因此在显著水平为0.05条件下,认为包装件垂直方向的峰值加速度对堆码层的一元线性回归模型效果显著,因此该模型可以较准确地预测垂直方向峰值加速度的变化规律(图8)。

图8 峰值加速度与堆码层的建模分析

水平方向峰值加速度与堆码层关系的一元线性回归模型为:

y4=1.149 5x4+3.711 2,

(4)

式中:

x4——堆码层,层;

y4——功率谱密度,m2/(s4·Hz)。

相关系数的显著性检验(α=0.05),由于|r|=0.990 3

结合图7和图8可知,垂直和水平方向最大功率谱密度值和峰值加速度从底层到顶层均呈递增趋势,且垂直方向振动的递增速度更快;同一堆码层垂直方向的功率谱密度和峰值加速度大于水平方向的;垂直和水平方向的最大功率谱密度和峰值加速度与堆码层的关系均表现为极显著正相关,因此所获得的模型可以较准确地预测各层包装件的最大功率谱密度和峰值加速度。由于不同堆码层的振动强度由底层到顶层逐渐增大,因此上层的外部包装纸箱质量和内部缓冲材料性能要求更好;由于同一堆码层的振动强度在垂直方向大于水平方向,因此包装件在垂直方向的外部包装纸箱质量和内部缓冲材料性能要求更好。

3 结论

试验表明,① 通过哈密瓜物流堆码模拟运输振动试验,测定了堆码包装件的共振频率为9～12 Hz;用回归分析法获得最大功率谱密度和峰值加速度与堆码层关系的振动模型,揭示出各层包装件的振动强度由底层到顶层呈递增趋势,同一堆码层在垂直方向的振动强度大于水平方向的。② 实际运输中应避开产生9～12 Hz频率的路段;缓冲包装优化设计时应依据包装件在不同堆码层和不同方向振动强度水平进行分等级防护优化设计,处于上层以及垂直方向的缓冲材料性能要求更好,即越往顶层以及垂直方向的防护等级要求更高。③ 要实现包装更全面的分等级防护优化设计,目前仅分析了不同堆码层垂直和水平方向的振动强度,信息还不够全面,如包装件在车厢板前部、中部和后部位置的振动强度信息以及寻求更优的集装堆码方式需进一步研究。