玫瑰香橙压缩特性及损伤机理

卢思宇 罗 强 赖于树 肖启明

(重庆三峡学院机械工程学院,重庆 404100)

玫瑰香橙果肉呈血红色,以汁多、香甜、淡玫瑰香味而闻名[1]。其果实内的花色苷对人体有益,深受消费者喜欢,有极大的需求量[2]。玫瑰香橙在运输和销售过程中,果实易发生机械损伤,主要包括碰撞、挤压、摩擦及振动等。在运输和销售过程中,机械碰撞是造成果实机械损伤最主要的因素,但果实遭受机械碰撞损伤的程度与果实的品种、大小、形状、结构等因素有关。果实受到挤压时会造成机械损伤,同时其内部组织会被挤压变形或破裂,并在破裂点附近开始腐坏。

目前,关于果实的力学特性方面,已有较多的理论和实践基础。通过对白萝卜、土豆、苹果进行压缩试验得到试样的破坏力、弹性模量值等数据并对其进行数据分析[3]。苹果具有两向异性,在运输过程中易受到压缩、振动、蠕变损伤,需研究包装、采摘工具材料选取有助于减缓损伤[4-8]。潘嘹等[9]基于分数导数的果柱蠕变模型,以苹果、梨作为研究对象,用较少的参数准确地描述了果品的蠕变现象。詹园凤等[10-13]对西瓜、河套蜜瓜等瓜类水果的挤压、跌落、冲击力学特性及造成机械损伤的因素进行了研究,建立了机械特性与损伤面积的回归方程,并对受压产生的损伤进行预测,找出了贮运过程中瓜类作物的最佳摆放位置。姜松等[14-15]研究了柑橘的挤压、穿刺、跌落等力学特性,发现成熟度会影响柑橘的抗压力和穿刺力。成熟的柑橘果皮柔软易裂,且底部抗破坏能力最差,在采摘过程中应避免机械爪与其底部接触[16]。柑橘在受到超过某临界阈值的力时,会产生严重的机械损伤并发生破裂[17]。如果受到机械损伤,柑橘腐烂率会剧增。宽皮柑橘剥皮宜采用环割划皮且垂直跌落高度应控制在90 cm内,在无防护措施的情况下挤压力不宜超过10 N[18-19]。从沃柑的跌落仿真试验[20]中发现,被冲击材料的弹性模量越大,沃柑的最大等效应力就越大。Pallottino等[21]用万能试验机对塔罗科品种的柑橘果实进行机械压缩评价,探索了一种选择和检测血橙品种的有用工具。邵显[22]通过正交试验探索宽皮柑橘的力学特性,并借助有限元软件对不同挤压程度的宽皮柑橘进行模拟仿真。目前现有文献中关于宽皮柑橘、温州蜜桔、南丰蜜橘等品种相关力学特性的研究较多,但关于玫瑰香橙压缩特性的研究及损伤机理研究较少。研究拟对玫瑰香橙在包装、运输过程中的损伤机理进行探索,旨在寻找有效的减损方案,以降低玫瑰香橙在流通过程中的损失。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

试验所用的玫瑰香橙样品产自于重庆市万州区甘宁镇人家坡一处生态果园。试验果均采自同一棵果树,单果质量130.10～236.31 g,平均单果质量169.746 g。玫瑰香橙的基本尺寸按X、Y、Z方向划分,X方向直径a的范围为62.1～78.6 mm,Y方向直径b的范围为58.2～75.8 mm,Z方向直径c的范围为55.2～77.9 mm的,赤道部果皮平均厚度为3.1 mm,果蒂及顶部周围果皮厚度为3.5 mm,球形度为0.94,密度为0.95 g/cm3。玫瑰香橙的三维尺寸见图1,玫瑰香橙几何尺寸见表1。

表1 玫瑰香橙几何尺寸

图1 玫瑰香橙几何尺寸和几何形状

质构仪:ENS-PRO型,北京盈盛恒泰公司。

1.2 试验方法

1.2.1 压缩试验 压缩测试中使用的探头是适用于 TPA检测的圆盘探头,其直径为75 mm,测试程序选用TPA-500N。TPA试验参数:测前速度60 mm/min,测试速度60 mm/min,初始力0.07 N,整果的变形百分比分别为20%,30%。分别随机选取13个外形相似的果实做重复测试,将整果的破裂力、破裂位移、内聚力、弹性、弹性系数作为测定的指标,并记录果实在压缩过程中的破损情况。根据式(1)计算出样本的破损率。

C=(C1/C0)×100%,

(1)

式中:

C——破损率,%;

C0——试验果实样本总数;

C1——试验中破裂的果实数量。

1.2.2 穿刺试验 参照姜松等[15]的方法。各取5个样本进行横、纵两类穿刺试验[17],分别在横向最大截面积处均匀穿刺6个点,如图2(a)所示;穿刺部位如图2(b)所示。

图2 穿刺部位示意图

2 结果与分析

2.1 压缩试验

如图3所示,样本A为形变20%的试验数据,样本B为形变30%的试验数据。从曲线中可以看出,在形变20%的压缩试验中,力随位移增加而增大,曲线呈上升趋势,在101.34 N处出现峰值,该峰值点为形变20%状态下玫瑰香橙所受的最大力,随后停止压缩,力快速下降至0点。在形变30%的压缩试验中,曲线可分为两个阶段,第一阶段同形变20%的力—位移曲线一致,呈上升趋势,直至119.85 N处出现第一个峰值,该峰值即玫瑰香橙在形变30%时承受的最大压力,此压力超过了果实的承受能力,导致果实开始破裂。第二阶段为出现第一个峰值后,力出现下降波动,表明玫瑰香橙暂时失去抵抗变形能力,继续增加压力达到目标形变百分比,随后力快速下降至0点。玫瑰香橙在受到压缩抗力时会发生一处或多处破裂,破裂点集中在玫瑰香橙赤道部。

图3 玫瑰香橙压缩力—位移曲线

对试验中玫瑰香橙的压缩抗力进行统计分析,形变20%时,平均破裂力为104.744 N,有38%的试样出现细小破裂;形变30%时,平均破裂力为148.86 N,超过其承受范围,所有试样均出现明显破裂,具体数据见表2。随着香橙受到的压力增加,内聚力减小,弹性增大。说明香橙的内部分子之间的吸引力在逐渐减小,果实内部组织联系越来越松散,香橙的内部受到了损伤。试验结果表明,玫瑰香橙受到超过104 N的力后易出现破裂,在运输过程中,香橙受到的力越大,内部的组织破裂就越多,越容易出现腐坏。

表2 平均破裂力统计表

2.2 穿刺试验

玫瑰香橙的穿刺试验力—位移曲线如图4所示,将探头接触玫瑰香橙果实表面,此时探头对果实的起始压力为0.07 N,逐渐增加压力直至刺破果实外表皮,刺破时达到最大峰值5.45 N,且曲线开始呈下降趋势,此时以试验产生的最大峰值为果实的穿刺力。

图4 玫瑰香橙穿刺力—位移曲线

玫瑰香橙在最大横截面上穿刺力相差不大,最大穿刺力为6.19 N,最小穿刺力为3.66 N,平均穿刺力为4.80 N。表3中显示,玫瑰香橙在横向最大截面上穿刺力极差最小为1.34 N,最大为1.72 N。穿刺力之间的差异性较小,说明玫瑰香橙在横向最大截面处力学差异性不显著,运输中可正面向上放置果实。

表3 玫瑰香橙个体偏差分析

图5是果实纵向上8个点的平均穿刺力分布图。玫瑰香橙纵向的穿刺力范围为5.000～6.343 N,其中底部4、5号的穿刺力分别为6.179,6.343 N,明显高于其他部位,说明玫瑰香橙底部果皮组织较厚,抗破坏能力强。果实中部硬度小、果皮薄,不宜受到过大的撞击或磕碰。因此,在采摘玫瑰香橙的过程中尽量避免剪下过长的果梗,以免刺入相邻的果实中;果实顶部及中部较底部更为脆弱,在放置时尽量底部朝下放置,减少损伤。

图5 玫瑰香橙纵向穿刺力分布

3 玫瑰香橙破损的有限元受力分析

3.1 有限元模型建立

挤压装置材料选为硬铝合金,硬铝合金具有高强度、刚度和耐磨性,可以承受较大的载荷和冲击力,同时具有较好的耐腐蚀性能和稳定性。运动过程中,将力加载在上板Z轴方向,下板为固定平台。假设玫瑰香橙为各向同性的椭球体。网格划分采用3 mm,且进行网格加密设置。果皮的属性设置为已获得的水平压缩时的弹性模量为10.315 MPa,泊松比为0.416 6。玫瑰香橙果肉的属性设置为试验所得的弹性模量为0.625 MPa。果肉的泊松比通过计算为0.42。根据实际加载情况,玫瑰香橙沿X、Y轴方向放置在两平板之间,其中有一端作为载物台,设为6个方向均无位移的固定支撑。另一端为压盘,保持仅X或Y轴方向的位移,其余方向设定无位移[23]。玫瑰香橙受压示意图及网格划分如图6所示。

图6 受压示意图及网格划分图

3.2 有限元结果分析

参考该批次玫瑰香橙的压缩试验,压缩形变20%及30%所用到的力为73.36～198.66 N,在X、Y轴两种加载方向上依次施加75,100,120,140 N的载荷。X轴加载方向上的有限元分析结果见图7,Y轴方向上的有限元分析结果见图8。当载荷为75 N时,沿X、Y轴方向加载的最大位移分别为10.949,11.094 mm,最大等效应力分别为1.147 5,0.981 1 MPa,应变0.241 24,0.227 77 mm/mm。当载荷为100 N时,沿X、Y轴方向加载的最大位移分别为13.101,13.105 mm,最大等效应力分别为1.223 4,1.093 7 MPa,应变0.241 24,0.269 43 mm/mm。当载荷为120 N时,沿X、Y轴方向加载的最大位移分别为14.649,14.524 mm,最大等效应力分别为1.359 5,1.213 9 MPa,应变0.296 94,0.299 60 mm/mm。当载荷为140 N时,沿X、Y轴方向加载的最大位移分别为16.052,15.808 mm,最大等效应力分别为1.471 0,1.289 3 MPa,应变0.324 4,0.328 2 mm/mm。分析可知,玫瑰香橙在受不同方向压缩载荷作用时,变形和应力应变趋势相近。当载荷相同时,最大变形和最大等效应力均发生在香橙与压盘的接触面区域,随着载荷逐渐增大,压盘与果实间的接触面积也逐渐增大,玫瑰香橙表皮和果肉间逐渐出现破裂崩溃现象。当载荷为75～100 N时,玫瑰香橙在此载荷下有一定变形,内部可能产生了难以察觉的机械损伤。在120,140 N挤压的状态下,玫瑰香橙整体都受到非常明显的外观变形,对照玫瑰香橙的实际情况,此时玫瑰香橙果皮及果肉均已产生破裂。

图7 X轴方向有限元分析图

图8 Y轴方向有限元分析图

将有限元计算与试验得到的玫瑰香橙力—位移曲线进行比较,结果见图9。对比结果可知,X轴方向的有限元计算的最大平均误差为11.18%;Y轴方向的有限元计算的最大平均误差为9.5%。由此可见,结合有限元方法研究玫瑰香橙的力学特性是可行的。

4 结论

(1) 在玫瑰香橙受到形变20%的压力时,有38%的概率会破裂,形变30%时全部破裂。玫瑰香橙在最大横截面上穿刺力相差不大,平均穿刺力为4.8 N,无明显差异性。纵向穿刺力范围在5.00～6.34 N,玫瑰香橙底部组织较厚,底部的穿刺力为6.26 N,相较于赤道部抗破坏能力强。

(2) 玫瑰香橙果梗部垂直向上放置时所能承受的重量和变形,均高于果梗部水平面放置时。在施加75～100 N的载荷时,玫瑰香橙外观会明显变形且内部产生了难以察觉的机械损伤。因此,为保证运送到消费者手中的玫瑰香橙的品相、口感俱佳,在打包装箱时尽可能使果梗向上放置并在贮运过程中不宜受到超过75 N的力;为防止玫瑰香橙在运送途中破裂,应避免玫瑰香橙受到超过100 N的力。