苹果表面摩擦系数的试验研究

杨 磊，宋 欣，李艳聪，单慧勇 (天津农学院工程技术学院，天津300384)

在果实采摘、运输、加工和储存的过程中，果实会与其他不同材质的表面接触，或者果实之间产生摩擦。这种摩擦作用会导致果实的机械损伤，从而也降低了机械采摘的效果和果实自身的品质，而摩擦系数是其中的重要决定因素。另外，果实的品种、成熟度、表面承压情况及保鲜温度等因素还会对果实表面的摩擦系数产生影响［1－2］。

所以，果实表面静、动摩擦系数的测定对于果实的机械采摘、储运设备的设计以及果实储运方式的选择都具有重要的意义。

1 摩擦系数测定仪的结构及工作原理

1.1 基本结构 摩擦系数测定仪的基本结构如图1所示。该摩擦系数测定仪包括底座、线性滑块导轨、主平移台、从平移台、推拉力计、驱动推拉力计的驱动装置以及果实夹紧组件。试验台底座上表面横向平行对称固装线性滑块导轨，该线性滑块导轨上横向滑动安装由驱动装置驱动的主平移台。推拉力计固装在主平移台上，带动滑动安装在线性滑块导轨上的从平移台运动。

其中，驱动装置包括滚珠螺杆和步进电机。滚珠螺杆横向安装在主平移台下部，通过安装在基板端部的步进电机驱动。

果实夹紧组件包括支撑架、夹紧板以及螺柱。支撑架竖直对称安装在基板外侧的底座上，两个支撑架上部竖直对称制有U型槽，该U型槽内竖直相对滑动安装一对螺柱，两个螺柱的相对端部分别固装用于夹紧被测物体的夹紧板，夹紧板将被测物体夹紧后通过螺母锁紧。

1.2 工作原理 通过步进电机驱动主平移台运动，使其带动数字式推拉力计沿线性滑块导轨进行匀速直线运动，从而对从平移台施加一个拉力，随着匀速直线运动的进行，该拉力逐渐增大。当数字式推拉力计拉动从平移台的瞬间(即果实与摩擦试片即将发生相对滑动时)，记录下此时的拉力值F1［3－5］。根据摩擦力计算公式:

可以得到:

此时的摩擦系数μ为静摩擦系数，此时的拉力值F1为最大静摩擦力。随着数字式推拉力计继续对摩擦试片施加拉力，使得果实与摩擦试片间产生相对滑动，平稳运动一段行程后，读取拉力值F2，该拉力值应略低于最大静摩擦力。同样根据摩擦力计算公式，可以得到:

此时的摩擦系数μ为动摩擦系数。整个运动过程中，拉力随时间变化的曲线可以通过数字式推拉力传输至计算机中进行实时显示，其中拉力的峰值即为最大静摩擦力，用于计算静摩擦系数。随后拉力略有降低，且趋于恒定，该拉力值为动摩擦力，用于计算动摩擦系数。间的静摩擦系数为0.143 3，动摩擦系数为0.136 6;苹果和牛皮纸之间的静摩擦系数为0.874 7，动摩擦系数为0.449 6。对比可以发现，不同材料与苹果之间的摩擦系数不同，总体来说，材料表面粗糙度越大，相应与苹果之间的摩擦系数也就越大。

2 试验分析

在此次试验中，选用新鲜红富士苹果作为试验对象，表面无机械损伤和病虫害，平均质量为256 g，外形圆度较好。将选取好的苹果进行分组编号，在控制面板内设定数字推拉力计的水平移动速度为1.5 mm/s。首先测量在不加载苹果时水平测力计移动所需要的拉力，然后将苹果和提前制作好的材料板放置在测试台上，分别测量苹果和有机玻璃板、苹果和牛皮纸之间发生相对位移时需要的拉力。最后通过试验所得数据取平均值，利用公式，求得苹果和有机玻璃、苹果和牛皮纸之间的静/动摩擦系数。

从图2和图3中可以看出，当拉力达到峰值，即为试验所需最大静摩擦力，随后拉力略有降低，且趋于恒定，该拉力值为动摩擦力。

通过表1、2数据，利用公式可以得出苹果与有机玻璃之

表1 苹果与有机玻璃之间摩擦测量值

表2 苹果与牛皮纸之间摩擦测量值

3 结论

苹果的摩擦特性对于果实的收获、贮藏和加工机械的设计具有非常重要的指导意义，通过试验研究，由试验数据分析得出下述结论:苹果与其他物质之间的摩擦系数是由接触表面的特性决定的，接触表面越粗糙，其摩擦系数就越大。试验所用摩擦试验台结构简单、设计科学合理，可以准确地测量出不同负载或者不同拉动速度下，果实表面与不同摩擦试片间的动、静摩擦系数。

通过试验得到苹果的相关摩擦系数，结果可为机械采摘、储运设备的设计以及果实储运方式的选择中摩擦力的计算提供依据。

［1］邓云，吴颖，李云飞.果蔬在贮运过程中的生物力学特性及质地检测［J］.农业工程学报，2005，21(4):1 －6.

［2］单明彻，徐朗.苹果的机械特性和机械损伤［J］.农业机械学报，1988，19(2):72 －79.

［3］ZHAO J Y，WANG S X.Mechanics［M］.Beijing:Higher Education Press，1984.

［4］ALTUNTAS E，CANGI R，KAYA C.Physical and chemical properties of persimmon fruit［J］.Int Agrophys，2011，25:89 －92.

［5］房欣，陈海涛，黄振华.不同含水率大豆秸秆与不同材料间滑动摩擦特性研究［J］.大豆科学，2012，31(5):21 －25.