李 光, 王子蕊, 宋海燕
(天津科技大学 包装与印刷工程学院, 天津 300222)
生鲜电商的发展带动了包装领域又一次突破,形成了生鲜预购这种C2B(Customer-to-Business)的新商业模式。该模式下的运输包装会朝着集合化方向发展,基于机械化和自动化的贮运方式,包装件的跌落以及碰撞现象将逐渐减少,而在运输工况中的振动载荷却不可避免,由其引起的损伤问题也就越发突出[1]。
为验证缓冲材料对果品的缓冲性能以及探索果品在振动过程中的损伤情况,国内外学者开展了广泛的研究。Jarimopas等[2]测量和分析了卡车运输的振动水平和对柑橘的损伤;Berardinelli等[3]通过振动试验和三方向加速度测量,模拟了运输振动对梨的损伤;Van Zeebroeck等[4]分析了振动频率、加速度幅值、苹果尺寸和堆码高度等因素对苹果振动损伤的影响;Soleimani等[5]分析了水果运输中不同悬挂类型、运输速度、路面条件下的振动;Thompson等[6]分析了托盘包装对梨和鳄梨在运输振动中的防护;Shahbazi等[7]以弹性模量为损伤评价标准分析了运输振动对西瓜的损伤。周然等[8-9]分析了不同强度振动对黄花梨的机械损伤;卢立新等[10]提出基于疲劳损伤理论的果品振动损伤模型;张连文等[11-12]对圣女果和樱桃番茄运输包装振动冲击性能进行实验研究;李萍[13]研究了黄花梨模拟运输振动引起的机械损伤;Wu等[14]结合化学计量学的可见和近红外光谱分析了运输振动对番茄的损伤;程旭[15]研究了运输振动加速度传递率及共振频率对蜜瓜品质的影响;曾媛媛等[16]研究了运输振动对哈密瓜贮藏品质的影响;刘林林等[17]研究了振动参数与梨损伤特性和黏弹性的关系。
上述研究大多通过运输测试和试验方法分析水果在运输振动时的损伤情况。对于苹果这种特殊的产品,如何在已有缓冲材料性能和路谱情况下,快速预测和评价其运输振动损伤情况,以便于缓冲包装设计,还鲜见有相关研究。因此,本文提出一种苹果运输包装振动损伤的预测方法,以苹果损伤的临界应力值作为苹果是否发生损伤的判断依据,并通过苹果在缓冲衬垫上的接触面积与所受载荷之间的关系来预测苹果在振动情况下所承受的应力值,判断苹果是否发生损伤。
通过对苹果运输包装进行扫频实验,可得不同衬垫下苹果运输包装的振动传递率曲线(Tr-f曲线),其中Tr为振动传递率,f为振动频率(Hz)。不同的运输环境可用载荷谱(a-f曲线)来代表,其中a为激励加速度(g)。按式(1)可求出加载在苹果上的瞬时载荷F,其中m为苹果质量(kg)。
F=m×a×Tr
(1)
通过Tr-f曲线,可知发生共振时的位置(共振频率fn)以及共振时的最大传递率Trmax。在载荷谱中,通过共振频率fn可确定对应的激励加速度an。按式(2)可求出共振时加载在苹果上的载荷Fn。
Fn=m×an×Trmax
(2)
图曲线示例(ρ=25 kg/m3、T=5 mm) Fig.1 curve example(ρ=25 kg/m3、T=5 mm)
图曲线示例(ρ=25 kg/m3、T=5 mm) Fig.2 curve example(ρ=25 kg/m3、T=5 mm)
苹果属于软质物料,具有明显的粘塑性。因此在对其进行静态压缩试验时,在受压面积一定时,应将苹果的生物屈服极限(FS)以及破坏极限(FB)作为考查重点。图3是压缩过程中苹果典型的力-位移曲线,从图中可以明显的看到两个比较明显的峰值。当压力值到达第一个峰值时称为苹果的生物屈服力FS,在压力小于FS时,苹果不会有明显的伤害,而当力值等于FS时,在显微镜下观察,苹果的组织开始出现微观结构的破坏。当压力继续增加,苹果的组织会发生局部破损,进入塑性阶段,直至到达第二个峰值点,称为破坏极限FB,此时苹果会出现明显的宏观损伤,表现为果皮的破裂和果肉的变形等。因此将生物屈服力FS作为许用载荷的临界点,它与受压面积的比值即为破损临界应力值,如式(3)所示。
σ0=Fs/S0
(3)
式中:σ0为破损临界应力值,N/m2;Fs为苹果的屈服极限,N;S0为测试压头的面积,m2。
图3 苹果压缩位移曲线 Fig.3 Compression displacement curve of apple
苹果均为山东烟台红富士,质量为165±5 g,果径为75±3 mm。苹果购买于天津红旗农贸批发市场,经过筛选保护运至实验室。选取EPE衬垫的三个密度以7 kg/m3为梯度,分别为18 kg/m3、25 kg/cm3、32 kg/m3;厚度分别为3 mm、5 mm、10 mm。
2.2.1 实验设备
电子万能材料试验机(Instron 3369),三综合温湿箱试验系统(ETHV-1000-70-3H),电子天平(ML204),印泥,坐标纸。
对软质物料的压缩速率一般为10~50 mm/min,本试验所选取的压缩速率为25 mm/min。
2.2.2 实验条件
将苹果在温度为15℃、湿度为85%RH的环境中预处理24小时后,从中随机选择3组样品,每组样品的个数为15个。将第一组苹果试样底部涂上红色印泥,放在密度为18 kg/m3,厚度分别为3 mm、5 mm、10 mm的EPE衬垫上,每个厚度下用5个试样进行压缩实验。同理,将第二组,第三组试样分别放在密度为25 kg/m3、32 kg/m3的EPE衬垫上进行压缩试验。
规定苹果刚放到衬垫上未受任何载荷时,衬垫的变形量为0,以此作为参照,记录材料相对变形量。将衬垫上的印痕转移到坐标纸上,计算出相应的接触面积,实验过程如图4所示,即可得到不同密度、厚度下EPE衬垫材料相对变形量和与之对应的苹果与EPE衬垫接触面积之间的关系。
(a)压缩试验 (b)EPE衬垫印痕
(c)转移到坐标纸上的印痕图4 理论面积获取过程 Fig.4 The acquisition process of theoretical area
规定将苹果刚刚放在衬垫上对衬垫所施加的载荷为苹果自身的重量,即材料相对变形量X为零时,苹果对衬垫的载荷值F为苹果自身重量mg。在苹果被向下压的过程中,一定位移下所对应的载荷值为苹果自身的重量mg与施加在苹果上的力F压之和,如图5所示。这样即可得到不同规格EPE衬垫在不同相对变形量下所对应的载荷值。
(a)苹果放在EPE衬垫上
(b)苹果承受一定载荷图5 苹果压缩过程 Fig.5 The compression process of apple
苹果试样与衬垫的接触面积通过坐标纸上的格子数来计算,人工计数的方法效率低下且误差较大,本试验使用机器视觉软件Halcon进行识别,以提高识别的精度和准确度。
首先,使用校正后的扫描仪,设定扫描参数后对坐标纸进行扫描,得到相应的图片;然后,将图片导入Halcon软件中进行识别;最后,对识别得到的像素数和已知尺寸区域的像素数建立关系,获得识别区域的实际面积大小。
图片导入Halcon软件后,结合不同的图形特点,对封闭图形的边界进行识别、连通和填充,圆环图形还要对填充后图形做减法,即用大圆的面积减掉小圆的面积,即可得到图形的像素数,如图6所示。
(a)边界识别 (b)填充
(c)像素读取图6 图像识别过程 Fig.6 Image recognition process
表曲线线性拟合公式Tab.1 Linear fitting equations of curves
表曲线多项式拟合公式Tab.2 Polynomial fitting equations of curves
现举例说明苹果运输包装振动损伤的预测方法。已知四个装苹果运输包装,其中苹果的质量均为165±5 g、果径为75±5 mm。选取密度为18 kg/m3、厚度为3 mm的EPE作为缓冲衬垫,在公路运输严酷水平为一级的条件下,预测苹果是否发生损伤。已知苹果的临界损伤应力值σ0为9.1×104Pa。
图7为四个装苹果在EPE衬垫密度为18 kg/m3、厚度为3 mm时的传递率曲线,此时苹果运输包装的共振频率fn=36.40 Hz,振动传递率Trmax=3.11。图8为公路运输严酷水平为一级的条件下的载荷谱,当fn=36.40 Hz时,加速度an=0.647 g。
图7 ρ=18 kg/m3 T=3 mm Tr-f曲线 Fig.7 ρ=18 kg/m3 T=3 mm Tr-f Curve
图8 公路运输严酷水平为一级的载荷谱 Fig.8 The load spectrum of Level 1
可见本例中σ远小于σ0,所以当EPE缓冲衬垫密度为18 kg/m3、厚度为3 mm时,四个装苹果(质量均为165±5 g、果径为75±5 mm)在公路运输严酷水平为一级时,不会发生一次共振损伤。
在研究苹果运输振动损伤时,以苹果的临界应力值作为判断苹果组织是否发生破损的评价标准,从而提出一种苹果运输包装振动损伤的预测方法,通过苹果在缓冲衬垫上的接触面积与所受载荷之间的关系预测苹果在振动情况下所承受的应力值,并判断是否达到苹果组织损伤的临界应力值。
选用密度分别为18 kg/m3、25 kg/m3、32 kg/m3,厚度分别为3 mm、5 mm、10 mm的EPE衬垫,通过压缩试验得到了苹果在不同EPE衬垫下的接触面积—相对变形量曲线和载荷—相对变形量曲线的拟合方程。
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