振动冲击复合载荷对库尔勒香梨损伤影响研究

张权威，刘 扬，于世辉，蒋 鑫，张 瑞，张 宏※

（1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300;2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室）

0 引言

库尔勒香梨品质优良，汁多味美，深受广大消费者青睐[1]。但因其皮薄肉脆等自身属性，在采后加工易受到机械损伤。香梨在实际生产中受到的损伤是多种载荷共同作用的结果，其中以冲击损伤和振动损伤为主[2-3]。香梨损伤部位容易滋生细菌，造成香梨内部组织的腐败使香梨品质下降，每年因损伤造成的经济损失达6 000万元以上，严重制约香梨产业发展[4]。因此减少振动冲击复合载荷对香梨的损伤，降低腐烂率，可为香梨采后加工过程提供理论指导，对提高经济效益具有重要意义。

关于载荷作用对水果损伤影响方面，国内外学者多以单一载荷形式研究为主。在冲击损伤方面的研究中。Springael证明了冲击是苹果机械损伤的主要原因[5]。Schoorl在冲击损伤试验中发现冲击能量越多损伤越大[6]。Schulte指出纸质托盘能减缓冲击对苹果的影响[7]。振动损伤方面，李晓娟对鸭梨进行了模拟振动试验，结果表明当频率一定时，鸭梨的损伤程度会随着振动加速度的增大而增大，当加速度一定时，鸭梨的损伤程度会随着振动频率减小而增大[8]。Jarimopas对柑橘在不同的运输条件下受到的振动损伤展开研究，研究表明沥青路面振动损伤最小[9]。但是在实际贮运过程中，香梨遭受的损伤是多种载荷共同作用的结果，仍需针对实际工况展开研究。卢立新模拟了实际公路运输工况下香梨的损伤情况，表明包装方式对果实的损伤保护不同，其中用瓦楞纸板以及网罩组合包装方式减损效果最好[10]。谢丹丹模拟了实际运输工况，表明了振动强度越大对猕猴桃生理品质影响就越大[11]。上述研究学者针对实际工况进行模拟研究，并未阐释复合载荷损伤机理。因此需要从实际角度出发，明晰复合载荷损伤机理，能为香梨在实际采后加工过程受到多种复合载荷提供科学理论依据。然而，关于库尔勒香梨振动冲击复合载荷损伤相关研究鲜有报道。

本文对不同成熟度下库尔勒香梨进行单一载荷下的冲击损伤试验和振动损伤试验，探究其损伤变化规律，并以上述试验为基础，研究振动冲击复合载荷对香梨损伤面积的影响规律，建立复合载荷与损伤面积间的数学模型，可为香梨在实际生产过程中减损提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

库尔勒香梨样品在2019年9月1日采摘自位置于阿拉尔市10团10连的优质香梨园，每隔4天采摘一次，试验样品选取大小相似、形状均匀、果重相当、无病虫害、去青皮的香梨。每次采摘的香梨记为一个成熟度，共采摘8次，分别记为H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8。

1.2 试验方法

1.2.1 损伤面积的测定

将损伤的库尔勒香梨放置在室内24 h以上使其充分褐变，去除损伤表皮，褐变后香梨表面损伤可轻易用肉眼识别，因此测量香梨损伤面积采用吴杰等人[12]的损伤面积法，测量损伤区域的长半轴a与短半轴b。

式中：S—损伤面积，mm2；a—损伤区域长半轴，mm；b—损伤区域短半轴，mm。

1.2.2 冲击损伤试验

参考卢立新建立的瓦楞纸板模型[13]，采用自制冲击损伤试验台，在试验台上铺上齿形为UV型、楞型为A型的瓦楞纸板三层。选用不同的跌落高度，试验表明冲击30 cm会出现损伤，150 cm会出现表皮破裂，所以设定试验的冲击高度为30~150 cm，每隔20 c m为一组，每组试验重复十次，24 h后测量损伤面积，取平均值。

自行设计试验台如图1。工作时将水果放到吸盘正下方，打开空气阀门开关，水果吸附在吸盘上。将吸盘上升到一定高度，记录冲击高度，关闭空气阀门，水果下落至平台上，单次试验完成。

图1 冲击损伤试验台

1.2.3 振动损伤试验

采用胡洋和孙俪等人[14-15]的方法，将库尔勒香梨放在振动损伤试验台上进行振动，根据ISTA/ASTM标准[16]和文献[17]，转速选取180 r/min，对应的振动频率为3Hz。振动时间为1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，每组试验取十次重复，24 h后测量损伤面积，取平均值（图2）。试验台参数如下：

图2 振动损伤试验台

工作台面尺寸（mm×mm）1 000×1200

模拟车速（km/h）25~40

振动方式 回转Gyration

振幅范围（mm）25.4

频率范围（rpm）100~300

最大负载（kg）100

1.2.4 振动冲击复载损伤试验

将库尔勒香梨放置于振动损伤试验台上，振动一定时间后观察香梨损伤部位，将香梨放置于冲击损伤试验台上使损伤部位正对瓦楞纸板，做到先振动再冲击，振动损伤试验台的转速取180 r/min。为了不使香梨因振动时间过长及冲击高度过高而出现大范围损伤，振动时间设定为0.5 h、1 h、2 h、3 h，冲击高度设定为30 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm，每组试验重复十次并取平均值。

2 结果与分析

2.1 冲击载荷对香梨损伤的影响

不同成熟度下的香梨损伤面积随冲击高度的变化规律如图3，香梨损伤面积整体是随着冲击高度的增大而增大的，其中香梨成熟度初期关系接近，即H1与H2接近，成熟度末期曲线接近，即H7与H8接近，说明受载荷作用损伤面积关系接近，损伤面积变化小，成熟度对香梨损伤影响不明显。成熟度中期，即H3~H6时，受载荷作用损伤面积关系远离，损伤面积变化大，说明成熟度的香梨受载荷作用明显。

图3 不同成熟期香梨冲击高度与损伤面积间的关系

2.2 振动载荷对香梨损伤影响

振动时间对不同成熟度香梨损伤面积影响规律如图4，振动损伤面积整体是随着振动时间的增大而增大的，其中香梨成熟度初期关系接近，即H1、H2接近，成熟度末期曲线接近，即H7、H8、H9接近，说明受载荷作用损伤面积关系接近，损伤面积变化小，成熟度对香梨损伤影响不明显。成熟度中期，即H3、H4、H5时，受载荷作用损伤面积关系远离，损伤面积变化大，说明成熟度的香梨受载荷作用明显。

图4 不同成熟度香梨损伤面积随时间变化规律

2.3 振动冲击复合载荷对香梨损伤影响

振动冲击复合载荷大小与损伤面积的关系如图5，不同的振动时间，损伤面积均随着冲击高度的增加而增加。当冲击高度一定时，损伤面积随着振动时间的增长而增加。不同成熟度香梨硬度不同，受振动冲击复合载荷的损伤面积有差别，成熟度为H1与H2的复合载荷大小与损伤面积变化曲线近似，成熟度为H3、H4、H5的振动复合载荷大小与损伤面积变化曲线差异较大，成熟度为H6、H7、H8的复合载荷大小与损伤面积变化曲线近似。先振动0.5 h后再冲击的损伤面积随冲击高度变化曲线（图5a）与图3一致，说明振动0.5 h对香梨没有造成振动损伤，因此冲击与振动不产生交互作用。先振动1 h、2 h、3 h后再进行冲击的损伤面积随冲击高度变化曲线（图5）与图3不一致，损伤面积明显大于冲击载荷损伤面积，说明振动时间大于1 h对香梨产生振动损伤，因此再进行冲击会产生交互作用。

图5 振动冲击复合载荷与损伤面积的关系

观察图5中的曲线可以看出损伤面积与复合载荷成二次函数关系，对不同复合载荷下的损伤面积数据进行一元二次多项式的回归分析，得到数学模型为：

式中Y—复载损伤面积，mm2；X—跌落高度，cm；a、b、c—为常数。

振动冲击复合载荷数学模型如表1~表4。在振动0.5 h后冲击高度与损伤面积的数学模型中，香梨成熟度为H3和H5的数学模型R2为0.9998，拟合效果较优。在振动1h后冲击高度与损伤面积数学模型中，香梨成熟度H3和H4的数学模型R2为0.9999，拟合效果较优。在振动2 h后冲击高度与损伤面积数学模型中，香梨成熟度H3和H4的数学模型R2分别为0.9943与0.9933，拟合效果较优。在振动3 h后冲击高度与损伤面积数学模型中，香梨成熟度H4的数学模型R2为0.9928，拟合效果较优。各振动冲击复合载荷数学模型R2均接近于1，拟合程度较好。

表1 振动0.5h后冲击高度与损伤面积的数学模型

表4 振动3h后冲击高度与损伤面积的数学模型

该模型可表征不同成熟度香梨损伤面积与复合载荷间的关系，根据损伤面积，分析香梨受复合载荷大小，选取不同成熟度香梨合理的包装方式、包装材料、运输方式，最终减少香梨在采后加工过程中的损伤。

表2 振动1h后冲击高度与损伤面积的数学模型

表3 振动2h后冲击高度与损伤面积的数学模型

3 讨论

本研究发现香梨在成熟初期与末期时，振动、冲击载荷作用对香梨损伤面积关系相近，而在成熟中期，振动、冲击载荷作用对香梨损伤面积关系远离。主要是因为香梨细胞壁会随着果实的成熟发育而下降，果实硬度下降，整体硬度呈现“稳定—快速变化—稳定”的变化规律[18-20]，所以在香梨成熟初期与末期，同一载荷不同成熟度损伤面积变化不明显，而在香梨成熟中期时，同一载荷不同成熟度损伤面积变化较为明显。因此，在成熟初期与末期采摘香梨时，香梨受载荷影响波动较小，在成熟中期，香梨受载荷作用波动较大，故此阶段应尽快采摘，减少香梨因损伤带来的经济损失。

香梨损伤的外部原因主要来自载荷作用，冲击和振动是香梨实际生产中最主要的载荷形式，在实际生产过程中香梨受到的损伤是多种载荷共同作用的结果，本研究试验以上述试验为基础，贴合实际生产过程研究振动冲击复合载荷作用下香梨的损伤规律。

研究发现，香梨振动时间大于1 h后再进行冲击的损伤变化规律，与单一冲击损伤变化规律（图4）不一致，认为产生交互作用，据周然、李萍研究表明，黄花梨的硬度随振动时间增加而减小[21-22]，随着香梨振动1 h损伤部位硬度下降，损伤部位仍然具有一定抗载作用来消耗一些冲击能量，剩余的冲击能量会对振动损伤部位造成二次损伤，因此复载损伤面积小于单一载荷冲击损伤面积与振动损伤面积的和，既表现为复合载荷损伤规律与冲击载荷损伤规律不一致。复合载荷产生的交互作用对香梨影响较为复杂，其规律有待更深入的研究。

4 结论

（1）香梨损伤面积随着冲击高度与振动时间的增长而增大。在香梨成熟初期与末期，同一载荷不同成熟度损伤面积变化不明显，成熟中期，同一载荷不同成熟度损伤面积变化明显。在成熟初期与末期采摘，受载荷影响波动较小，在成熟中期采摘，受载荷影响波动较大，需尽快采摘，减少香梨损伤。

（2）振动0.5 h再冲击的复载作用下，不产生交互作用。在振动1 h后冲击的复载作用下产生交互作用。建立不同成熟度香梨不同振动时间下冲击高度与复载损伤面积间的数学模型复合二次函数。该模型可表征不同成熟度香梨损伤面积与复合载荷间的关系，可为香梨采后加工过程减损提供理论指导。