玫瑰香橙壓縮特性及損傷機理

盧思宇 羅 強 賴于樹 肖啟明

(重慶三峽學院機械工程學院,重慶 404100)

玫瑰香橙果肉呈血紅色,以汁多、香甜、淡玫瑰香味而聞名[1]。其果實內的花色苷對人體有益,深受消費者喜歡,有極大的需求量[2]。玫瑰香橙在運輸和銷售過程中,果實易發生機械損傷,主要包括碰撞、擠壓、摩擦及振動等。在運輸和銷售過程中,機械碰撞是造成果實機械損傷最主要的因素,但果實遭受機械碰撞損傷的程度與果實的品種、大小、形狀、結構等因素有關。果實受到擠壓時會造成機械損傷,同時其內部組織會被擠壓變形或破裂,并在破裂點附近開始腐壞。

目前,關于果實的力學特性方面,已有較多的理論和實踐基礎。通過對白蘿卜、土豆、蘋果進行壓縮試驗得到試樣的破壞力、彈性模量值等數據并對其進行數據分析[3]。蘋果具有兩向異性,在運輸過程中易受到壓縮、振動、蠕變損傷,需研究包裝、采摘工具材料選取有助于減緩損傷[4-8]。潘嘹等[9]基于分數導數的果柱蠕變模型,以蘋果、梨作為研究對象,用較少的參數準確地描述了果品的蠕變現象。詹園鳳等[10-13]對西瓜、河套蜜瓜等瓜類水果的擠壓、跌落、沖擊力學特性及造成機械損傷的因素進行了研究,建立了機械特性與損傷面積的回歸方程,并對受壓產生的損傷進行預測,找出了貯運過程中瓜類作物的最佳擺放位置。姜松等[14-15]研究了柑橘的擠壓、穿刺、跌落等力學特性,發現成熟度會影響柑橘的抗壓力和穿刺力。成熟的柑橘果皮柔軟易裂,且底部抗破壞能力最差,在采摘過程中應避免機械爪與其底部接觸[16]。柑橘在受到超過某臨界閾值的力時,會產生嚴重的機械損傷并發生破裂[17]。如果受到機械損傷,柑橘腐爛率會劇增。寬皮柑橘剝皮宜采用環割劃皮且垂直跌落高度應控制在90 cm內,在無防護措施的情況下擠壓力不宜超過10 N[18-19]。從沃柑的跌落仿真試驗[20]中發現,被沖擊材料的彈性模量越大,沃柑的最大等效應力就越大。Pallottino等[21]用萬能試驗機對塔羅科品種的柑橘果實進行機械壓縮評價,探索了一種選擇和檢測血橙品種的有用工具。邵顯[22]通過正交試驗探索寬皮柑橘的力學特性,并借助有限元軟件對不同擠壓程度的寬皮柑橘進行模擬仿真。目前現有文獻中關于寬皮柑橘、溫州蜜桔、南豐蜜橘等品種相關力學特性的研究較多,但關于玫瑰香橙壓縮特性的研究及損傷機理研究較少。研究擬對玫瑰香橙在包裝、運輸過程中的損傷機理進行探索,旨在尋找有效的減損方案,以降低玫瑰香橙在流通過程中的損失。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

試驗所用的玫瑰香橙樣品產自于重慶市萬州區甘寧鎮人家坡一處生態果園。試驗果均采自同一棵果樹,單果質量130.10～236.31 g,平均單果質量169.746 g。玫瑰香橙的基本尺寸按X、Y、Z方向劃分,X方向直徑a的范圍為62.1～78.6 mm,Y方向直徑b的范圍為58.2～75.8 mm,Z方向直徑c的范圍為55.2～77.9 mm的,赤道部果皮平均厚度為3.1 mm,果蒂及頂部周圍果皮厚度為3.5 mm,球形度為0.94,密度為0.95 g/cm3。玫瑰香橙的三維尺寸見圖1,玫瑰香橙幾何尺寸見表1。

表1 玫瑰香橙幾何尺寸

圖1 玫瑰香橙幾何尺寸和幾何形狀

質構儀:ENS-PRO型,北京盈盛恒泰公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 壓縮試驗 壓縮測試中使用的探頭是適用于 TPA檢測的圓盤探頭,其直徑為75 mm,測試程序選用TPA-500N。TPA試驗參數:測前速度60 mm/min,測試速度60 mm/min,初始力0.07 N,整果的變形百分比分別為20%,30%。分別隨機選取13個外形相似的果實做重復測試,將整果的破裂力、破裂位移、內聚力、彈性、彈性系數作為測定的指標,并記錄果實在壓縮過程中的破損情況。根據式(1)計算出樣本的破損率。

C=(C1/C0)×100%,

(1)

式中:

C——破損率,%;

C0——試驗果實樣本總數;

C1——試驗中破裂的果實數量。

1.2.2 穿刺試驗 參照姜松等[15]的方法。各取5個樣本進行橫、縱兩類穿刺試驗[17],分別在橫向最大截面積處均勻穿刺6個點,如圖2(a)所示;穿刺部位如圖2(b)所示。

圖2 穿刺部位示意圖

2 結果與分析

2.1 壓縮試驗

如圖3所示,樣本A為形變20%的試驗數據,樣本B為形變30%的試驗數據。從曲線中可以看出,在形變20%的壓縮試驗中,力隨位移增加而增大,曲線呈上升趨勢,在101.34 N處出現峰值,該峰值點為形變20%狀態下玫瑰香橙所受的最大力,隨后停止壓縮,力快速下降至0點。在形變30%的壓縮試驗中,曲線可分為兩個階段,第一階段同形變20%的力—位移曲線一致,呈上升趨勢,直至119.85 N處出現第一個峰值,該峰值即玫瑰香橙在形變30%時承受的最大壓力,此壓力超過了果實的承受能力,導致果實開始破裂。第二階段為出現第一個峰值后,力出現下降波動,表明玫瑰香橙暫時失去抵抗變形能力,繼續增加壓力達到目標形變百分比,隨后力快速下降至0點。玫瑰香橙在受到壓縮抗力時會發生一處或多處破裂,破裂點集中在玫瑰香橙赤道部。

圖3 玫瑰香橙壓縮力—位移曲線

對試驗中玫瑰香橙的壓縮抗力進行統計分析,形變20%時,平均破裂力為104.744 N,有38%的試樣出現細小破裂;形變30%時,平均破裂力為148.86 N,超過其承受范圍,所有試樣均出現明顯破裂,具體數據見表2。隨著香橙受到的壓力增加,內聚力減小,彈性增大。說明香橙的內部分子之間的吸引力在逐漸減小,果實內部組織聯系越來越松散,香橙的內部受到了損傷。試驗結果表明,玫瑰香橙受到超過104 N的力后易出現破裂,在運輸過程中,香橙受到的力越大,內部的組織破裂就越多,越容易出現腐壞。

表2 平均破裂力統計表

2.2 穿刺試驗

玫瑰香橙的穿刺試驗力—位移曲線如圖4所示,將探頭接觸玫瑰香橙果實表面,此時探頭對果實的起始壓力為0.07 N,逐漸增加壓力直至刺破果實外表皮,刺破時達到最大峰值5.45 N,且曲線開始呈下降趨勢,此時以試驗產生的最大峰值為果實的穿刺力。

圖4 玫瑰香橙穿刺力—位移曲線

玫瑰香橙在最大橫截面上穿刺力相差不大,最大穿刺力為6.19 N,最小穿刺力為3.66 N,平均穿刺力為4.80 N。表3中顯示,玫瑰香橙在橫向最大截面上穿刺力極差最小為1.34 N,最大為1.72 N。穿刺力之間的差異性較小,說明玫瑰香橙在橫向最大截面處力學差異性不顯著,運輸中可正面向上放置果實。

表3 玫瑰香橙個體偏差分析

圖5是果實縱向上8個點的平均穿刺力分布圖。玫瑰香橙縱向的穿刺力范圍為5.000～6.343 N,其中底部4、5號的穿刺力分別為6.179,6.343 N,明顯高于其他部位,說明玫瑰香橙底部果皮組織較厚,抗破壞能力強。果實中部硬度小、果皮薄,不宜受到過大的撞擊或磕碰。因此,在采摘玫瑰香橙的過程中盡量避免剪下過長的果梗,以免刺入相鄰的果實中;果實頂部及中部較底部更為脆弱,在放置時盡量底部朝下放置,減少損傷。

圖5 玫瑰香橙縱向穿刺力分布

3 玫瑰香橙破損的有限元受力分析

3.1 有限元模型建立

擠壓裝置材料選為硬鋁合金,硬鋁合金具有高強度、剛度和耐磨性,可以承受較大的載荷和沖擊力,同時具有較好的耐腐蝕性能和穩定性。運動過程中,將力加載在上板Z軸方向,下板為固定平臺。假設玫瑰香橙為各向同性的橢球體。網格劃分采用3 mm,且進行網格加密設置。果皮的屬性設置為已獲得的水平壓縮時的彈性模量為10.315 MPa,泊松比為0.416 6。玫瑰香橙果肉的屬性設置為試驗所得的彈性模量為0.625 MPa。果肉的泊松比通過計算為0.42。根據實際加載情況,玫瑰香橙沿X、Y軸方向放置在兩平板之間,其中有一端作為載物臺,設為6個方向均無位移的固定支撐。另一端為壓盤,保持僅X或Y軸方向的位移,其余方向設定無位移[23]。玫瑰香橙受壓示意圖及網格劃分如圖6所示。

圖6 受壓示意圖及網格劃分圖

3.2 有限元結果分析

參考該批次玫瑰香橙的壓縮試驗,壓縮形變20%及30%所用到的力為73.36～198.66 N,在X、Y軸兩種加載方向上依次施加75,100,120,140 N的載荷。X軸加載方向上的有限元分析結果見圖7,Y軸方向上的有限元分析結果見圖8。當載荷為75 N時,沿X、Y軸方向加載的最大位移分別為10.949,11.094 mm,最大等效應力分別為1.147 5,0.981 1 MPa,應變0.241 24,0.227 77 mm/mm。當載荷為100 N時,沿X、Y軸方向加載的最大位移分別為13.101,13.105 mm,最大等效應力分別為1.223 4,1.093 7 MPa,應變0.241 24,0.269 43 mm/mm。當載荷為120 N時,沿X、Y軸方向加載的最大位移分別為14.649,14.524 mm,最大等效應力分別為1.359 5,1.213 9 MPa,應變0.296 94,0.299 60 mm/mm。當載荷為140 N時,沿X、Y軸方向加載的最大位移分別為16.052,15.808 mm,最大等效應力分別為1.471 0,1.289 3 MPa,應變0.324 4,0.328 2 mm/mm。分析可知,玫瑰香橙在受不同方向壓縮載荷作用時,變形和應力應變趨勢相近。當載荷相同時,最大變形和最大等效應力均發生在香橙與壓盤的接觸面區域,隨著載荷逐漸增大,壓盤與果實間的接觸面積也逐漸增大,玫瑰香橙表皮和果肉間逐漸出現破裂崩潰現象。當載荷為75～100 N時,玫瑰香橙在此載荷下有一定變形,內部可能產生了難以察覺的機械損傷。在120,140 N擠壓的狀態下,玫瑰香橙整體都受到非常明顯的外觀變形,對照玫瑰香橙的實際情況,此時玫瑰香橙果皮及果肉均已產生破裂。

圖7 X軸方向有限元分析圖

圖8 Y軸方向有限元分析圖

將有限元計算與試驗得到的玫瑰香橙力—位移曲線進行比較,結果見圖9。對比結果可知,X軸方向的有限元計算的最大平均誤差為11.18%;Y軸方向的有限元計算的最大平均誤差為9.5%。由此可見,結合有限元方法研究玫瑰香橙的力學特性是可行的。

4 結論

(1) 在玫瑰香橙受到形變20%的壓力時,有38%的概率會破裂,形變30%時全部破裂。玫瑰香橙在最大橫截面上穿刺力相差不大,平均穿刺力為4.8 N,無明顯差異性?？v向穿刺力范圍在5.00～6.34 N,玫瑰香橙底部組織較厚,底部的穿刺力為6.26 N,相較于赤道部抗破壞能力強。

(2) 玫瑰香橙果梗部垂直向上放置時所能承受的重量和變形,均高于果梗部水平面放置時。在施加75～100 N的載荷時,玫瑰香橙外觀會明顯變形且內部產生了難以察覺的機械損傷。因此,為保證運送到消費者手中的玫瑰香橙的品相、口感俱佳,在打包裝箱時盡可能使果梗向上放置并在貯運過程中不宜受到超過75 N的力;為防止玫瑰香橙在運送途中破裂,應避免玫瑰香橙受到超過100 N的力。