摘 要： 应用万能试验机对蓝莓进行压缩试验，测得试验力与时间曲线。 运用赫芝理论下的物料弹性压缩方 程，计算出蓝莓果实横向与纵向压缩的压缩弹性模量分别为 ０．２１ＭＰａ 和 ０．１８ＭＰａ，即较小的力就可以使蓝莓产 生变形。 以蓝莓直径、加载速度、距平台高度为因素，蓝莓的破裂力为试验指标，设计了三因素三水平正交试验， 得出蓝莓直径的大小对破坏力有一定的影响，并得出了机械损伤下的蓝莓力学方程。 结果表明：蓝莓直径越大， 蓝莓损伤需要的破坏力越大；加载速度越快，蓝莓越容易损伤；蓝莓距平台高度对蓝莓损伤没有影响。 该研究可 为蓝莓采摘及收获机械的研制提供参考。
关键词： 蓝莓； 机械损伤； 压缩试验； 弹性模量
0 引言
蓝莓（Ｂｌｕｅｂｅｒｒｙ） 又名笃斯，属杜鹃花科，越橘属 植物，果实呈扁圆形且皮薄，且含有丰富的营养物质。 我国的蓝莓产量由 ２００５ 年的 １８１ｔ 增长到 ２０１５ 年的 ４３ １８４ｔ 。 目前，蓝莓果实的采摘方式主要依靠人工 采摘，效率低，影响蓝莓的品质及经济效益。 蓝莓果 实在采摘、加工、运输和储藏等过程中容易受到外力 的作用，从而使果实产生机械损伤。 果实的机械损伤 一般是由压缩载荷引起的。 力学特性的相关研究被 广泛应用在果蔬机械损伤试验中，包括葡萄 、荔 枝 、杨梅 果 、 苹果 、 辣椒 、 木 薯、 银 杏、番茄和鲜枣等。
压缩强度通常是判断蔬菜和水果的品质的重要 指标之一，蔬菜、水果的内部应力测量也十分困难，因 此在自然状态下对蓝莓压缩载荷作用下的分析很有 价值，其结果也可以为工程分析和计算提供有意义的 依据 。 目前对蓝莓果实压缩特性研究的文章较少， 本文通过对蓝莓整果进行压缩载荷下的力学特性试 验，探讨采摘外力对蓝莓宏观组织的影响，并设计机 械损伤下蓝莓果实力学特性试验方案，得出机械损伤 下蓝莓果实的力学特性方程，探讨机械采摘蓝莓果实的损伤规律，为蓝莓果实的采摘与收获机械设计提供 参考。
1 蓝莓整果的压缩试验
试验蓝莓随机选取颜色均匀、无病虫害、表皮无 损伤的 ５０ 个蓝莓样品，由 ＭＥＴＴＬＥＲ ＴＯＬＥＤＯ 电子称 （精度 ０．００１ｇ）测得单果质量为 ０．６５１～１．９２０ｇ，直径由 电子游标卡尺（精度 ０．０２ｍｍ）每个方向测 ３ 次取平均 值减小随机误差，横向直径 １０．６５～１５．４５ｍｍ，纵向（蒂 部到顶部）直径 ５．６３ ～１１．５６ｍｍ。 在样本中选择差异 较大的个体，使用 ＷＤＷ－２００Ｅ 型微机控制电子式万 能试验机，试验速度范围为 ０．０１～３００ｍｍ／ｍｉｎ，无级调 速，精度±０．５％，分辨率 １／２００ ０００。 在试验过程中可 由微机自动控制加载、卸载和力与位移数据的收集。 装置结构示意图如图 １ 所示。
分别对单粒蓝莓的纵向与横向进行压缩试验（见图 ２），得到试验力－时间曲线（见图 ３）。 由图 ２、图 ３ 可知：无论横向还是纵向压缩，力与位移曲线均为非 线性，且没有明显的屈服点出现，达到破裂力后，蓝莓 表皮发生破裂。
取蓝莓的泊松比为 ０．３，根据蓝莓压缩试验采集 数据应用单面平板压缩方程计算得出线性范围内的 蓝莓弹性模量：横向压缩模量为 ０．２１ＭＰａ，纵向压缩模 量为 ０．１８ＭＰａ。 由于其弹性模量较小，可知较小的应 力就可以使蓝莓产生形变。
在三水平正交表中，选用试验量最小无交互作用 的 Ｌ９（３ ４ ）正交表安排，因素水平如表 ２ 所示。 选用直 径、距平台高度及加载速度为 ３ 个因素，根据吴德光 的压缩试验方法，采用刚性单面平板压缩方式，下 压板不动，上压板分别以固定速率 １、５、１０ｍｍ ／ｍｉｎ 垂 直下压。 试验用的蓝莓直径由电子天平测得，并取平 均值。 用蓝莓的破裂力作为试验指标，蓝莓的破裂力 是压缩特性试验的一个重要参数，对应宏观结构的破 坏。 试验时，分别对单粒蓝莓果实进行压缩实验，极 差分析如表 ３ 所示。
2 试验结果与分析
2．1 极差分析
由表 ３ 可知：K１、K２、K３ 分别为各因素在各水平 下蓝莓破裂所需要的应力，k１、k２、k３ 表示各因素在各 水平下蓝莓果实破裂力的平均值，蓝莓的直径对蓝莓 果实破裂力的影响大于蓝莓的加载速度与蓝莓距平 台高度。
蓝莓的直径越大，越不容易受到损伤，原因主要 是：蓝莓果实越饱满，其内部的纤维组织结合越紧密。 加载速度越快，越容易受到损伤，原因主要是：加载速 度越快，蓝莓越容易受到冲击力的作用，导致蓝莓果 实表皮受损而破裂。 蓝莓距离平台高度基本上没有 影响，原因主要是：蓝莓是否受到机械损伤与内部结 构有关，与放置方向无太大关系。
2．2 方差分析
本试验主要运用 ＳＰＳＳ２０．０ 软件对试验结果进行 分析，结果如表 ４ 所示。
由表 ４ 可知：直径与破坏力对应的 Ｓｉｇ 值、加载 速度与破裂力对应的 Ｓｉｇ 值及高度与破裂力对应的 Ｓｉｇ 值，是方差分析时显著性指标的参考数值；Ｓｉｇ 值 越小，说明试验因素对试验结果的影响越显著。 直径 与破裂力的 Ｓｉｇ 值在 ０．１ 左右，可以认为其对破裂力 存在影响，高度对破裂力的影响较小。 在直径、加载 速度、高度 ３ 个因素中，蓝莓的直径对破裂力的影响 最大，其分析结果与极差分析结果一致。
运用 ＳＰＳＳ 软件中的两两比较，能够比较同一因 素下不同水平之间是否存在明显的差异，如表 ５ 所 示。 由表 ５ 可以得出不同水平之间蓝莓直径、加载速 度与距平台高度存在差异。 其中，蓝莓直径对蓝莓破 裂力的影响最大。
2．3 回归分析
运用 ＳＰＳＳ２０．０ 软件对实验结果进行回归分析， 选择逐步回归，如表 ６ 所示。 由表 ６ 可知：在直径、加 载速度与高度变量都存在的情况下，高度的 Ｓｉｇ 值为 ０．８７５＞０．１，表明其对因变量破裂力的影响较小，R２ 值 为 ０．７７７。 剔除高度对蓝莓破裂力的影响重新拟合， 其 Ｓｉｇ 值均小于 ０．１，影响显著，R２ 值为 ０．７７６。 两次 R２ 值相差较小，所以在 ３ 个变量都剔除距平台高度对 蓝莓破裂力的影响，可以得到破裂力与蓝莓直径、加 载速度的关系式为
Y ＝－０．３３２ ＋１．１５４X１ －０．３２３X２
式中 X１—蓝莓的直径；
X２—加载速度。
3 结论
１）蓝莓果实在压缩载荷的作用下，无论是横向还 是纵向力，与时间的关系曲线均为非线性，压缩过程 中无明显的生物体屈服点出现，压缩力上升至破裂力 后，蓝莓发生破裂。 通过计算得出了蓝莓的压缩弹性 模量，其纵向与横向分别为 ０．１８ＭＰａ 和 ０．２１ＭＰａ，即 较小的力就可以使蓝莓产生变形。
２）以蓝莓破裂力为试验指标，根据极差分析与方 差分析得知：蓝莓的直径大小对蓝莓破裂力的有一定 的影响。 蓝莓果实的直径越大，越不容易受到损伤； 加载速度越快，蓝莓果实越容易受到损伤；蓝莓距平 台的高度对蓝莓果实损伤没有影响。 同时，得出了破 裂力与蓝莓直径和加载速度的关系式。
３）选取的因素较少，仅能得到部分影响蓝莓破裂 的因素。 由于蓝莓品种间存在差异性，即不同品种蓝 莓的内部纤维组织结合程度也不相同，因此对所得结 果也有影响。
立即询价
