| 单词 | 农产品所受撞击载荷的应用 |
| 释义 | 【农产品所受撞击载荷的应用】 两个或多个物体的碰撞习惯上称为撞击，撞击现象在很多农业生产过程中都是基本的和重要的问题。农产品在撞击载荷作用下响应的理论分析和研究是十分有用的。撞击试验或分析结果在农业中的应用有4个主要方面：(1)撞击载荷对农产品造成的机械损伤的评价；(2)某些生理学属性如坚实度(firmness)、硬度(hardness)、宜收获度(readinrss for harvest)的测量，或者与无损伤水平下农产品对撞击响应有关的框架寿命预测；(3)在分选和分级的工序中，用撞击载荷下不同材料行为的差异；(4)撞击能量的特殊应用，例如植铒的切割或摇动树木。 机械损伤的评价 农产品机械损伤的主要原因之一是它们在收获和机械搬运中所受到的经常性的撞击。尤其是水果和蔬菜，从它们收获时刻开始直至被加工或被消费，要经受无数次的碰撞。据Finney和Massie报道，撞击引起的苹果淤伤使得大约23%的水果质量低于高质量抽样的标准。Saigent等发现，81%的McIntosh苹果在收获时由撞击引起淤伤，当它们运至包装工场时，93%的苹果出现淤伤。Brown研究了无损伤的Golden Delicious苹果通过典型的包装线所引起的撞击损伤。他发现，当到达盘式包装台时，几乎100%的苹果都有淤伤。仅仅装包工序就碰伤了91%～95%初始无损伤的苹果。Peleg断言，对于某些水果、蔬菜作物，撞击造成的淤伤损失可以达到产量的30%。许多研究者报道了撞击引起机械损伤的类似结果，如马铃薯，苹果，桃子，洋葱。撞击损伤也出现在许多其他农产品上，对于种植者和零售者来说是造成显著损失的原因，对于消费者则是提供质量低的产品。Holt和Schoorl证明了苹果淤伤体积同冲击时吸收的能量成线性关系。虽然在推导机械损伤与碰撞参量之间的关系时，苹果是主要的农产品，但其它农产品也得到研究。Noble发现了马铃薯碰撞时淤伤体积与吸收能量之间的线性关系。同样，Park测定了马铃薯块茎所吸收的撞击能量与以淤伤组织体积形式表示的损伤之间的关系。他得出在选取表示损伤的各种方法中，淤伤体积可以认为是最敏感的，因为它以定量形式表示了损伤。更进一些的工作记载在某些水果淤伤能量与所吸收的撞击能量之间有很高的相关性，所吸收的撞击能量可用来预测在运输和包装过程中水果发生的损伤。尽管如此，Chen和Sun提出了某些支持和反对临界应变假设的论点。他们的研究指出，在失效时，应变率对应变有显著作用，暗示有很强的粘弹性影响，于是主张临界应变理论在很广的应变率范围不适用。Gan-Mor和Galili的工作给了解撞击条件下水果失效过程的真实机理注入了新的因素。他们考虑了大应变的情况，修正了塑性理论中的上界和下界定理，完成了刚性球对刚性平面撞击的分析。所发展的模型被用来计算在撞击条件下苹果淤伤体积。为了测量机械损伤的量值，时常将单个加速计用在每个水果上，使引起损伤的撞击力同贮运方法联系起来。Pullen和Diener研制了一种场效应晶体管FET(Field Effect Transistor)三轴加速度计，它具有测量撞击损伤的求和线路。但是此系统要用3根电缆将数据从加速度计传递至记录仪，这就会影响传感器模拟水果(桃子)从树上落在收集器框架上的自由运动。此外，矢量求和线路的重量和尺寸也妨碍了它们在桃子那样大的传感器上的使用。电缆的存在妨碍了在农产品装运各外阶段中自由测量撞击，为了克服这个缺点，许多研究者尝试采用遥测技术。Rider等报道了撞击遥测技术在生物产品上的早期应用，这是模拟桃子的机械化处理。他们制作了一个假水果，即一个外部包裹着弹性材料的钢壳，内部装有一个封闭的刚性固定的三轴加速度计，其信号由电缆传输给示波器。后来O’Brien等在对假水果的研究中，利用Harrison早些时候所用的FM遥测技术代替电缆，将3个发射机埋设在聚合物制成的圆形水果状物(假水果)内，三轴加速度计中每一个轴对应于一个发射机。来自每个发射机的数据由FM接收机所接收，并储存在一个多通道模拟磁带记录器上，在使用前要求进行恢复处理，据记录校准精度为±5%。人们认为在预期可以给出可靠的预报之前，还需要做大量的真实水果损伤和假水果响应间的相关性试验。Shupe和Lake将一个微型单轴加速度计和无线电发射机系统装入一个禽蛋大小的装置内，以测定在禽蛋机械化处理系统中引起破裂的状态。数据作为电信号传送出去，并要在示波器屏幕上显示出尖峰脉冲。但是，对诸如发射机设计和信号重复的一致性等设备因素，还需作进一步研究。而且只限于测定一个方向的撞击。Aldred和Burch研制了一个遥测和微计算机系统，它包括一个外作用传感器的十分紧凑、可移动的仪表球，以及一个接收、处理和储存数据的半移动式元件；在一个中空的桃子状球体内，封装着一个微型三轴压电式加速度计；数据处理电子线路；FM发射机和两节电池。在撞击作用下，沿着每个传感器轴线产生正比于加速度的信号。信号经过取绝对值、平方、求和、开方等处理，得到一个正比于作用在传感器上的净力的值。这个数据由一个FM发射机传送至一个AM调谐装置，经过处理再送至微计算机储存，以后再由常规图形记录器进行检索。研究者们声称，他们的遥测和微计算机系统可以有效地用来处理、存储和记录水果(桃子)在收获和装运过程中所受到的加速度过程的波幅和频率。但是，他们说还要对传感器作更多的试验，以便测定一些数值范围，假如水果撞击到收获系统的部件上，或者一个水果撞击另一个水果，在这些数值范围内，水果就要发生淤伤。他们还建议作进一步的实验，以确保传感器同真实水果在尺寸、形状、密度和弹性等方面类似，避免由于作用力不同而改变响应。Anderson等和Hallee做了对人工水果(artificial fruit)实验设计的进一步的改进，并用于对马铃薯的研究。但是，对于研究和(或)商品生产来说，它还没有达到成为一个有生命力的工具的程度。N．Halderso等作了进一步的改进，他们用3110RTV硅橡胶制成的人工水果进行了可用于马铃薯的撞击试验。加速度计和其它易动元件用硅橡胶固定起来，但没有加以密封。Jenkis和Humphries提出了一个独特的方法，他们研制了一个中空充水具有阀门的球，当它受到撞击时，流出的水同受到撞击的速度及表面位置有关。这个水量损失可取作损伤指标，根据自由下落试验予以测定，它与撞击速度成正比。在装仓工序中，撞击损伤被认为是撞击速度和角度的函数，影响这些因素的装仓参量是下落高度和皮带速度。当下落高度或者皮带速度中任何一个增大时，由球的重量改变所记录的撞击损伤也增大。因此，有人建议这种装置可以用来有效地研究装仓差量－下落高度、皮带速度或撞击角度以及装料密度。最近，由美国农业部(USDA)和Michigan洲立大学研究小组研制了一个装备在球形壳体内的撞击记录仪，用以研究农产品所受到的碰撞。这种仪表球是以微处理器为基础的记录仪，采用三轴加速度计作为它的撞击传感器；仪表球由一个集成的模拟－数字转换功能的CMOS微控制器32K外接数字存储器以及信号调制线路组成，以一个7．2V的Ni-Cd电池为动力。仪表球的重要特点是它的尺寸小，有独立运行能力，并且具有机上搜索程序使其可以放入任何进行包装的水果内灵活地工作。采用球形形状是为了有对称性而得到的对撞击的均匀响应。把仪表球从水果(或蔬菜)的环境中取回，就可将仪表球的数据送给一台个人计算机(PC)进行分析，给出峰值加速度数值，速度变化以及每次试验撞击持续时间。为了研究淤伤预报方程，Siyami等研制了一个测量系统，它将一个加速度计固定在一个受苹果冲击的平台上。淤伤尺寸用苹果性质和每次试验的碰撞参量进行回归分析，这种撞击所产生的淤伤的预报模型为ABD=B0+B1(AAD)+B2(MT)+B3(MA)+B4(MA)2+B5(DV)2其中ABD=平均淤伤直径(mm)；AAD=平均苹果直径(mm)；MT=Magess-TayLor坚实度(kg)(使用一种手持贯入度仪，扎刺水果所需的力的量度)；MA=最大加速度(m／s2)；DV=速度变化(m／s)；Bi=回归系数。当仪表球的测量同淤伤预报方程结合起来，每次撞击的可能损伤就可以得到估计。仪表球已经广泛用于各种水果和蔬菜的研究，并为确定撞击阈值，以及农产品机械化处理系统中可能引起的损伤的各种因素研究，提供了极好的工具。坚实度测量 坚实度是水果和蔬菜同宜收获度、以及同鲜货市场贮存期间及加工前质量评估有关的最重要的质构属性之一。水果和蔬菜有物理、化学、结构等方面性质的许多改变都反映在农产品的坚实度的改变上。除了构质因素外，水果的坚实度还同生物学和栽培等因素有关，如呼吸速率和土壤施肥。尽管已经提出很多坚实度试验方法，并研究和评价了它们的应用，但作为一种可靠的方法，它们中的大多数还是经验性的。只有少数几种情况，人们试图通过明确定义的流变学参量进行测量。在测量水果和蔬菜的坚实度时，人们借助Boussinesq解和Hertz接触理论，使用了球形压头和各种构形的冲头。但是，消费者最常使用的仍然是简单的“姆指试验”方法。我们可以将这种方法同撞击时出现的接触力联系起来，于是许多研究者探讨了利用各种农产品对撞击载荷的非破坏响应作为其坚实度的量度。另外，还因为许多农产品的货架寿命同不断减小的坚实度有关，所以人们已经研究利用各碰撞参量，如力、能量等等来定量表示许可的存放时间或预测货架寿命。DeBaerdemaker等测量了一个从较低高度落下的苹果同刚性表面撞击时作用在刚性表面上的力，并测定了作为坚实度指标的一些特性。采用离散Fourier变换分析抽样撞击力的频率成分，发现在较坚实的水果的撞击力中有较高的频率成分。Diener等认为，某些水果的淤两个或多个物体的碰撞习惯上称为撞击，撞击现象在很多农业生产过程中都是基本的和重要的问题。农产品在撞击载荷作用下响应的理论分析和研究是十分有用的。撞击试验或分析结果在农业中的应用有4个主要方面：(1)撞击载荷对农产品造成的机械损伤的评价；(2)某些生理学属性如坚伤能量(作为它们抵抗淤伤的指标)可用作它们的宜收获度准测，这同Magness-Taylor压力计用作坚实度量测有关。Rohibach等认为峰值撞击力是测定越桔坚实度的快速手段。他们强调用峰值撞击力这个参量预报鲜货的旷架寿命的准确程度还有问题。McDonald，Delwiche等和Delwiche在他们利用下落试验方法测定桃子的坚实度时，在272Hz的频谱响应同峰值力／(至峰值力时间)这个比值或者同峰值力／(至峰值力时间)2这个比值之间得到了很高的相关系数，这里坚实度用弹性模量定义。此外，在4个坚实度范围的撞击特性平均值之间的差别也可以测出；他们还证明了这些撞击特性依赖于撞击的部位。基本撞击响应的形状特性可以取作坚实度的预报值(包括加速度计的峰值电压输出和tp至峰值力的时间)。在以前的研究中，取特性C2=(Vp／tp2)作为坚实度的预报值，使得水果重量变化的影响极小。外来杂物的分离 农产品收获后的作业包括外来杂物的分离，例如从马铃薯块茎、洋葱头和菜花球茎中分离出土块和石块等。比农产品大或小的土块和石块的分离可以容易通过筛选来完成。但是，同样大小的碎块的分离就要复杂得多，在多数地方仍然是人工完成，因而有劳动力投资很高和效果不协调这样一些明显的缺点。马铃薯和土块受到撞击载荷作用时，其恢复系数不同，人们已将这一特点用于具有广泛商业用途的简单机械分离器上。马铃薯和土块都撞击在一个圆筒形鼓上，由于所产生的运动轨迹不同，马铃薯将落在比土块更远的位置。由于下落高度小(250mm)，又因为斜撞击时只有法向速度分量对马铃薯有影响，所以对马铃薯没有造成内部或外部的损伤。Bryantffu提出了类似的方法，他们发现腐烂的柑桔的恢复系数通常要比坚实、完好的低。因此，这种弹回或回跳特性的差别为大规模、高速地用机械方法将大部分坏柑桔从柑桔当中分离出去提供了基础。有人还试验过将越桔在平板上滚动和回弹结合起来的方法进行质量分选。在后两种应用中，物体通过在斜槽或斜面上滑动或滚动到达回弹表面。农产品所受到的撞击载荷在多数情况下是不可避免的，它会引起重大的损伤。因此，人们希望将撞击水平降低至一个安全的阈值。甚至当撞击是用来测量某些生理学属性如坚实度等时，也要维持在无损坏的水平。植物材料的切割 茎杆切割是农作物收获中最主要的工序之一。茎杆切割的主要方法是像剪刀那样的作用以及“自由切割”(free cutting)，后者是由一个快速运动的刀片对植物冲击而无需任何平衡支座。“自由切割”机的功能涉及许多工程问题，例如能量的要求，切割的长度和质量，磨损和磨蚀问题，以及旋转质量的平衡。但是，Manor试图从理论上分析“自由切割”工序，包括考察几何参量和材料常数对作业的影响。研究工作的主要推动力是刀子切割力对单棵茎杆的撞击。基本的假定是切割所产生的影响在材料的弹性范围内，当受撞击载荷作用时，可以简化描述为均匀各向同性茎杆动力响应的1维模型。模型采用Timoshenko方程，这是同梁动力弯曲有关的偏微分方程。撞击能量还用于把喂养动物的牧草压缩成块。有人利用实验压块装置进行试验，测量了牧草受到脉冲力作用下力变形的特性，并同含水量、输入能量、草块的重量和长度等变量联系起来。类似地，有人研究了撞击效应用于青贮饲料的压缩，并同静力压缩进行了比较。定义为可恢复变形同永久变形之比的弹性力学参量，被用来评价不同含水量青贮料的质量。人们已经将撞击力作为破裂可食坚果的一种方法。基本的依据是，突然施加在坚果上的载荷会引起壳体之间的破裂而且有比较小的变形。这种变形较小的生产方法是有利的，因为在果仁和壳体之间的空间很小。此外，高速撞击果方法还有这样的优点，冲击波沿壳传播可能使壳体碎裂成许多小块而易于果仁回收。通过试验用的破碎机试验已证实，薄壳山核桃壳体用自由飞行的高速质量撞击，壳体被击碎，果仁基本没有损伤。在所进行的试验中，定量计数方案证明，以22m／s飞行的6．8g质量给出最好的结果。撞击能量的其它应用包括利用脉冲压实进行棉花打包，通过下落质量的撞击进行打桩，以及使用撞击振摇机作为一种水果机械收获方法使水果脱落。一个很容易受忽略的有关撞击领域的是液滴对叶子撞击作用的研究。随着费用的增加和对环境污染的关心，对这种撞击和沉积物的形成进行研究就变得非常重要。(北京农业工程大学华云龙撰) |
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