楊 磊，宋 欣，李艷聰，單慧勇 (天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津300384)

在果實(shí)采摘、運(yùn)輸、加工和儲(chǔ)存的過程中，果實(shí)會(huì)與其他不同材質(zhì)的表面接觸，或者果實(shí)之間產(chǎn)生摩擦。這種摩擦作用會(huì)導(dǎo)致果實(shí)的機(jī)械損傷，從而也降低了機(jī)械采摘的效果和果實(shí)自身的品質(zhì)，而摩擦系數(shù)是其中的重要決定因素。另外，果實(shí)的品種、成熟度、表面承壓情況及保鮮溫度等因素還會(huì)對(duì)果實(shí)表面的摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響［1－2］。

所以，果實(shí)表面靜、動(dòng)摩擦系數(shù)的測(cè)定對(duì)于果實(shí)的機(jī)械采摘、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的設(shè)計(jì)以及果實(shí)儲(chǔ)運(yùn)方式的選擇都具有重要的意義。

1 摩擦系數(shù)測(cè)定儀的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu) 摩擦系數(shù)測(cè)定儀的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該摩擦系數(shù)測(cè)定儀包括底座、線性滑塊導(dǎo)軌、主平移臺(tái)、從平移臺(tái)、推拉力計(jì)、驅(qū)動(dòng)推拉力計(jì)的驅(qū)動(dòng)裝置以及果實(shí)夾緊組件。試驗(yàn)臺(tái)底座上表面橫向平行對(duì)稱固裝線性滑塊導(dǎo)軌，該線性滑塊導(dǎo)軌上橫向滑動(dòng)安裝由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)的主平移臺(tái)。推拉力計(jì)固裝在主平移臺(tái)上，帶動(dòng)滑動(dòng)安裝在線性滑塊導(dǎo)軌上的從平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)。

其中，驅(qū)動(dòng)裝置包括滾珠螺桿和步進(jìn)電機(jī)。滾珠螺桿橫向安裝在主平移臺(tái)下部，通過安裝在基板端部的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

果實(shí)夾緊組件包括支撐架、夾緊板以及螺柱。支撐架豎直對(duì)稱安裝在基板外側(cè)的底座上，兩個(gè)支撐架上部豎直對(duì)稱制有U型槽，該U型槽內(nèi)豎直相對(duì)滑動(dòng)安裝一對(duì)螺柱，兩個(gè)螺柱的相對(duì)端部分別固裝用于夾緊被測(cè)物體的夾緊板，夾緊板將被測(cè)物體夾緊后通過螺母鎖緊。

1.2 工作原理 通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)，使其帶動(dòng)數(shù)字式推拉力計(jì)沿線性滑塊導(dǎo)軌進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)從平移臺(tái)施加一個(gè)拉力，隨著勻速直線運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，該拉力逐漸增大。當(dāng)數(shù)字式推拉力計(jì)拉動(dòng)從平移臺(tái)的瞬間(即果實(shí)與摩擦試片即將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí))，記錄下此時(shí)的拉力值F1［3－5］。根據(jù)摩擦力計(jì)算公式:

可以得到:

此時(shí)的摩擦系數(shù)μ為靜摩擦系數(shù)，此時(shí)的拉力值F1為最大靜摩擦力。隨著數(shù)字式推拉力計(jì)繼續(xù)對(duì)摩擦試片施加拉力，使得果實(shí)與摩擦試片間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)一段行程后，讀取拉力值F2，該拉力值應(yīng)略低于最大靜摩擦力。同樣根據(jù)摩擦力計(jì)算公式，可以得到:

此時(shí)的摩擦系數(shù)μ為動(dòng)摩擦系數(shù)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，拉力隨時(shí)間變化的曲線可以通過數(shù)字式推拉力傳輸至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，其中拉力的峰值即為最大靜摩擦力，用于計(jì)算靜摩擦系數(shù)。隨后拉力略有降低，且趨于恒定，該拉力值為動(dòng)摩擦力，用于計(jì)算動(dòng)摩擦系數(shù)。間的靜摩擦系數(shù)為0.143 3，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.136 6;蘋果和牛皮紙之間的靜摩擦系數(shù)為0.874 7，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.449 6。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，不同材料與蘋果之間的摩擦系數(shù)不同，總體來說，材料表面粗糙度越大，相應(yīng)與蘋果之間的摩擦系數(shù)也就越大。

2 試驗(yàn)分析

在此次試驗(yàn)中，選用新鮮紅富士蘋果作為試驗(yàn)對(duì)象，表面無機(jī)械損傷和病蟲害，平均質(zhì)量為256 g，外形圓度較好。將選取好的蘋果進(jìn)行分組編號(hào)，在控制面板內(nèi)設(shè)定數(shù)字推拉力計(jì)的水平移動(dòng)速度為1.5 mm/s。首先測(cè)量在不加載蘋果時(shí)水平測(cè)力計(jì)移動(dòng)所需要的拉力，然后將蘋果和提前制作好的材料板放置在測(cè)試臺(tái)上，分別測(cè)量蘋果和有機(jī)玻璃板、蘋果和牛皮紙之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)需要的拉力。最后通過試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)取平均值，利用公式，求得蘋果和有機(jī)玻璃、蘋果和牛皮紙之間的靜/動(dòng)摩擦系數(shù)。

從圖2和圖3中可以看出，當(dāng)拉力達(dá)到峰值，即為試驗(yàn)所需最大靜摩擦力，隨后拉力略有降低，且趨于恒定，該拉力值為動(dòng)摩擦力。

通過表1、2數(shù)據(jù)，利用公式可以得出蘋果與有機(jī)玻璃之

表1 蘋果與有機(jī)玻璃之間摩擦測(cè)量值

表2 蘋果與牛皮紙之間摩擦測(cè)量值

3 結(jié)論

蘋果的摩擦特性對(duì)于果實(shí)的收獲、貯藏和加工機(jī)械的設(shè)計(jì)具有非常重要的指導(dǎo)意義，通過試驗(yàn)研究，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出下述結(jié)論:蘋果與其他物質(zhì)之間的摩擦系數(shù)是由接觸表面的特性決定的，接觸表面越粗糙，其摩擦系數(shù)就越大。試驗(yàn)所用摩擦試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)科學(xué)合理，可以準(zhǔn)確地測(cè)量出不同負(fù)載或者不同拉動(dòng)速度下，果實(shí)表面與不同摩擦試片間的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)。

通過試驗(yàn)得到蘋果的相關(guān)摩擦系數(shù)，結(jié)果可為機(jī)械采摘、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的設(shè)計(jì)以及果實(shí)儲(chǔ)運(yùn)方式的選擇中摩擦力的計(jì)算提供依據(jù)。

［1］鄧云，吳穎，李云飛.果蔬在貯運(yùn)過程中的生物力學(xué)特性及質(zhì)地檢測(cè)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(4):1 －6.

［2］單明徹，徐朗.蘋果的機(jī)械特性和機(jī)械損傷［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1988，19(2):72 －79.

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