張連文 謝曉定 武玉柱 張 超 高 鉀 徐 斌

(1. 天津商業(yè)大學(xué),天津 300134;2. 新疆工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830023;3. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830091)

作為新疆重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物之一,哈密瓜因香甜脆嫩、營養(yǎng)豐富等優(yōu)點(diǎn),深受消費(fèi)者喜愛[1-2]。為滿足內(nèi)地消費(fèi)者對(duì)哈密瓜的需求,需將哈密瓜通過卡車長(zhǎng)途運(yùn)輸至廣東、上海、浙江、北京等主要分銷地[3]。但長(zhǎng)途運(yùn)輸振動(dòng),不僅會(huì)對(duì)哈密瓜的外觀造成機(jī)械損傷,還會(huì)加速其內(nèi)部品質(zhì)劣變,因此,研究卡車長(zhǎng)途運(yùn)輸振動(dòng)具有重要意義[4-5]。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者致力于研究運(yùn)輸振動(dòng)對(duì)瓜果品質(zhì)的損傷機(jī)理,并尋找降低振動(dòng)引起的損傷的方法[6-7]。目前,研究運(yùn)輸振動(dòng)對(duì)瓜果品質(zhì)的影響主要通過模擬運(yùn)輸隨機(jī)振動(dòng)、定頻振動(dòng)、掃頻振動(dòng)3種試驗(yàn)手段[8]。夏銘等[9-11]通過模擬運(yùn)輸隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn),研究了不同類型的減振襯墊、托盤、緩沖泡沫對(duì)水果的防護(hù)效果;曾媛媛等[12-15]通過模擬運(yùn)輸定頻振動(dòng)試驗(yàn),研究了不同振動(dòng)頻率對(duì)哈密瓜硬度、總酚含量、細(xì)胞膜脂、彈性和咀嚼性等品質(zhì)指標(biāo)的影響,發(fā)現(xiàn)低頻振動(dòng)對(duì)哈密瓜品質(zhì)的影響更大。張連文等[16-17]通過模擬運(yùn)輸掃頻振動(dòng)試驗(yàn),測(cè)定了瓦楞紙箱及瓜果的固有頻率。上述研究大多集中在對(duì)單果或單層包裝件在單一垂直方向振動(dòng)及其損傷,而在實(shí)際公路運(yùn)輸過程中,包裝件通常以逐層碼放的方式裝載在卡車廂內(nèi),并且行駛中由于受路況、氣候條件、行駛速度等因素的影響,卡車往往會(huì)同時(shí)產(chǎn)生垂直和水平方向振動(dòng)的現(xiàn)象,因此,研究多層堆碼包裝件在垂直和水平方向的振動(dòng)特性更具實(shí)際參考價(jià)值。

試驗(yàn)擬以西州蜜17號(hào)哈密瓜和0201型包裝瓦楞紙箱為研究對(duì)象,模擬長(zhǎng)途卡車在高速公路行駛的實(shí)際運(yùn)輸振動(dòng),分析采集到的振動(dòng)信號(hào),試圖建立最大功率譜密度、峰值加速度與堆碼層的變化規(guī)律模型,研究不同堆碼層包裝件在垂直和水平方向的振動(dòng)強(qiáng)度,以期為包裝件防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

哈密瓜:西州蜜17號(hào),選自同一批次,形狀和大小均勻、成熟度相近、無損傷以及無病蟲害,單果質(zhì)量為2.5 ～3.5 kg的哈密瓜[18],市售;

瓦楞紙箱:選用0201型紙箱,瓦楞組合為BE楞,外形尺寸為462 mm×376 mm×168 mm;

緩沖材料:尺寸為320 mm×110 mm～370 mm×160 mm的泡沫網(wǎng)套和緩沖5層瓦楞紙板,根據(jù)長(zhǎng)途運(yùn)輸裝載的實(shí)際包裝要求,將哈密瓜套上泡沫網(wǎng)套,每箱裝4個(gè),并用4塊緩沖瓦楞紙板隔開(圖1),按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),共選用15箱進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 哈密瓜的裝箱示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

低頻振動(dòng)臺(tái):DC-1000-15型,配有RC-3000-4振動(dòng)臺(tái)控制儀,HT-8045A可程式恒溫恒濕處理機(jī)和傳感器等設(shè)備,蘇州試驗(yàn)儀器總廠;

智能數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析系統(tǒng)DASP-V11/INV3062T軟件:北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所。

1.3 試驗(yàn)方法

為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,嚴(yán)格按照GB/T 4857.10正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn),模擬物流運(yùn)輸車輛在高速公路行駛的實(shí)際運(yùn)輸振動(dòng),設(shè)置3組重復(fù)試驗(yàn),每組挑選5箱哈密瓜以堆碼的方式進(jìn)行正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)。根據(jù)GB/T 4857.2,試驗(yàn)前,將15箱哈密瓜放置于HT-8045A可程式恒濕恒溫處理機(jī)中進(jìn)行溫濕度預(yù)處理(溫度23 ℃、相對(duì)濕度50%、預(yù)處理時(shí)間8 h)。相同溫濕度條件下, 預(yù)處理時(shí)間為8,24 h的試驗(yàn)結(jié)果基本一致,因此,為提高試驗(yàn)效率,預(yù)處理時(shí)間選擇8 h[19]。將試驗(yàn)場(chǎng)地的溫濕度調(diào)節(jié)至與溫濕度預(yù)處理?xiàng)l件一致。將傳感器固定于各層包裝件底部的中間位置。為便于識(shí)別振動(dòng)控制儀通道以及連接數(shù)據(jù)線路,將測(cè)試第1～5層垂直方向振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)線分別連接到振動(dòng)臺(tái)控制儀的第2、6、7、9、10通道,將測(cè)試1、3、5奇數(shù)層前后方向振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)線分別連接到第3、8、11通道,受振動(dòng)臺(tái)控制儀通道數(shù)量的限制以及考慮傳感器在堆碼層布置的合理性,僅測(cè)試1、3、5奇數(shù)層前后方向的振動(dòng)信號(hào),以表征水平方向的振動(dòng)情況。包裝件的中心與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面幾何中心重合,其寬度和長(zhǎng)度方向分別對(duì)應(yīng)振動(dòng)臺(tái)前后和左右方向,并以逐層堆碼的形式正立置于振動(dòng)臺(tái)面上,用尼龍繩捆扎固定,防止試驗(yàn)過程中產(chǎn)生劇烈的晃動(dòng)(見圖2)。在DASP V11軟件中設(shè)置振動(dòng)臺(tái)的采樣頻率為1 024 Hz,掃描頻率為5～100 Hz,掃描速率為每分鐘1/2倍頻程,啟動(dòng)堆碼正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn),并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣[16]。

圖2 哈密瓜包裝件5層堆碼示意圖

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用COINV DASP V11軟件對(duì)試驗(yàn)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析,獲得固有頻率和最大功率譜密度,并進(jìn)行時(shí)域分析,獲得峰值加速度。使用Excel 2019軟件處理從COINV DASP V11導(dǎo)出的數(shù)據(jù),使用回歸建模分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析,并使用Origin 2019b軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 垂直和水平方向的固有頻率

2.1.1 5層包裝件垂直方向的固有頻率 采用COINV DASP V11軟件對(duì)試驗(yàn)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析,獲得第1～5層包裝件在垂直方向振動(dòng)的功率譜密度,用 Excel 2019軟件分析各層功率譜密度,用Origin 2019b繪圖,得到自功率譜圖如圖3所示,自功率譜反映的是各層功率隨頻率的變化關(guān)系。

圖3 堆碼包裝件在垂直方向的自功率譜

當(dāng)振動(dòng)臺(tái)給予的外激勵(lì)振動(dòng)頻率等于包裝件的固有頻率時(shí),包裝件產(chǎn)生共振現(xiàn)象,自功率譜曲線的峰值所對(duì)應(yīng)頻率就是包裝件在垂直方向振動(dòng)的固有頻率[20]。由圖3可知,第1～5層包裝件在垂直方向的固有頻率分別為9.86,54.75,9.75,9.92,10.31 Hz。

2.1.2 奇數(shù)層包裝件水平方向的固有頻率 由圖4可知,第1、3、5層包裝件水平方向的固有頻率分別為10.12,10.44,11.13 Hz。

圖4 奇數(shù)層包裝件在水平方向的自功率譜

由圖3和圖4可知,功率譜密度值在頻率為9～12 Hz時(shí)發(fā)生明顯的跳躍,是由于掃頻頻率接近或等于固有頻率時(shí)產(chǎn)生共振,振動(dòng)能量大幅度增加,導(dǎo)致振動(dòng)強(qiáng)度顯著增強(qiáng),此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率(9～12 Hz)即為堆碼包裝件的共振頻率。當(dāng)掃頻頻率為9 Hz時(shí),堆碼包裝件的振動(dòng)強(qiáng)度明顯增大,直至掃頻頻率為12 Hz時(shí),該現(xiàn)象消失。因此,實(shí)際運(yùn)輸過程中應(yīng)盡量避開產(chǎn)生9～12 Hz頻段的路段,或者采用恰當(dāng)?shù)陌b和運(yùn)輸方式,以有效避開共振頻率,防止運(yùn)輸過程中產(chǎn)生共振而加速哈密瓜品質(zhì)的劣變。

2.2 垂直和水平方向的峰值加速度

2.2.1 5層包裝件在垂直方向的峰值加速度 由圖5可知,5層包裝件的第1～5層包裝件垂直方向振動(dòng)的峰值加速度分別為11.933 8,26.616 3,39.213 8,43.197 3,51.148 5 m/s2。

圖5 堆碼包裝件在垂直方向的時(shí)域響應(yīng)圖

2.2.2 奇數(shù)層包裝件在水平方向的峰值加速度 由圖6可知,第1、3、5層包裝件在水平方向振動(dòng)的峰值加速度分別為5.047 2,6.786 9,9.645 4 m/s2。

圖6 奇數(shù)層包裝件在水平方向的時(shí)域響應(yīng)圖

結(jié)合圖5和圖6可知,垂直和水平方向振動(dòng)的峰值加速度值均從底層到頂層呈遞增趨勢(shì),與王璐璐等[20]的研究規(guī)律相同。這是由于處于上層的包裝所受的承載壓力比下層的小,因此上層的約束程度小,導(dǎo)致上層的振動(dòng)幅度比下層的大,從而使上層的沖擊力和峰值加速度更大,對(duì)產(chǎn)品造成的損傷程度更大[21-22]。因此,實(shí)際運(yùn)輸裝載過程中對(duì)堆碼包裝件應(yīng)進(jìn)行合理的捆扎,以增加其約束程度,從而減小運(yùn)載產(chǎn)品的振動(dòng)幅度,達(dá)到減輕振動(dòng)引起損傷的目的。

2.3 最大功率譜密度和峰值加速度與堆碼層的關(guān)系

2.3.1 最大功率譜密度與堆碼層的關(guān)系 自功率譜曲線反映的是振動(dòng)過程中功率隨頻率的變化關(guān)系,功率譜密度越大表明振動(dòng)產(chǎn)生的能量越大,即振動(dòng)強(qiáng)度越強(qiáng)。表1為各層包裝件垂直和水平方向的最大功率譜密度,根據(jù)其數(shù)據(jù)分別建立垂直和水平方向最大功率譜密度與堆碼層關(guān)系的一元線性回歸模型,并進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn),選擇顯著水平為α=0.05[23]。

表1 垂直和水平方向的最大功率譜密度?

垂直方向最大功率譜密度與堆碼層關(guān)系的一元線性回歸模型為:

y1=35.189 1x1-33.856 0,

(1)

式中:

x1——堆碼層,層;

y1——功率譜密度,m2/(s4·Hz)。

相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)(α=0.05),由于|r|=0.994 7>rα(n-2)=r0.05(3)=0.878,因此在顯著水平為0.05條件下,垂直方向最大功率譜密度對(duì)堆碼層的一元線性回歸模型效果顯著[17],因此該模型可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)垂直方向功率譜密度的變化規(guī)律(圖7)。

圖7 最大功率譜密度與堆碼層的建模分析

水平方向最大功率譜密度與堆碼層關(guān)系的一元線性回歸模型為:

y2=2.172 9x2+1.459 7,

(2)

式中:

x2——堆碼層,層;

y2——功率譜密度,m2/(s4·Hz)。

相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)(α=0.05),由于|r|=0.999 9>rα(n-2)=r0.05(1)=0.997,因此在顯著水平為0.05條件下,水平方向最大功率譜密度對(duì)堆碼層的一元線性回歸模型效果顯著,因此該模型可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)水平方向功率譜密度的變化規(guī)律(圖7)。

2.3.2 峰值加速度與堆碼層的關(guān)系 表2為各層包裝件垂直和水平方向的峰值加速度,根據(jù)其數(shù)據(jù)分別建立垂直和水平方向峰值加速度與堆碼層關(guān)系的一元線性回歸模型,進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn),選擇顯著水平為α=0.05。

表2 垂直和水平方向的峰值加速度?

垂直方向峰值加速度與堆碼層關(guān)系的一元線性回歸模型為:

y3=9.568 3x3+5.784 4,

(3)

式中:

x3——堆碼層,層;

y3——功率譜密度,m2/(s4·Hz)。

相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)(α=0.05),由于|r|=0.977 7>rα(n-2)=r0.05(3)=0.878,因此在顯著水平為0.05條件下,認(rèn)為包裝件垂直方向的峰值加速度對(duì)堆碼層的一元線性回歸模型效果顯著,因此該模型可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)垂直方向峰值加速度的變化規(guī)律(圖8)。

圖8 峰值加速度與堆碼層的建模分析

水平方向峰值加速度與堆碼層關(guān)系的一元線性回歸模型為:

y4=1.149 5x4+3.711 2,

(4)

式中:

x4——堆碼層,層;

y4——功率譜密度,m2/(s4·Hz)。

相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)(α=0.05),由于|r|=0.990 3

結(jié)合圖7和圖8可知,垂直和水平方向最大功率譜密度值和峰值加速度從底層到頂層均呈遞增趨勢(shì),且垂直方向振動(dòng)的遞增速度更快;同一堆碼層垂直方向的功率譜密度和峰值加速度大于水平方向的;垂直和水平方向的最大功率譜密度和峰值加速度與堆碼層的關(guān)系均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān),因此所獲得的模型可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)各層包裝件的最大功率譜密度和峰值加速度。由于不同堆碼層的振動(dòng)強(qiáng)度由底層到頂層逐漸增大,因此上層的外部包裝紙箱質(zhì)量和內(nèi)部緩沖材料性能要求更好;由于同一堆碼層的振動(dòng)強(qiáng)度在垂直方向大于水平方向,因此包裝件在垂直方向的外部包裝紙箱質(zhì)量和內(nèi)部緩沖材料性能要求更好。

3 結(jié)論

試驗(yàn)表明,① 通過哈密瓜物流堆碼模擬運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn),測(cè)定了堆碼包裝件的共振頻率為9～12 Hz;用回歸分析法獲得最大功率譜密度和峰值加速度與堆碼層關(guān)系的振動(dòng)模型,揭示出各層包裝件的振動(dòng)強(qiáng)度由底層到頂層呈遞增趨勢(shì),同一堆碼層在垂直方向的振動(dòng)強(qiáng)度大于水平方向的。② 實(shí)際運(yùn)輸中應(yīng)避開產(chǎn)生9～12 Hz頻率的路段;緩沖包裝優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)依據(jù)包裝件在不同堆碼層和不同方向振動(dòng)強(qiáng)度水平進(jìn)行分等級(jí)防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì),處于上層以及垂直方向的緩沖材料性能要求更好,即越往頂層以及垂直方向的防護(hù)等級(jí)要求更高。③ 要實(shí)現(xiàn)包裝更全面的分等級(jí)防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì),目前僅分析了不同堆碼層垂直和水平方向的振動(dòng)強(qiáng)度,信息還不夠全面,如包裝件在車廂板前部、中部和后部位置的振動(dòng)強(qiáng)度信息以及尋求更優(yōu)的集裝堆碼方式需進(jìn)一步研究。