浙江大学学报（农业与生命科学版）

浙江大学学报（农业与生命科学版）, 2022, 48(5): 660-670 doi: 10.3785/j.issn.1008-9209.2021.07.191

农业工程

苹果管道输送装置参数优化与试验

陈春皓,,, 李建平,,, 边永亮, 吕林硕, 薛春林

河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071000

Parameter optimization and test of an apple pipeline transportation device

CHEN Chunhao,,, LI Jianping,,, BIAN Yongliang, LÜ Linshuo, XUE Chunlin

College of Mechanical and Electrical Engineering, Hebei Agricultural University, Baoding 071000, Hebei, China

通讯作者: 李建平（https://orcid.org/0000-0003-2807-3888），E-mail：ljpnd327@126.com

收稿日期: 2021-07-19   接受日期: 2021-10-08  

基金资助: 国家现代农业产业技术体系建设项目.  CARS-27
河北省现代农业产业技术体系水果创新团队果园装备岗项目.  HBCT2018100205

Received: 2021-07-19   Accepted: 2021-10-08  

作者简介 About authors

陈春皓（https://orcid.org/0000-0003-4378-8726），E-mail：chenchunhao1998@163.com , E-mail：chenchunhao1998@163.com

摘要

针对果农采摘果树高层苹果效率低的问题，设计了一种辅助人工采摘的管道输送装置。为优化该装置的输送参数，建立了撞击力测试试验台，并以‘富士’苹果为研究对象，分析果径为80～90 mm的苹果从3 m高度沿管道输送至果箱处的撞击力及受到的机械损伤。以管道内衬种类、内衬厚度、防撞垫厚度为试验因素，以苹果落入果箱时的撞击力及损伤体积为指标，在单因素试验的基础上进行响应面试验。单因素试验结果表明，珍珠棉内衬材料对苹果的保护作用相对较好，撞击力与损伤体积均分别随内衬厚度和防撞垫厚度的增加呈逐渐减小的趋势。响应面试验结果表明，内衬种类为珍珠棉，内衬厚度为10 mm，防撞垫厚度为8 mm是最优输送参数组合，在该条件下，苹果落入果箱时的撞击力为4.99～5.47 N，损伤体积为275.02～300.52 mm3。经过试验验证，苹果的撞击力与损伤体积的误差均在5%以内，说明管道输送参数优化结果可靠。

关键词： 苹果采摘 ; 管道输送 ; 撞击力 ; 损伤体积 ; 单因素试验 ; 响应面试验

Abstract

In view of the low efficiency of picking high-level apples from fruit trees by fruit farmers, a pipeline transportation device for assisting manual picking was designed. In order to optimize the transportation parameters of the device, a test bench for impact force was established. Taking 'Fuji' apples as the research object, the impact force and mechanical damage of 'Fuji' apples with a fruit diameter of 80-90 mm from a height of 3 m along the pipeline to the fruit box were analyzed. Taking the type of pipeline lining, the lining thickness, and the crash pad thickness as the test factors, and the impact force and damage volume of apples when they fell into the fruit box as the indexes, the response surface test was carried out on the basis of the single factor test. The results of single factor test showed that the pearl cotton material had a relatively good protective effect on apples. The impact force and damage volume gradually decreased with the increase of the lining thickness, and gradually decreased with the increase of the crash pad thickness. The results of the response surface test showed that the optimal combination of transportation parameters was as follows: the lining type was pearl cotton, and the lining thickness was 10 mm, and the crash pad thickness was 8 mm. At the optimal combination conditions, the impact force when the apple fell into the fruit box was 4.99-5.47 N, and the damage volume was 275.02-300.52 mm3. The results of verification test showed that the errors of the impact force and the damage volume of apple were both less than 5%, indicating that the optimization results of pipeline transportation parameters are reliable.

Keywords： apple harvest ; pipeline transportation ; impact force ; damage volume ; single factor test ; response surface test

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本文引用格式

陈春皓, 李建平, 边永亮, 吕林硕, 薛春林. 苹果管道输送装置参数优化与试验. 浙江大学学报（农业与生命科学版）[J]. 2022, 48(5): 660-670 doi:10.3785/j.issn.1008-9209.2021.07.191

CHEN Chunhao, LI Jianping, BIAN Yongliang, LÜ Linshuo, XUE Chunlin. Parameter optimization and test of an apple pipeline transportation device. Journal of Zhejiang University （Agriculture & Life Sciences）[J]. 2022, 48(5): 660-670 doi:10.3785/j.issn.1008-9209.2021.07.191

我国是世界上最大的苹果生产国和消费国，2019年，我国苹果占水果出口贸易总额的20.01%，苹果树栽培面积居世界首位[1-4]。近年来，随着人们生活水平的提高，传统的人工采摘方式越来越不能满足人们对高品质苹果的要求，且人工采摘劳动强度大，作业时间长，采摘高层（2～4 m）苹果还具有一定的危险性，工作效率低[5-6]。利用普通输送管道辅助采摘虽然可以提高工作效率，降低劳动强度，但容易使苹果受到机械损伤，包括挤压、摩擦等外部损伤和碰撞、冲击等内部损伤，其中碰撞是造成苹果机械损伤的最主要原因[7-8]。机械损伤会给苹果造成可视化破坏：一方面，损伤使苹果表面出现褐斑[9]；另一方面，损伤使苹果的呼吸速率增加、霉变速率加快、可溶性固形物含量下降，影响苹果的储藏及销售，从而降低苹果的品质和果农的收入[10-12]。因此，对辅助采摘的苹果输送管道的优化尤为重要。MOHSENIN等[13]研究了落果撞击缓冲表面的力学性质，为苹果捕捉平台筛选到合适的缓冲材料，并提出当冲击产生的应力超过苹果果肉的最大剪切强度时，将会产生机械损伤，但其未测量苹果碰撞后的损伤体积，因而不能对苹果的损伤程度进行分析。STOPA等[14]通过碰撞试验，确定了苹果在不同能量自由载荷下的表面压力分布及果肉组织损伤的临界能量值，得到了损伤表面和损伤体积间的关系，确定了苹果在自由落体冲击载荷下的抗损伤特性和损伤阈值，但未考虑碰撞表面缓冲材料对试验结果的影响。STROPEK等[15]对梨的损伤敏感性和能量损耗进行分析发现，随着梨下落速度的增加两者均增加。KOMARNICKI等[16]提出了一种评定‘嘎啦’苹果抗损伤性和损伤阈值的方法，得出抗损伤指数可作为不同跌落高度下损伤体积与防撞保护层间表面压力关系的评价指标。卢立新等[17-19]针对苹果的机械损伤与冲击力学，开展了不同条件下的跌落试验，分析了苹果跌落过程中冲击力学特性，得出了跌落损伤脆值与损伤边界的新概念，但其未对缓冲防撞层的影响进行研究。李小昱等[20]针对苹果机械损伤应力松弛特性，进行了损伤体积影响因素的研究，提出当变形量超出临界变形值时便产生机械损伤。基于此，本研究以苹果落入果箱时撞击力及损伤体积为试验指标，在苹果撞击力测试试验台上模拟果园实际采摘工况，以管道内衬种类、内衬厚度、防撞垫厚度为影响因素，对苹果进行跌落试验，分析各因素对试验指标的影响，寻求苹果低损输送的最优参数组合，为苹果采摘管道输送装置的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用苹果为‘富士’鲜果，产自河北省保定市顺平县，无病虫害与腐烂损伤，果形正常，无畸形果，果径80～90 mm，单果质量200～280 g，数量200个。试验前，将苹果的果柄剪掉，防止试验时果柄划伤苹果，影响试验数据的准确性。

1.2 试验仪器与装置

试验台（图1）主要由台架、输送管道和撞击力测试装置组成。台架包括管道支架、试验底座和苹果损伤观测台，其中：管道支架可支撑输送管道正常工作，试验底座用于固定数显推拉力计及防止苹果滚落，底座上方设有防撞垫，苹果损伤观测台用于放置撞击后的苹果，并进行损伤体积的测量。设有内衬的输送管道内径为90 mm，内衬材料为气泡膜、珍珠棉和海绵。撞击力测试装置由SL-500型数显推拉力计（测量精度为0.1 N，广东省东莞市三量量具有限公司生产）和笔记本电脑等组成。

图1

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图1   撞击力测试试验台

1：输送管道；2：管道内衬；3：‘富士’苹果；4：防撞垫；5：数显推拉力计；6：试验底座；7：电脑；8：苹果损伤观测台；9：台架。

Fig. 1   Impact force test bench

1: Transportation pipeline; 2: Pipeline lining; 3: 'Fuji' apple; 4: Crash pad; 5: Digital display push-pull meter; 6: Test base; 7: Computer; 8: Apple damage observation platform; 9: Bench.


1.3 苹果受力分析

1.3.1 苹果在输送管道内受力分析

将苹果视为球体，输送管道内设有内衬保护层，当苹果在管道内输送时，由于重力作用挤压管道内衬，使接触处前方的内衬保护层堆积隆起，形成减缓苹果滚动的支撑力FN与摩擦力f（图2）。苹果输送时的受力公式如下：

Gsinθ－FNsinβ－fcosβ=ma;
FN=Gsinθsinβ+Gcosθcosβ;
f=uFN.

式中：G为苹果所受的重力，N；FN为隆起后的内衬对苹果的支撑力，N；f为输送管道与苹果间的摩擦力，N；m为苹果的质量，kg；a为苹果由管道输送后的加速度，m/s2；θ为输送管道与地面间的夹角，（°）；β为摩擦力与输送管道壁间的夹角，（°）；u为输送管道内衬材料的摩擦系数。

图2

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图2   苹果输送过程中的受力分析

1：苹果；2：管道内衬；G：苹果所受的重力；FN：隆起后的内衬对苹果的支撑力；f：输送管道与苹果间的摩擦力；β：摩擦力与输送管道壁间的夹角；θ：输送管道与地面间的夹角。

Fig. 2   Force analysis of apples during transportation

1: Apple; 2: Pipeline lining; G: Apple gravity; FN: Supporting force of the raised lining on the apple; f: Friction between the transportation pipeline and the apple; β: Angle between the friction and the transportation pipe wall; θ: Angle between the transportation pipeline and the ground.


1.3.2 苹果落入果箱时受力分析

苹果由管道输送后，以一定的初速度及加速度倾斜撞击到果箱内的防撞垫上，防撞垫与苹果接触处的前方会向上隆起，并且反作用给苹果一个倾斜向上的支持力，使苹果成功下落到果箱内，而防撞垫的厚度对隆起高度有直接的影响。苹果落入果箱时的受力如图3所示，相关公式[8]如下：

图3

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图3   苹果落入果箱时的受力分析

1：初始位置的苹果；2：落在防撞垫上的苹果；3：防撞垫；a：苹果由管道输送后的加速度；G：苹果所受的重力；FN1：隆起后的防撞垫对苹果的支撑力；θ：输送管道与地面间的夹角。

Fig. 3   Force analysis of apples when falling into the fruit box

1: Apple in the initial position; 2: Apple falling on the crash pad; 3: Crash pad; a: Apple acceleration after pipeline transportation; G: Apple gravity; FN1: Supporting force of the raised crash pad on the apple; θ: Angle between the transportation pipeline and the ground.


FN1－Gsinθ=ma;
v0+a×Δt=v.

式中：FN1为隆起后的防撞垫对苹果的支撑力，N；v0为苹果输送到管道出口时的初速度，m/s；v为苹果落入果箱时的速度，m/s；Δt为苹果由管道出口落到果箱内的时间，s。

1.4 试验设计
1.4.1 单因素试验设计

影响苹果落入果箱时的撞击力及损伤体积的主要因素有：管道入口高度、管道倾角、管道内衬种类、内衬厚度、防撞垫厚度。由于工人可在地面上采摘低层苹果，而对于高层（2～4 m）苹果，需要登梯爬高辅助采摘，人手最大操作范围是0.77～2.01 m[21]，因此，将管道入口高度设置为3 m。现代苹果园果树行距为4 m[22]，果箱位于两树之间，输送管道出口与入口的水平距离为2 m，计算得到管道倾角为56.3°。参考前人研究[23]，选择缓冲效果较好的硅橡胶材料作为防撞垫。因此，本研究以输送管道的内衬种类、内衬厚度及防撞垫厚度作为试验影响因素。

以苹果落入果箱时的撞击力和损伤体积为响应指标，分别进行单因素试验。为保证试验结果的准确性，每组试验重复3次，取平均值。内衬种类选取市面上常见的气泡膜、珍珠棉和海绵（图4），在进行其他单因素试验时，内衬种类设定为对果实保护效果较好的珍珠棉[24]。内衬厚度增加会导致输送管道直径变大，选取市场上常见的内衬厚度3、5、8、10 mm，在进行其他单因素试验时，内衬厚度设定为5 mm。在前人研究[23]的基础上，选取市场上常见的防撞垫厚度2、4、6、8 mm，在进行其他单因素试验时，防撞垫厚度设定为中间水平4 mm。

图4

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图4   内衬材料种类

A.气泡膜；B.珍珠棉；C.海绵。

Fig. 4   Types of lining materials

A. Bubble film; B. Pearl cotton; C. Sponge.


1.4.2 响应面试验设计

根据单因素试验结果，确定响应面试验中各因素的水平。为了减少试验次数，利用Design-Expert 12.0软件的Box-Behnken模块设计3因素3水平试验方案，试验因素和水平编码如表1所示。

表1   试验因素和水平编码

Table 1  Code of test factors and levels

水平Level试验因素 Test factor

X1内衬种类

Lining type

X2内衬厚度

Lining thickness/

mm

X3防撞垫厚度

Crash pad thickness/

mm

－1

气泡膜

Bubble film

54
0

珍珠棉

Pearl cotton

86
1海绵 Sponge108

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1.5 试验指标测定

1）苹果撞击力的测定。设置数显推拉力计为峰值模式，待各参数均达到设定值并保持稳定后开始试验，每组试验选取10个新鲜的‘富士’苹果。苹果由管道入口自由下落，经过管道内衬的缓冲输送后落在试验底座的防撞垫上，用数显推拉力计测量出苹果的瞬时最大撞击力，通过电脑显示和统计撞击力峰值，并生成撞击力变化曲线。

2）苹果损伤体积的测定。苹果损伤体积的测定参考单明彻等[25]的测定方法，试验结束后，将苹果在室温条件下放置24 h，待苹果损伤组织颜色变褐后，将变褐处果皮水平切开（即横切，图5A），去掉损伤处的果皮，露出损伤处果肉，利用GD110640型游标卡尺（精度为0.02 mm）测量损伤表面的长轴与短轴，然后在损伤中心处将苹果沿着花-茎轴方向垂直切开（即纵切，图5B），测量损伤深度及苹果果皮表面到损伤顶部的距离。

图5

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图5   苹果损伤测试示意图

A.苹果损伤横切图；B.苹果损伤纵切图。ω1：损伤表面的长轴；ω2：损伤表面的短轴；d1：损伤深度；d2：果皮表面到损伤顶部的距离。

Fig. 5   Schematic diagram of apple damage test

A. Cross section of apple damage; B. Longitudinal section of apple damage. ω1: Long axis of the damaged surface; ω2: Short axis of the damaged surface; d1: Damage depth; d2: Distance from the peel surface to the top of the damage.


结合胡广锐等[26]与KOMARNICKI等[27]的研究，归纳出苹果损伤体积的计算公式：

V=π24D－D2－ω1ω22⋅2D+D2－ω1ω2+d1－d2⋅3ω1ω2+4d1－d22.

式中：V为苹果损伤体积，mm3；D为苹果的平均直径，为赤道区域横截面按间隔120°测量3次的平均值，mm；ω1为苹果损伤表面的长轴，mm；ω2为苹果损伤表面的短轴，mm；d1为苹果损伤深度，mm；d2为苹果果皮表面到损伤顶部的距离，mm。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 管道内衬材料对苹果管道输送的影响

由表2可知，内衬材料种类对苹果撞击力和损伤体积影响极显著。在内衬材料厚度为5 mm，防撞垫厚度为4 mm的条件下，随着内衬材料种类的改变，苹果受到的撞击力与损伤体积也随之改变。对于撞击力，珍珠棉与海绵材料对撞击力的减缓效果相对较好，缓冲后撞击力均为10.96 N；对于损伤体积，珍珠棉材料作为管道内衬时，苹果的损伤体积相对较小，为1 127.79 mm3。综上所述，珍珠棉材料内衬对苹果的保护作用最好。选取气泡膜、珍珠棉、海绵进一步进行响应面试验。

表2   内衬种类对苹果管道输送参数的影响

Table 2  Effects of lining types on apple pipeline transportation parameters

内衬种类

Lining type

撞击力

Impact force/N

损伤体积

Damage volume/mm3

气泡膜 Bubble film12.641 435.25
珍珠棉 Pearl cotton10.961 127.79
海绵 Sponge10.961 222.56
P值 P value0.003**＜0.001**
F值 F value18.5978.16

**表示极显著相关。F为方差统计量，F值越大，效果越明显。下同。

Double asterisks (**) indicate extremely significant correlation. F is the statistic of variance. The larger the F value is, the more obvious the effect is. The same as below.

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2.1.2 管道内衬厚度对苹果管道输送的影响

由表3可知，内衬厚度对苹果撞击力和损伤体积影响极显著。在内衬材料种类为珍珠棉，防撞垫厚度为4 mm的条件下，随着内衬厚度的增加，苹果受到的撞击力和损伤体积逐渐减小。内衬厚度为5～10 mm时，撞击力和损伤体积相对更小，变化相对平稳，对苹果的保护作用更好。综上所述，选取管道内衬厚度为5、8、10 mm进一步进行响应面试验。

表3   内衬厚度对苹果管道输送参数的影响

Table 3  Effects of lining thickness on apple pipeline trans- portation parameters

内衬厚度

Lining thickness/mm

撞击力

Impact force/N

损伤体积

Damage volume/mm3

315.071 556.60
510.961 127.80
87.68850.03
106.23669.89
P值 P value＜0.001**＜0.001**
F值 F value398.15520.39

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2.1.3 防撞垫厚度对苹果管道输送的影响

由表4可知，防撞垫厚度对苹果撞击力和损伤体积影响极显著。在内衬材料种类为珍珠棉，内衬材料厚度为5 mm的条件下，随着防撞垫厚度的增加，苹果受到的撞击力和损伤体积逐渐减小。防撞垫厚度为4～8 mm时，撞击力和损伤体积相对更小，变化相对平稳，对苹果的保护作用更好。综上所述，选取防撞垫厚度为4、6、8 mm进一步进行响应面试验。

表4   防撞垫厚度对苹果管道输送参数的影响

Table 4  Effects of crash pad thickness on apple pipeline transportation parameters

防撞垫厚度

Crash pad thickness/mm

撞击力

Impact force/N

损伤体积

Damage volume/mm3

212.761 471.05
410.961 127.79
610.19949.10
88.71772.53
P值 P value＜0.001**＜0.001**
F值 F value72.11342.08

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2.2 响应面试验结果与分析
2.2.1 响应面试验结果

响应面试验方案及结果如表5所示。利用Design-Expert 12.0软件对管道内衬材料（X1）、内衬厚度（X2，mm）、防撞垫厚度（X3，mm）进行回归拟合，分别得到苹果落入果箱时的撞击力（Y1，N）和损伤体积（Y2，mm3）的二次多项式回归拟合模型：

Y1=7.82+0.29X1－2.52X2－1.29X3+0.14X1X2－0.20X1X3+0.12X2X3+1.26X12+0.89X22+0.20X32;
Y2=648.66+75.38X1－356.51X2－211.36X3+40.90X1X2－10.46X1X3+37.81X2X3+259.47X12+173.67X22+5.68X32.

表5   响应面试验方案及结果

Table 5  Schemes and results of the response surface test

试验序号

Test number

试验因素 Test factor响应值 Response value
X1X2X3

Y1撞击力

Impact force/N

Y2损伤体积

Damage volume/mm3

1－1－1012.361 416.88
21－1012.681 438.65
3－1106.98643.17
41107.84828.53
5－10－110.121 010.21
610－111.081 229.07
7－1017.88619.47
81018.04796.50
90－1－112.781 449.77
1001－17.56640.03
110－1110.02940.36
120115.30281.88
130007.86634.72
140007.88675.11
150007.76622.81
160007.68650.61
170007.92660.07

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2.2.2 方差分析

对响应面试验的回归模型进行方差分析（表6）可知：苹果落入果箱时的撞击力Y1和损伤体积Y2的二次回归模型P值＜0.000 1，表明2个模型极显著；失拟项P值分别为0.623 5和0.093 4（均大于0.05），说明失拟项不显著，试验误差小，2个模型的二次回归方程与实际相吻合，可预测本试验条件下内衬材料、内衬厚度和防撞垫厚度对撞击力与损伤体积的影响。此外，2个模型的决定系数（R2）分别为0.989 2和0.986 1（接近1），修正决定系数（R2Adj）分别为0.998 3和0.991 ‍1（接近1），表明回归方程拟合良好，模型可靠。

表6   回归模型的方差分析

Table 6  Analysis of variance of regression model

参量 ParameterY1撞击力 Impact forceY2损伤体积 Damage volume
F值 F valueP值 P valueF值 F valueP值 P value
模型 Model1 034.64＜0.000 1**199.42＜0.000 1**
X181.06＜0.000 1**43.680.000 3**
X26 228.06＜0.000 1**977.01＜0.000 1**
X31 625.72＜0.000 1**343.40＜0.000 1**
X1X28.940.020 2*6.430.038 9*
X1X319.610.003 0**0.420.537 5
X2X37.660.027 8*5.500.051 5
X12812.99＜0.000 1**272.39＜0.000 1**
X22408.86＜0.000 1**122.03＜0.000 1**
X3221.690.002 3**0.130.728 7
失拟项 Lack of fit0.649 30.623 54.393 30.093 4

*表示显著相关；**表示极显著相关。

Single asterisk (*) indicates significant correlation, and double asterisks (**) indicate extremely significant correlation.

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对于撞击力Y1，X1、X2、X3、X1X3、X12、X22、X32的P值均小于0.01，为极显著；X1X2、X2X3的P值均在0.01与0.05之间，为显著（表6）。说明管道内衬种类、内衬厚度及防撞垫厚度对撞击力有极显著的影响，其中，内衬种类与防撞垫厚度存在极显著的交互作用，其余各项存在显著的交互作用，二次项X12、X22、X32对撞击力的影响均达到极显著水平。

对于损伤体积Y2，X1、X2、X3、X12、X22的P值均小于0.01，为极显著；X1X2的P值在0.01与0.05之间，为显著；X1X3、X2X3、X32的P值均大于0.05，为不显著（表6）。说明管道内衬种类、内衬厚度及防撞垫厚度对苹果损伤体积有极显著的影响，其中，二次项X12、X22对苹果损伤体积的影响均达到极显著水平，内衬种类与内衬厚度存在显著的交互作用。根据以上方差分析结果，剔除二次多项式回归拟合模型中的不显著项，保留显著项（P＜0.05），将式（8）简化为式（9）：

Y2=648.66+75.38X1－356.51X2－211.36X3+40.90X1X2+259.47X12+173.67X22.
2.2.3 响应面分析

绘制响应曲面图，各因素交互作用对撞击力Y1和损伤体积Y2的影响分别如图6和图7所示。

图6

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图6   各因素交互作用对苹果撞击力的影响

A. X1=0；B. X2=0；C. X3=0。图7同。

Fig. 6   Effects of interaction of various factors on impact force of apple

A. X1=0; B. X2=0; C. X3=0. The same as Fig. 7.


图7

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图7   各因素交互作用对苹果损伤体积的影响

Fig. 7   Effects of interaction of various factors on damage volume of apple


当管道内衬材料为珍珠棉（位于中心水平）时，撞击力和苹果损伤体积均随管道内衬厚度的增大而减小，随防撞垫厚度的增大而减小，其中，管道内衬厚度对两者的影响相对更显著（图6A、图7A）。当管道内衬厚度为8 mm（位于中心水平）时，撞击力和苹果损伤体积均随内衬种类编码值的增大先减小后增大，随防撞垫厚度的增大而减小，其中，防撞垫厚度对两者的影响更为显著（图6B、图7B）。当防撞垫厚度为6 mm（位于中心水平）时，撞击力和苹果损伤体积均随内衬种类编码值的增大先减小后增大，随内衬厚度的增大而减小，其中，内衬厚度对两者的影响更为显著（图6C、图7C）。由图6与图7分析可知，各因素对响应面的影响规律与二次多项式回归拟合模型方差分析的结果基本一致。

2.2.4 试验参数优化与验证

为获得苹果管道输送装置的最佳参数组合，使其发挥较优的工作性能，运用Design-Expert 12.0软件的优化分析功能，在3因素3水平试验的基础上，得出苹果管道输送的最优编码组合为内衬种类 －0.156，内衬厚度1，防撞垫厚度1，此时的撞击力为5.23 N，苹果损伤体积为287.77 mm3。各因素编码值对应的实际值如下：内衬种类为珍珠棉（以编码值－0.156近似为0换算所得），内衬厚度为10 mm，防撞垫厚度为8 mm。

按照前述方法对较优参数组合进行重复试验验证，试验分3组，每组10个苹果，结果取平均值。苹果经无内衬、无防撞垫的管道输送与较优参数组合下管道输送的对比如图8所示。结果表明，在上述较优参数组合下，苹果落入果箱时的平均撞击力为5.48 N，平均损伤体积为301.12 mm3。对比预测值与实际试验值，撞击力的误差为4.56%，损伤体积的误差为4.43%，均在5%以内，说明预测模型可靠，得到的较优组合满足实际要求。

图8

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图8   苹果损伤对比图

A.苹果经无缓冲输送后的损伤；B.苹果经缓冲输送后的损伤。

Fig. 8   Comparison diagram of apple damage

A. Damage of apples after non-buffering transportation; B. Damage of apples after buffering transportation.


综上所述，考虑试验误差的影响，苹果管道输送装置的最佳参数组合如下：管道内衬材料为珍珠棉，内衬厚度为10 mm，防撞垫厚度为8 mm。在该最佳参数组合条件下，苹果受到的撞击力为4.99～5.47 N，损伤体积为275.02～300.52 mm3。

3 讨论

由苹果在输送管道内受力分析可知，随着苹果前方内衬隆起的变高，摩擦力与管道壁间夹角逐渐变大，驱使苹果斜向下滚动的合力逐渐变小，苹果滚动速度逐渐变慢，输送管道对苹果的缓冲保护作用逐渐变好。不同材料及厚度的管道内衬隆起程度存在差异，对苹果的保护作用不同。由苹果落入果箱时的受力分析可知，在一定范围内，防撞垫厚度越厚，苹果撞击后隆起越高，对苹果的缓冲效果越好，苹果被反弹后的二次碰撞就越小，苹果受到的损伤也就越小。以苹果落入果箱时的撞击力和损伤体积为评价指标，利用控制变量法分析可知：在同等条件下，撞击力越小，苹果受到的保护作用越好；损伤体积越小，苹果损伤也就越小。

输送管道内衬种类为珍珠棉时，对苹果的缓冲保护效果最好，与已有研究[28-29]中珍珠棉衬垫能保持水果较高的硬度、减小果实损伤、减轻果实褐变的结论相符。这是因为珍珠棉具有高强度缓冲吸振、抗震能力，而且该材料柔软，有弹性[30]。气泡膜与海绵的密度低于珍珠棉，在缓冲抗震效果上稍差于珍珠棉。

内衬厚度为10 mm时，对苹果的缓冲保护效果最好，与李萌等[31]得到的缓冲材料厚度越高，产品的跌落加速度越小、缓冲效果越好的结论相符。这是由于苹果为不规则的球形，在管道内输送时，苹果上凸起的部分会优先受到管壁的磕碰，当管道内设有内衬材料时，凸起部分便会陷入内衬材料，减少与管壁间的碰撞，因此，随着内衬材料厚度的增加，缓冲效果逐渐提高，但内衬材料过厚，会使管道直径过大，影响工作的舒适性。

防撞垫厚度为8 mm时，对苹果的缓冲保护效果最好。这是由于苹果经管道输送后具有一定的初速度和加速度，若直接落入果箱会造成二次碰撞，而在管道出口下方设置防撞垫可对苹果落入果箱时起到缓冲作用，且随着防撞垫厚度的增加，苹果落在防撞垫上陷入的深度越深，对苹果的缓冲作用也就越好。

总之，本研究提出的苹果管道输送装置参数优化方法可靠，试验步骤可控，对苹果采摘管道输送装置的研发具有重要意义。

4 结论

1）本研究设计了苹果撞击力与损伤体积测试试验台，阐述了其结构与工作原理。通过分析苹果输送后各因素对试验指标的影响，确定了苹果管道输送的最优参数组合。

2）通过单因素试验确定了各因素的较优水平范围：内衬材料种类为气泡膜、珍珠棉、海绵；内衬厚度为5、8、10 mm；防撞垫厚度为4、6、8 mm。确定了各单因素与撞击力及损伤体积的关系：珍珠棉作为内衬材料对苹果的保护作用相对较好，苹果落入果箱时的撞击力和损伤体积均分别随内衬厚度和防撞垫厚度的增加呈逐渐减小的趋势。

3）设计了以管道内衬种类、内衬厚度、防撞垫厚度为试验因素，以苹果落入果箱时的撞击力与损伤体积为响应值的3因素3水平的响应面试验，得到最优输送参数组合：管道内衬种类为珍珠棉，内衬厚度为10 mm，防撞垫厚度为8 mm。在此条件下，撞击力为4.99～5.47 N，损伤体积为275.02～300.52 mm3。响应面试验所得结果与验证试验结果的误差值均在5%以内，表明所得的模型拟合程度较好，结果可靠。

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