食用玫瑰花瓣相关力学参数测定

食用玫瑰花瓣相关力学参数测定
发布时间：2021-06-28T07:34:40.500Z 来源：《现代电信科技》2021年第3期作者：严跃拨1 尹志宏1 牛宪伟2 勾富强1
[导读] 为探究食用玫瑰花瓣在初分选过程中的运动状态以及对初分选设备的性能优化，需要确定玫瑰花瓣物料的基本物理参数及力学参数。

本文根据食用玫瑰花瓣基本结构特征，通过搭建实验平台测出花瓣的静摩擦系数。

（1.昆明理工大学机电工程学院云南昆明 650500；2.腾翎机械科技（云南）有限公司云南昆明 650500）
摘要：为探究食用玫瑰花瓣在初分选过程中的运动状态以及对初分选设备的性能优化，需要确定玫瑰花瓣物料的基本物理参数及力学参数。

本文根据食用玫瑰花瓣基本结构特征，通过搭建实验平台测出花瓣的静摩擦系数。

使用UTM 4254型电子万能试验机依据GB/T 1040拉伸试验测量标准进行测定，试验得到食用玫瑰花瓣的平均最大拉伸载荷、拉伸位移量以及弹性模量等相关力学参数。

关键词：食用玫瑰花瓣；参数测定；拉伸试验
Determination of related mechanical parameters of edible rose petals
Yan Yuebo1，Yin Zhihong1，Niu Xianwei2，Gou Fuqiang1
（1. Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，
Kunming 650500；2. Tengling Machinery Technology（Yunnan）Co.，Ltd.，Kunming 650500）
Abstract：In order to explore the movement state of edible rose petals in the preliminary sorting process and optimize the performance of the preliminary sorting equipment，it is necessary to determine the basic physical and mechanical parameters of rose petals material. According to the basic structural characteristics of edible rose petals，the static friction coefficient of petals was measured by building an experimental platform. Using UTM 4254 electronic universal testing machine according to GB/T 1040 tensile test measurement standard，the average maximum tensile load，tensile displacement and elastic modulus of edible rose petals were obtained.
Keywords：Edible rose petals；Parameter determination；Tensile test
食用玫瑰具有较高的观赏价值、食用、药用、营养保健和美容价值，在食品工业、医药及日用化工领域发挥着重要的作用[1]。

随着我国工业技术的迅猛发展，食用玫瑰花的产品加工技术日渐形成机械化产业链。

食用玫瑰在初分选过程中，涉及打散、除杂以及清洗、脱水等处理工艺[2，3]，为提高初分选设备的工作效率及工作质量，需要对设计的食用玫瑰花瓣工艺设备进行虚拟仿真试验，通过仿真能快速完成对结构参数及动力参数的优化与改进。

然而，目前针对食用玫瑰花瓣基本物料参数的研究趋于空白，相关的力学特性试验还未开展。

目前，由于食品加工机械设备的不断需求，我国已有诸多学者根据研究需要针对多种不同物料进行相关的力学特性研究，如对苜蓿[4]、黄茅[5]等根系类，玉米秸秆[6，7]、水稻[8]、豌豆[9]、油菜[10]、王草[11]以及鲜香菇菇柄[12]等茎秆类以及烟叶[13]、甘蔗叶[14]等叶片类的相关研究。

其试验方法基本一致，即针对不同研究对象进行搭建试验平台研究其力学特性。

基于目前食用玫瑰花瓣相关物料参数与力学特性研究空白，本文通过对食用玫瑰花瓣基本物理参数进行测量，并通过拉伸试验，研究其相关的力学性能，从而为食用玫瑰花瓣初分选加工设备的仿真优化提供数据支持。

1食用玫瑰花瓣静摩擦系数测量
1.1实验原理与方法
斜面法是测量静摩擦角[15]的常用方法，由库伦定律可知，静摩擦系数等于静摩擦力与法向压力的比值。

因此将食用玫瑰花瓣置于倾角为的斜面上，不考虑空气阻力等其他因素，根据受力分析，可知食用玫瑰花瓣静摩擦系数与倾斜角的关系为：
根据静摩擦角测量原理，参照测定标准《GB/T 10006-1988塑料和薄片摩擦系数测定方法》，采用斜面法进行测量，实验装置结构示意图如图1所示，电机驱动丝杠旋转时，不锈钢平面板将缓慢提升斜面高度，当食用玫瑰花瓣发生滑动或者有沿斜面滑动趋势时，记录斜面倾角，该倾角即为静摩擦角。

测量平台上精度为0.1°的数显角度仪通过磁性贴在不锈钢板上。

1.2实验结果与分析
由于食用玫瑰花瓣的基本尺寸大小不一，为避免测量时出现较大误差。

因此选取大小不一的玫瑰花瓣分为A、B、C三个等级，正反面摆放如图2所示。

食用玫瑰花瓣正面摆放时，与不锈钢板接触点主要是花瓣根部和花瓣末端部；反面摆放时，与
图1 实验装置结构示意图
Fig. 1structure diagram of experimental device
图2 食用玫瑰花瓣摆放示意图
Fig. 2 Schematic diagram of edible rose petals placement
不锈钢板接触位置主要是宽度尺寸两端点部分。

将单片食用玫瑰花瓣置于不锈钢板斜面上，通过调节斜面高度，当食用玫瑰花瓣发生滑动或者相对滑动时，在数显角度仪上读出斜面倾角并记录。

同理，测量玫瑰花瓣与花瓣之间的静摩擦系数时，将玫瑰花瓣颗粒群均匀铺在斜面上，当食用玫瑰花瓣群发生滑动或者相对滑动时，在数显角度仪上读出斜面倾角并记录。

食用玫瑰花瓣-食用玫瑰花瓣静摩擦系数测量结果如表1所示，食用玫瑰花瓣-不锈钢静摩擦系数测量结果如图3所示。

根据表1及图3数据显示，食用玫瑰花瓣与不锈钢板间静摩擦系数为0.487，食用玫瑰花瓣与食用玫瑰花瓣静摩擦系数为0.453。

图3 食用玫瑰花瓣与不锈钢板间静摩擦角正太分布图
Fig. 3 distribution of static friction angle between rose petal particles and stainless steel plate
2食用玫瑰花瓣拉伸试验研究
本次对于食用玫瑰力学性能的测量实验依据标准《GB/T 1040塑料和复合材料拉伸强度、拉伸模量和应力—应变关系的测定方法》进行试验。

由于食用玫瑰花瓣是不规则形状的生物材料，材质轻薄呈片状，若考虑所有影响因素则会导致实验变得相当复杂，通过考虑实验过程的可操作性与合理性，本文对食用玫瑰花瓣物料提出以下几点假设：①假设同一种植基地的食用玫瑰材料属性相同；②假设被裁剪后的玫瑰花瓣断裂截面在拉力的垂直面上投影为长方形截面；③假设同一片食用玫瑰的厚度相同，且裁剪过后的样品花瓣表面为一平面。

2.1实验设备及测试材料
使用UTM4254型电子万能试验机，该试验机主要由上下楔形夹具、液压驱动系统和数据处理器组成。

力传感器量程为25kN，力传感器相对误差小于±0.21%，位移相对误差为±0.13%，测试环境温度和湿度分别为 25℃和70%。

测试材料选取新鲜花瓣，花朵饱满，颜色鲜艳，无病虫害。

为使实验步骤简化方便，将待测试的玫瑰花瓣均裁剪为的长方形小片以作测试样品，由于花瓣材料柔软脆弱在测试过程中极易断裂，为了防止在装夹时试样损伤，将使用的长方形折叠纸条保护花瓣两端夹持部分，如图4所示。

由于食用玫瑰花瓣表面存在纹理特征，其横向拉伸
Fig.4 sample of edible rose petals after treatment
断裂与纵向拉伸断裂所能承受的最大载荷力存在差异。

因此，分别裁剪花瓣横向与纵向两不同方向区域上的花瓣，且两组试样长宽大小一致。

试样A为纵向拉伸样品，试样B为横向拉伸样品。

2.2测量原理
杨氏模量是应力与应变的比值，描述固体材料抵抗形变能力的物理量。

应力指的是材料单位面积上承受的力的大小，应变是指材料在外力的作用下，几何尺寸的变化量，即材料单位长度对应的伸长量大小。

基本计算公式如下：
其中：E为杨氏模量，单位；为应力，单位，，F为花瓣所受的拉力（N），A为花瓣样品横截面面积（mm2）；为应变，，为样品受拉力后的变化量，L为样品的原始长度。

2.3测量方法
将制作好的长方形玫瑰花瓣样品的两端加持在电子万能试验机的夹头之间，并始终保持样品与水平面垂直，如图5所示。

花瓣样品安装在试验机的夹持装置上，根据要做试验的执行标准设置试验方案，将试验机初始化后开始运行。

试验机通过载荷传感器和光电编码器分别将拉伸载荷和位移变量传递给计算机主机，直至试样被拉断时测出最大拉应力。

试验过程中设置加载速度为2，预加载荷20N，观察试样断裂位置。

当断裂处不在上下夹具夹持范围及边缘时，定为试验成功。

计算机实时记录力－位移变化图像，各点的力和位移大小均以电子表格文件保存在计算机中。

2.4实验结果及分析
根据试验结果得知，食用玫瑰花瓣能够承受的
Fig. 6 Experimental instrument white noise 临界力非常小，通常在1~3N时就会出现断裂现象。

在使用电子万能试验仪对其进行测量时，设备空转运行时的振动会造成的白噪声误差值，如图6所示。

该误差值会对花瓣的力学曲线造成较大影响，因此采用MATLAB软件调用小波去噪函数对实验结果数据进行去噪处理。

采用启发式软阈值、根据第一层系数进行噪声层的估计调整阈值的选择，对原始数据计算并获得去噪后的力-位移图像，如图7所示。

通过多层小波分解的去噪图像，在第三层小波分解后食用玫瑰花瓣力-位移图像仍保持良好的不失真效果。

由此以第三层小波分解的图像数据为对象，得到试样A食用玫瑰花瓣纵向拉伸力-位移曲线图，如图8所示。

试样B食用玫瑰花瓣纵向拉伸力-位移曲线图，如图9所示。

根据食用玫瑰花瓣拉伸试验测量数据以及拉伸试验力学参数，得到如表2所示的试样A拉伸试验结果和表3所示的试样B拉伸试验结果。

通过对表2表3数据的分析，得到食用玫瑰花瓣纵向拉伸方向上平均最大拉伸载荷为2.188N，断裂处的横截面积为4mm2，平均最大拉伸位移量为1.505，弹性模量在6~10，平均弹性模量为7.747MPa，花瓣断裂位置距离上夹头底端长度平均值为10.03。

食用玫瑰花瓣在横向拉伸方向上平均最大拉伸载荷为1.046N，断裂处的横截面积为4mm2，平均最大拉伸位移量为1.978，平均弹性模量为2.647MPa，花瓣断裂位置距离上夹头底端长度平均值为11.06。

3结论
本文通过对食用玫瑰花瓣的相关力学性能进行试验测量，测量结果显示：食用玫瑰花瓣与不锈钢板间静摩擦系数为0.487，食用玫瑰花瓣与花瓣间静摩擦系数为0.453。

通过食用玫瑰花瓣试件横向与纵向拉伸试验结果数据的对比，可以清晰的看出食用玫瑰花瓣能够承受的拉力范围在1~3 N，且玫瑰花瓣横向方向上比纵向方向上更加容易断裂。

这为食用玫瑰花瓣初分选加工设备的设计及仿真优化提供一定的理论依据。

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作者简介：严跃拨（1994-），男，硕士研究生，研究方向：机械动力学。

尹志宏（通信作者）（1962-），教授，研究方向：机械动力学。