日本包装学会誌 Vol.21 No.2（2012）

一般論文～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～

蓄積疲労を考慮した青果物のための新たな損傷予測理論の構築（第 1 報）
－繰り返し衝撃によるイチゴの損傷発生－
北 澤裕 明*、佐 藤達 雄**、長谷川 奈緒子*、李艶 傑***、石 川豊*Construction of a New Damage Estimation Theory for Fresh Producewith Consideration of Cumulative Fatigue1.
Damage Occurrence in Strawberry Subjected to Repetitive ShockHiroaki KITAZAWA*, Tatsuo SATO**, Naoko HASEGAWA*,Yanjie LI*** and Yutaka ISHIKAWA*
衝撃による青果物の損傷予測において、任意の衝撃加速度（Acc）と、これに対応する損傷度（D）との関係を S-N曲線を応用することにより示すモデルが提案されている。このモデルでは衝撃印加時において Acc と対になる速度変化（Vc）が異なることにより、衝撃１回当たりの D が変化することが想定される。多様な包装および輸送条件に対応した損傷予測モデルを構築するためには、Vc と Acc の組み合わせと D との関係を明らかにする必要がある。そこで、種々の落下高さと緩衝材の組み合わせにより何パターンかの Vc と Acc の組み合わせを作成し、それらの違いがイチゴ果実の損傷発生に及ぼす影響を調査した。その結果、Vc と Acc の組み合わせにより、衝撃 1 回あたりの D が変化することが明らかとなった。この結果に基づき、Vc および Acc を考慮した、繰り返し衝撃による青果物の損傷発生を予測する理論の構築を進める。

For the estimation of damage to fresh produce subjected to shock, a model has been proposed to demonstrate therelationship between shock acceleration (Acc) and the damage degree (D) for each instance of shock by applying the S-N
curve. In this model, it is assumed that D per one time of shock varies with the combination of velocity change (Vc) and Acc
under various shock conditions. Therefore, to construct a damage prediction model that can be fitted to various packing
and/or transportation conditions, it is necessary to clarify the relationship between D per one time of shock and thecombination of Vc and Acc. Accordingly, we investigated the effect of the combination of Vc and Acc on the damage
occurrence in strawberry subjected to several shock conditions by considering the combination of drop height andcushioning materials. Our results suggested that D per one time of shock varied with the combination of Vc and Acc. Basedon the result, our future research will focus on theory construction to predict the damage occurrence in fresh produce
subjected to repetitive shock, by considering Vc and Acc.
（独）農業・食品産業技術総合研究機構食品総合研究所, National Food Research Institute, NARO.
*連絡者(Corresponding author), 北澤裕明 (〒305-8642 茨城県つくば市観音台 2-1-12), National Food Research Institute,
NARO 2-1-12, Kan-nondai, Tsukuba, Ibaraki 305-8642, Japan
TEL:029-838-8037, FAX:029-838-7996, Email:ktz@affrc.go.jp**
茨城大学農学部附属フィールドサイエンス教育研究センター***
筑波大学大学院生命環境科学研究科－ 125 －蓄積疲労を考慮した青果物のための新たな損傷予測理論の構築（第 1 報）
－繰り返し衝撃によるイチゴの損傷発生－
キーワード：緩衝包装、損傷限界曲線（DBC）、衝撃、S-N 曲線、輸送
Keywords : Cushioning packaging, Damage boundary curve, Shock, S-N curve, Transportation

１． 緒言

装物に任意の衝撃が 1 回印加された際に、内容物が損傷するか、しないかは Vc と Acc の 2

近年の道路やトラックなどの輸送環境の改軸によって判定される（Fig. 1）。落下試験に

1）、2）にも関わらず、青果物の輸送中におけ代表される衝撃印加試験を通して、予め DBCる品質劣化は依然として大きな問題となってを作成し、損傷領域・非損傷領域を把握している。そのような品質劣化をもたらす大きなおけば、実輸送中に想定される衝撃環境にお要因としては振動・衝撃による機械的損傷がいて内容物が損傷するかしないか、あるいは挙げられる。そのため、振動・衝撃と損傷発緩衝材を使用すべきかどうかといったことを生との関わりについて多くの研究が行われて容易に判定することができる。さらに、中嶋

善

3）～6）

。振動による損傷発生に関しては、ら 10）、11）により、物品における部位ごとの強S-N 曲線（S-N Curve、以下 SNC）理論を応用度の違い、あるいは耐衝撃性のばらつきを考7）、8）、慮した改良型 DBC が提案されるなど、物品輸送中の損傷発生対策につながる理論構築がや輸送環境の実情を反映した改良も進んでお進みつつある。一方、青果物において衝撃にり、その理論の実用性は高まりつつある。

きた

した損傷予測モデルが提案されるなどよる損傷発生を予測するための有用な理論は構築されていない。
本研究では、青果物輸送中の繰り返し衝撃による損傷予測理論を構築するための基礎的知見を得るために、衝撃加速度（以下 Acc）、速度変化（以下 Vc）および衝撃繰り返し回数（以下 N）がイチゴ果実の損傷発生に及ぼす影響を調査した。

２． 理論

Fig. 1

DBC obtained as a relation between

Vc and Acc.

2.1. 損傷限界曲線（DBC）理論
ある物品に衝撃が加わった際に、物品が損

しかし、DBC は、1 回の衝撃により損傷す傷するかどうかを見積るために、Newton9）はるかしないかを判定するものであり、繰り返損傷限界曲線（Damage Boundary Curve、以下し衝撃により損傷、すなわち蓄積疲労によりDBC）理論を提唱した。これによると、被包損傷する物品には応用できない。工業製品の－ 126 －日本包装学会誌 Vol.21 No.2（2012）

包装設計を対象とし、損傷限界曲線の作成方法を取り扱う JIS Z0119:2002、7.2.3 手順 f には、

この式（2）より、損傷が発生する際の D は 1「損傷までの試験回数は、繰返し衝撃によるとなる。
一方、実輸送においては、緩衝材の有無も蓄積疲労を避けるため多くとも 5～6 回が望12）、蓄積疲労に含め様々な包装形態が用いられている。さらより破損する物品には、この理論が応用できに、衝撃の発生要因としては落下、打突などない懸念が示されている。

様々なものが想定される。従って、これらのましい。」と記載されており違いにより、物品が衝撃を受けた際に発生する Acc と Vc の組み合わせは多様であると考え

2.2 S-N 曲線（SNC）理論
一方、蓄積疲労により損傷する物品の損傷られる。しかし、式（1）からわかるように、発生を予測する理論として、Wöhler により見SNC では Acc と対となる Vc の影響を想定して出された物品の損傷発生における応力と応力いない。DBC 理論において、Acc が同一でも13）から、導出される

Vc が異なることにより損傷域・非損傷域が変

S-N 曲線を用いた SNC 理論がある。著者らは、化することを勘案すれば、Vc の変化により損

従来、青果物の振動による損傷発生予測に用傷発生までの N が変化することは容易に想像いられてきた SNC 理論を応用し、繰り返し衝され、繰り返し衝撃による損傷発生予測にお撃によるイチゴ果実の損傷発生を予測する方いて、SNC をそのまま用いて、汎用的な予測繰り返し回数との関係法を提案した 14）、15）。この理論によると、衝を行うことは困難であると考えられる（既報

撃加速度と果実に損傷が発生するまでの衝撃

14）、15）

繰り返し回数との関係は、以下の式で表され違いよる影響については、検討していない）。

では、包装形態の違いや衝撃発生要因のる。
2.3 蓄積疲労を考慮した DBC 理論
N=cG-b……（1）

ここまで、従来の DBC 理論では Vc の影響を考慮できるものの、N を定義することが困

ここで、N は損傷発生までの衝撃繰り返し難であること、逆に従来の SNC 理論では、N回数、G は Acc、c および b は定数である。まに影響を及ぼす、Vc の違いを考慮できないこ

た N 回の衝撃により果実が損傷する場合、1とを述べた。

-1回の衝撃により蓄積される損傷は N となる

一方、Burgess16）は、Fig. 2 に示すような、ことから、n 回の衝撃が繰り返された際の果DBC を提案している。この曲線により、Vc

実の損傷度（以下 D）は、以下の式で表すこの違いが N に及ぼす影響を定義することが可とができる。

能である。
D=nN-1……（2）－ 127 －

蓄積疲労を考慮した青果物のための新たな損傷予測理論の構築（第 1 報）
－繰り返し衝撃によるイチゴの損傷発生－損傷発生との関係を明確にできれば、輸送中の損傷発生の予測が高い精度で実施できるものと期待される。
実輸送中の損傷発生予測においては、任意の衝撃 1 回あたりの D を積算し、D=1 となる地点を予測することとなる 14）。そのため、Nよりも衝撃 1 回あたりの D に対応する Vc お
よび Acc を定義する必要がある。
以上の点を踏まえ、Fig. 3 に示す DBC を提Fig. 2 DBC considering cumulative fatigue.
Based on the figure in Burgess’s article16）.

案する。

しかし、この提案において Acc は一定となっている。これは疲労損傷を摩擦によりモデル化していることに起因しているが、実輸送においては Vc と Acc の組み合わせが多様となることは先に述べた通りであり、N に及ぼす Acc の影響についても併せて考慮されるべきである。Kipp17）は Fig. 2 の曲線に Acc の違いを加味した DBC を提案している。しかし彼が同時に、DBC はそもそもガラス製品など、Fig. 3 A newly proposed DBC for fresh produce.

1 回の衝撃で損傷するような物品を対象としていると述べている 17）ことからもわかるよ

３． 実験

うに、Vc、Acc および N の 3 点を考慮した上3.1 目的
2.4 で提案した DBC に基づく青果物の新で、物品の損傷限界を定義するといった検討は、これまでされてこなかった。

たな損傷限界理論を構築するための予備段階として、Acc と Vc の組み合わせによって2.4 青果物の損傷発生予測のための新たなDBC 理論の提案かを明らかにすることを目的とし、蓄積疲労

青果物においては、繰り返し衝撃による損傷発生が問題となることから実際に衝撃 1 回あたりの D が変化するかどう

14）、15）、18)、2.3 で述べた 3 点を考慮した損傷限界の定義が不可により損傷する物品の典型例であるイチゴ果実を用いて以下に示す評価試験を実施した。

欠であると考えられる。逆に、これらの点と－ 128 －日本包装学会誌 Vol.21 No.2（2012）

3.2 Acc、Vc および T の違いがイチゴ果実のVc の値が離れた組み合わせ、または、その逆に 1 と 2、3 と 6、7 と 9 および 8 と 11 のよう損傷発生に及ぼす影響
3.2.1 実験試料にピーク Acc の値は離れているが、Vc の値は茨城県内で生産され、2010 年 1～2 月に収近いといった組み合わせを中心に Table 2 に穫されたイチゴ‘とちおとめ’を用いた。傷示す 11 条件を抽出し、以下に述べる果実の落および変形があるものは除外し、着色程度 80下試験に供した。

～100%の果実を選んだ。これらの果実の、果実硬度計（KM-1、藤原製作所）により測定した果肉硬度（5 mm 径の円筒形プランジャー貫通時の最大抵抗力）は、約 6.1 N であった。
3.2.2 衝撃条件の作成対象とした包装形態は、国内におけるイチゴの流通において最も一般的なものとした。
すなわち果実をトレー（PET 樹脂製）内に 2段重ねて詰めたものである（Fig. 4）。果実数

Fig. 4は 20（上段：12、下段：8）とした。これを 2Strawberry in 2-layer packaging usedfor testing.

枚のアルミ板で固定し、Fig. 5 に示す装置を用いて落下させた。その際、落下高さおよび落下面に配置する緩衝材の物性を変えることにより、種々の Acc および Vc の組み合わせ条件の作成を試みた。供試した緩衝材の材質および物性値を Table 1 に示す。緩衝材の厚さはいずれも 10 mm とし、落下高さは 10、20、40、80 および 120 mm とした。その際、加速度センサー（2366W、昭和測器）をトレー内底面に両面テープで張り付け、Acc および Vcを計測した。計測したデータは振動・衝撃解析デバイス（SMH-12、 神栄テクノロジー）により収集し、振動衝撃解析ソフトウェア（SMS-500、神栄テクノロジー）を用いて解析した。この解析結果に基づき、1 と 7、5 とFig. 5 Drop test system for strawberrydamage estimation.
a, aluminium plates; b, urethane foam to
avoid rebound; c, strawberry-containing
package; d, cushioning material forcounter face; e, wood block; f, aluminium
plate; and g, rubber sheet.
Arrows indicate the drop direction.

6 と 9 のようにピーク Acc は近い値であるが－ 129 －

蓄積疲労を考慮した青果物のための新たな損傷予測理論の構築（第 1 報）
－繰り返し衝撃によるイチゴの損傷発生－

11 まで順に、18.7、20.7、10.0、9.0、7.0、9.0、3.2.3 果実の損傷評価
果実を詰めたトレーを Table 2 に示す各条

11.5、7.0、10.3、8.3 および 8.0 回であった。

件下において繰り返し落下させ、果実に損傷式（2）より算出される落下 1 回当たりの Dが発生するまでの N を調査した。トレー中は、それぞれ 0.05、0.05、0.10、0.11、0.14、85%（17 個）の果実に、圧迫による変形また0.11、0.09、0.14、0.10、0.12 および 0.13 となは擦れ傷が発生した際に損傷が発生したと判る。これを、Vc を横軸、Acc を縦軸としプロ定した。衝撃 1 回あたりの D の算出には、SNCットしたものを Fig. 6 に示す。1 と 2 とを比較理論を応用した。すなわち、損傷発生の時点

すると、Vc は、それぞれ 0.70 および 0.72 m/s

を D=1 となるものと定義し、式（2）を用いであり、ほぼ同等であるが、Acc は、それぞて算出した。試験は、落下条件ごとに 3 回行

れ 117.4 および 62.0 m/s2 であり 2 倍近くの差い、これを反復とした。

がある。しかし、いずれも D = 0.05 となり、この 2 点の比較において、Acc は D にほとんど影響していないものと考えられた。8 と 11との比較においても同様の傾向がうかがえる。
また、5 と 9 の Acc の比較において、前者は、197.2 m/s2、後者は 204.0 m/s2 と、ほぼ変わらないにも関わらず、Vc に 2 倍以上の差があることによって、両者の D には 1.4 倍の差が現れている。この結果においても Acc よりも Vcの違いが D に大きく影響したことが示唆された。
また、逆に 3 と 10 あるいは 4 と 8 または11 の比較においては、D は Vc よりも Acc に依存した傾向が示唆された。このように、イチゴにおいて衝撃 1 回あたりの D は、Acc とVc の組み合わせにより、様々に変化することが確認できた。
なお、本実験での衝撃波形は、のこぎり波あるいは半正弦波に近いことから（データ省

４． 結果および考察略）、各 D に対応する Acc 側の限界は、Fig. 3
Table 2 に示す各落下条件により、イチゴをで示したような直線とはならず、右肩上がり落下させた際の損傷発生までの N は、1 からの波線 19）になるものと考えられる。この点に－ 130 －日本包装学会誌 Vol.21 No.2（2012）

ついては、今後 Acc および Vc の組み合わせ、用した新たな緩衝包装設計理論の構築と青果およびサンプル数を増やした上で検証を進め物輸送包装の最適化」（No. 21780236）においたい。て実施したものである。ここに記して御礼申し上げる。

＜参考文献＞
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Fig. 6 Effect of Vc and Acc on the D ofstrawberry.
Numbers to the left of ● indicate the test
numbers, the details of which can be foundin Table 2.

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５． 結論

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本研究により、蓄積疲労により損傷するイ
チゴ果実の、繰り返し衝撃による損傷発生に

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7)

おいて、Acc と Vc の組み合わせに対応する Dを算出することができた。今後は、実輸送中

F. Lu, Y. Ishikawa, H. Kitazawa, T. Satake,岩元睦夫・河野澄夫・早川昭、農業機械学会誌、42(3), 369 (1980)8)中村宣貴・梅原仁美・岡留博司・中野の Acc および Vc 条件を考慮した、繰り返し浩平・前澤重禮・椎名武夫、農業施設、衝撃による青果物の損傷発生を予測するため

38(2)、101 (2007)の実用的なモデルの構築を進める。

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10) 中嶋隆勝・斎藤勝彦・寺岸義春、日本本研究は、文部科学省科学研究費補助金、若手研究（B）採択課題「損傷限界曲線を応－ 131 －航海学会論文集、(105)、63 (2001)

蓄積疲労を考慮した青果物のための新たな損傷予測理論の構築（第 1 報）
－繰り返し衝撃によるイチゴの損傷発生－

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19) 斎藤勝彦・長谷川淳英、“輸送包装の基礎と実務”、幸書房、p.57 (2008)（原稿受付 2012 年 1 月 23 日）（審査受理 2012 年 2 月 27 日）－ 132 －