關(guān)于馬鈴薯收獲中機(jī)械損傷的研究

王詠梅　孫偉　王關(guān)平

摘要隨著馬鈴薯產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，馬鈴薯塊莖收獲時(shí)造成的機(jī)械損傷問(wèn)題對(duì)馬鈴薯的品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)收益產(chǎn)生的影響愈加嚴(yán)重。該文對(duì)馬鈴薯收獲中機(jī)械損傷的產(chǎn)生機(jī)理、危害性進(jìn)行了分析，并通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的綜述，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，進(jìn)行了相應(yīng)對(duì)策的探討。

關(guān)鍵詞馬鈴薯；收獲；機(jī)械損傷

中圖分類號(hào)S532文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）09-02837-04

基金項(xiàng)目甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)盛彤笙科技創(chuàng)新基金（GSAUSTS1242）。

作者簡(jiǎn)介王詠梅（1973- ），女，甘肅金昌人，講師，碩士，從事機(jī)電一體化及農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研究。

馬鈴薯是一種適宜性強(qiáng)、產(chǎn)量高、營(yíng)養(yǎng)豐富的宜糧、宜菜、宜飼、宜加工的多用途作物，是一種資源利用率很高的作物，是世界上僅次于小麥、水稻、玉米的第4大糧食作物，素有“地下蘋(píng)果”和“第二面包”的美譽(yù)[1]。發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)對(duì)于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加快地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及緩解國(guó)家食物安全壓力有著舉足輕重的作用。隨著馬鈴薯種植規(guī)模、產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和產(chǎn)業(yè)層次的逐步升級(jí)，馬鈴薯收獲的機(jī)械化程度不斷提高，但馬鈴薯塊莖損傷問(wèn)題卻變得日益嚴(yán)重。在馬鈴薯收獲、包裝、運(yùn)輸和貯藏的各個(gè)環(huán)節(jié)，都容易形成機(jī)械損傷。馬鈴薯塊莖損傷嚴(yán)重影響了馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)，從而給馬鈴薯產(chǎn)業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。據(jù)美國(guó)調(diào)查，馬鈴薯塊莖機(jī)械損傷70%是收獲造成的，30%來(lái)自運(yùn)輸貯藏過(guò)程[3]。因此，對(duì)于馬鈴薯收獲中機(jī)械損傷的研究很有必要。

1馬鈴薯收獲中機(jī)械損傷的產(chǎn)生機(jī)理

1.1馬鈴薯收獲機(jī)械概述馬鈴薯收獲的工藝過(guò)程包括：切莖、挖掘、分離、撿拾、分級(jí)和裝運(yùn)等工序。根據(jù)收獲工藝過(guò)程完成程度，馬鈴薯收獲機(jī)可分為挖掘犁、挖掘機(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)。挖掘犁是由挖掘部件構(gòu)成的簡(jiǎn)單挖掘機(jī)具。挖掘機(jī)按分離部件的結(jié)構(gòu)形式分為拋擲輪式、升運(yùn)鏈?zhǔn)健⑿D(zhuǎn)分離篩式及振動(dòng)篩式。馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)一次作業(yè)完成挖掘、分離、初選和裝箱等作業(yè)。典型的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)由拖拉機(jī)牽引。作業(yè)時(shí)挖掘部件將薯塊挖出，莖葉等夾雜物經(jīng)過(guò)抖動(dòng)式升運(yùn)鏈時(shí)，可清除部分較小的土塊和其它夾雜物，然后通過(guò)一對(duì)充氣橡膠輥筒縫隙，使土塊受到軟擠壓而破碎，但不會(huì)損傷薯塊。碎土同薯塊一起落到往復(fù)擺動(dòng)的分離篩上，土塊和雜物從篩孔漏下。薯塊經(jīng)莖葉分離裝置除去莖葉后，與較大雜物一起進(jìn)入圓筒篩，隨圓筒篩葉板提升，落到傾斜輸送帶式分離器上。土塊及雜物被向上送走，而表面較圓滑的薯塊滑落到剔選臺(tái)上，經(jīng)過(guò)人工或X射線土石分離器等手段剔除剩余雜物后進(jìn)入薯箱[4]。

1.2機(jī)械損傷的產(chǎn)生機(jī)理機(jī)械損傷是指在收獲過(guò)程中機(jī)械部件對(duì)馬鈴薯造成的切傷、碰傷、擠壓和跌落碰撞等現(xiàn)象。

首先看挖掘部件，就大中型機(jī)而言，由于牽引動(dòng)力強(qiáng)大，自身重量較大，且挖掘深度較深，而導(dǎo)向限深輪配備較為普遍，挖掘鏟作業(yè)幅寬也普遍寬裕，因而挖掘部件傷薯、切薯現(xiàn)象幾乎不存在。對(duì)小型機(jī)而言，牽引動(dòng)力較小，自重較小，且大多未配置導(dǎo)向限深輪，使得作業(yè)過(guò)程中挖掘鏟的入土深度波動(dòng)較大；挖掘鏟作業(yè)幅寬也較小，作業(yè)過(guò)程中又常會(huì)發(fā)生側(cè)移現(xiàn)象，因此挖掘鏟及切土圓盤(pán)傷薯、切薯較為嚴(yán)重。

其次，抖動(dòng)輸運(yùn)部件傷薯主要是由于馬鈴薯及機(jī)械部件在碰撞過(guò)程中沖擊強(qiáng)度過(guò)大而造成的。抖動(dòng)輸運(yùn)過(guò)程中，傷薯易發(fā)區(qū)域?yàn)椋核俣却笮〖捌浞较蛲蛔儏^(qū)、輸運(yùn)部件抖動(dòng)加速?gòu)?qiáng)烈區(qū)，以及輸運(yùn)結(jié)束時(shí)的落薯區(qū)。大中型機(jī)械一般具有多級(jí)輸運(yùn)鏈，而且各級(jí)鏈長(zhǎng)度往往較長(zhǎng)，尤其是第一級(jí)鏈，長(zhǎng)度可達(dá)4 m，甚至更長(zhǎng)。作業(yè)過(guò)程中，常常未到第一級(jí)鏈末端，鏈上的土壤就所剩無(wú)幾，馬鈴薯就已直接與桿條發(fā)生碰撞；而且第一級(jí)鏈的后部還往往配有抖動(dòng)輪，強(qiáng)烈的抖動(dòng)加速度，更加劇了桿條作用于塊莖的碰撞強(qiáng)度。

另外，各級(jí)鏈交接處常存在高度落差和運(yùn)動(dòng)方向以及速度的變化，這也增大了塊莖碰傷的可能。對(duì)于小型馬鈴薯收獲機(jī)普遍只有一級(jí)升運(yùn)鏈，而且有效輸運(yùn)時(shí)間短，作業(yè)時(shí)，升運(yùn)鏈仍帶有少許的土壤，使得馬鈴薯與鋼制桿條之間始終存有緩沖層，就可以大大降低鏈條對(duì)塊莖的碰撞強(qiáng)度。此外，小型機(jī)機(jī)身較小，升運(yùn)鏈末端離地高度較低，因此薯塊落地瞬間所受碰撞強(qiáng)度亦較低[5]。

2塊莖損傷對(duì)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的影響

馬鈴薯塊莖損傷引起的塊莖改變表現(xiàn)為表皮脫落、組織破損和組織褐變或形成黑斑，甚至破裂，嚴(yán)重影響了馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)，從而導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的降低。目前塊莖損傷已成為制約馬鈴薯產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。

2.1產(chǎn)量損失塊莖損傷是馬鈴薯產(chǎn)量損失的主要原因。英國(guó)665個(gè)農(nóng)場(chǎng)的調(diào)查認(rèn)為，23%～26%的塊莖有可見(jiàn)的表皮損傷，而且還會(huì)有13%的塊莖進(jìn)一步形成內(nèi)部損傷，9%的馬鈴薯塊莖嚴(yán)重?fù)p傷[6]。Peters R表明在收獲環(huán)節(jié)中傷薯發(fā)生率最高可達(dá)馬鈴薯收獲總量的30%[7]。據(jù)查證，目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有相關(guān)的產(chǎn)量損失統(tǒng)計(jì)，但在相對(duì)比較落后的收獲條件下，馬鈴薯塊莖損傷對(duì)我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)量造成的影響應(yīng)該更大。

2.2品質(zhì)影響隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和消費(fèi)層次的升級(jí)，消費(fèi)者對(duì)新鮮、優(yōu)質(zhì)、安全的馬鈴薯食品的需求不斷增加，馬鈴薯的產(chǎn)品形態(tài)也不斷豐富如鮮食、種薯、出口、方便食品和深加工產(chǎn)品等。然而馬鈴薯塊莖損傷卻對(duì)不同產(chǎn)品的質(zhì)量和品質(zhì)都造成了一定的影響。馬鈴薯塊莖的機(jī)械損傷不但降低了鮮薯和出口商品薯的外觀品質(zhì)和內(nèi)在質(zhì)量，也使塊莖病害顯著增加，養(yǎng)分和重量損耗增大，如馬鈴薯塊莖遭受機(jī)械損傷后，產(chǎn)生次生代謝物質(zhì)，如酚類、黃酮類、萜類、生物堿等，次生代謝物質(zhì)會(huì)直接影響到產(chǎn)品的香氣、風(fēng)味、外觀、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和安全性；組織裂紋和擠壓引起的機(jī)械損傷啟動(dòng)了生物堿的合成，傷薯塊莖貯藏并暴露后生物堿的含量比未損傷的塊莖高兩倍，而茄堿含量超過(guò)一定量時(shí)則會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生毒害[6]。

2.3經(jīng)濟(jì)效益的影響馬鈴薯塊莖損傷對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響必然會(huì)造成經(jīng)濟(jì)效益的降低。由文獻(xiàn)查證，英國(guó)馬鈴薯市場(chǎng)協(xié)會(huì)估計(jì)，馬鈴薯?yè)p傷造成的經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)到30 000萬(wàn)英鎊，每公頃約200英鎊。Brook分析年產(chǎn)值為25億美元的馬鈴薯加工業(yè)每年因?yàn)閴K莖損傷會(huì)損失3億美元；而就整個(gè)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)而言，機(jī)械損傷每年造成的損失達(dá)到20億美元，因此美國(guó)估計(jì)約有26%的毛收入因?yàn)閴K莖損傷而損失掉[6]。在我國(guó)，由于馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)相對(duì)粗放，生產(chǎn)效率較低，產(chǎn)品單一，相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展剛剛起步，所以馬鈴薯塊莖損傷會(huì)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)損失。

3研究現(xiàn)狀

如何減少馬鈴薯在收獲中的機(jī)械損傷，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究報(bào)道不少，一方面從研究馬鈴薯生物力學(xué)特性來(lái)揭示馬鈴薯機(jī)械收獲中的損傷機(jī)理，另一方面從馬鈴薯收獲機(jī)械的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、仿真模擬和試驗(yàn)研究來(lái)確保馬鈴薯塊莖的低損傷。

從20世紀(jì)四五十年代以來(lái)，國(guó)外就開(kāi)始了農(nóng)業(yè)物料力學(xué)特性的研究，我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)物料力學(xué)性能的研究始于五十年代，到八十年代才引起學(xué)術(shù)界的重視[8]。

3.1國(guó)外研究進(jìn)展加拿大M.G.Scanlon等對(duì)2種加載速度下馬鈴薯組織壓縮和拉伸的斷裂強(qiáng)度進(jìn)行了研究。1996年他們通過(guò)化學(xué)滲透處理方法，研究了馬鈴薯生理變化對(duì)其物料組織機(jī)械特性的影響。試驗(yàn)樣品為收獲期相隔一年的馬鈴薯樣本，他們沿馬鈴薯塊莖3個(gè)軸線方向取圓柱形試樣，進(jìn)行2個(gè)速率下的壓縮試驗(yàn)，并且還沿其中2個(gè)軸線方向?qū)︸R鈴薯進(jìn)行了剪切試驗(yàn)，分別獲得了相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)。研究表明，馬鈴薯組織剪切特性上的各向差異與物料內(nèi)部含水量形成的膨壓變化無(wú)關(guān)，單軸壓縮試驗(yàn)所獲得的力學(xué)特性的各向差異取決于細(xì)胞內(nèi)水分含量形成的膨壓。由此說(shuō)明馬鈴薯組織的水分含量對(duì)其力學(xué)特性的各向差異性起著重要的作用[9-10]。

美國(guó)Bajema 等利用自制的壓力錘，通過(guò)增加應(yīng)變率對(duì)馬鈴薯進(jìn)行靜態(tài)沖擊試驗(yàn)，得出馬鈴薯在低溫下更容易受損，隨著溫度的升高，破環(huán)應(yīng)力、破環(huán)應(yīng)變均顯著增加，彈性模量隨之減小，堅(jiān)實(shí)度增加[11-13]。

美國(guó)Baritelle 等對(duì)2個(gè)馬鈴薯品種從中心向外沿徑向取圓柱形試樣，以1.2 m/s的速度對(duì)試樣進(jìn)行單軸應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)獲得相當(dāng)于從75 mm高掉落的沖擊，來(lái)研究馬鈴薯塊莖大小對(duì)其力學(xué)特性的影響。他們按質(zhì)量將113～454 g之間的馬鈴薯塊莖分為6組試驗(yàn)，得出質(zhì)量在340～454 g的大塊莖比質(zhì)量在113～170 g的小塊莖破環(huán)應(yīng)力、破環(huán)應(yīng)變低，而質(zhì)量在170～340 g的同一品種塊莖其力學(xué)性質(zhì)、堅(jiān)實(shí)度基本相同，大塊莖內(nèi)部組織的韌性比小塊莖內(nèi)部組織的韌性低[14]。

西班牙Alvarez、Canet等研究了儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)冷藏的馬鈴薯內(nèi)部組織流變學(xué)特性的影響。研究表明，壓縮能、最大剪切力、松弛應(yīng)力等參數(shù)受儲(chǔ)藏時(shí)間影響比較明顯，其中，由于水分蒸發(fā)散失，細(xì)胞內(nèi)膨壓下降而導(dǎo)致松弛應(yīng)力隨儲(chǔ)藏時(shí)間增加近似線性下降，由于細(xì)胞壁剛性和彈性特性的增加而使拉伸剛度和剪切力隨儲(chǔ)藏時(shí)間按線性增加[15]。

波蘭Zdunek 等利用農(nóng)業(yè)流變學(xué)試驗(yàn)方法，對(duì)圓柱形馬鈴薯試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，并利用聲音傳感器探測(cè)馬鈴薯內(nèi)部細(xì)胞破裂的信號(hào)，以此對(duì)馬鈴薯細(xì)胞微小裂縫進(jìn)行研究。試驗(yàn)證明生物屈服點(diǎn)并不是細(xì)胞破裂的起始點(diǎn)；增大應(yīng)變速度，會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯破裂應(yīng)力和應(yīng)變減小[16]。

意大利M.Bentini等研究了馬鈴薯收獲過(guò)程中的沖擊損傷。為了分析收獲技術(shù)和土壤水分含量等因素對(duì)沖擊損傷的影響，進(jìn)行了不同土壤和不同工作條件下的田間收獲試驗(yàn)。結(jié)果表明，在潮濕的土壤條件下，較高的前進(jìn)速度會(huì)導(dǎo)致收獲機(jī)械中土壤流量的增加，從而減輕了沖擊強(qiáng)度和馬鈴薯的損傷程度；在干燥的土壤條件下收獲會(huì)造成更大的沖擊強(qiáng)度和更嚴(yán)重的損傷，所以在收獲前要灌溉干燥的土壤以減輕損傷[17]。

M.Bentini 等對(duì)冷藏期間的馬鈴薯塊莖作了力學(xué)性能研究，以收獲2年之久的2個(gè)品種的馬鈴薯為研究對(duì)象，定期進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，以確定整果的力學(xué)性能和圓柱試樣的楊氏模量和泊松比，結(jié)果表明品種不同，其力學(xué)性能不同[18]。

42卷9期王詠梅等關(guān)于馬鈴薯收獲中機(jī)械損傷的研究3.2國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展雷得天等進(jìn)行了馬鈴薯組織破環(huán)時(shí)的力學(xué)性能及其流變學(xué)模型的研究。他們以東農(nóng)303和克862 2個(gè)薯種為研究對(duì)象，在塊莖表皮和芯部分別選取圓柱形試樣進(jìn)行靜載壓縮試驗(yàn)，得到力-變形曲線，并就力學(xué)性能參數(shù)如變形度、破裂應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，不同品種的馬鈴薯組織（尤其是表皮）存在著一些差異，但表皮的破環(huán)性能都低于芯部；同時(shí)通過(guò)松弛試驗(yàn)得到馬鈴薯流變學(xué)模型[19]。

徐樹(shù)來(lái)等借助小型農(nóng)業(yè)物料力學(xué)性質(zhì)測(cè)試裝置，對(duì)馬鈴薯進(jìn)行了試驗(yàn)研究，建立了力-變形關(guān)系曲線，計(jì)算出了其破損力、破損應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量等重要力學(xué)指標(biāo)[20]。

龐玉等通過(guò)馬鈴薯試塊的應(yīng)力松弛試驗(yàn)，確定了5參數(shù)的流變學(xué)模型；利用所得材料的模型參數(shù)，結(jié)合有限元方法，對(duì)馬鈴薯存儲(chǔ)堆積的2種工況進(jìn)行了模擬，指出了馬鈴薯堆積存儲(chǔ)時(shí)切應(yīng)變是造成組織破壞的主要原因，得出組織破環(huán)形式是細(xì)胞間膠質(zhì)層受剪切而破環(huán)的結(jié)論[21]。

賈晶霞等進(jìn)行了薯類收獲機(jī)振動(dòng)篩傷薯機(jī)理計(jì)算機(jī)模擬與分析。通過(guò)分析建立振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，使用Visual Basic6.0程序語(yǔ)言編程，利用計(jì)算機(jī)輔助分析（CAA）對(duì)薯塊與篩面相互作用的過(guò)程進(jìn)行研究，分析他的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程，揭示薯塊在振動(dòng)篩面上的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，從提高篩分效率、降低傷薯率的角度對(duì)其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和性能分析[22]。

藏楠對(duì)2個(gè)品種馬鈴薯進(jìn)行了不同載荷下的靜載蠕變?cè)囼?yàn)，根據(jù)蠕變理論對(duì)試驗(yàn)馬鈴薯蠕變加載階段和卸載恢復(fù)階段曲線進(jìn)行分析，建立了其蠕變模型和結(jié)構(gòu)方程，得到了試驗(yàn)馬鈴薯的蠕變特性參數(shù)及其相關(guān)關(guān)系；分析了蠕變?cè)囼?yàn)載荷、試驗(yàn)馬鈴薯品種、含水率、淀粉含量等因素對(duì)馬鈴薯蠕變的影響；揭示了不同品種、不同取樣部位，在進(jìn)行相同載荷下的蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)蠕變特性參數(shù)存在差異的主要原因[23]。

劉春香選取5個(gè)品種的馬鈴薯塊莖，由機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)獲取圖像，研究其基礎(chǔ)物理特性；通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)生、熟馬鈴薯標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣進(jìn)行了力學(xué)流變學(xué)特性的測(cè)量與研究，獲得了不同品種及同品種不同區(qū)間馬鈴薯的壓縮特性指標(biāo)，并對(duì)完整馬鈴薯進(jìn)行了擠壓破壞試驗(yàn)研究[24]。之后他選用了4個(gè)品種的馬鈴薯，對(duì)每個(gè)品種3個(gè)不同部位的塊莖組織進(jìn)行了泊松比的測(cè)量研究，采用圖像處理的方法獲得馬鈴薯試樣的橫向和縱向尺寸，測(cè)得了不同品種及品種內(nèi)不同區(qū)間的泊松比值[25]。

楊晨升研究了多種適用于馬鈴薯塊莖的動(dòng)力學(xué)特性的試驗(yàn)方法，進(jìn)行了馬鈴薯圓柱形試樣和完整塊莖在40～210 Hz頻率范圍內(nèi)的正弦交變應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)，同時(shí)進(jìn)行了整體馬鈴薯敲擊激勵(lì)時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性研究，得出了馬鈴薯動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的基礎(chǔ)參數(shù)和不同品種馬鈴薯動(dòng)態(tài)特性參數(shù)隨試驗(yàn)條件不同的變化規(guī)律[26-27]。

郭文斌通過(guò)對(duì)馬鈴薯的應(yīng)力松弛試驗(yàn)，獲得了不同壓深、不同面積下應(yīng)力松弛參數(shù)和曲線，確定了馬鈴薯整體壓縮時(shí)應(yīng)力松弛模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)馬鈴薯的應(yīng)力松弛特性進(jìn)行整體壓縮試驗(yàn)時(shí)，沿臍部軸線方向的松弛應(yīng)力較小[28]。之后他根據(jù)馬鈴薯的生物力學(xué)特性，在馬鈴薯壓縮和應(yīng)力松弛試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)馬鈴薯完整塊莖和圓柱形試樣的淀粉含量與壓縮、應(yīng)力松弛特性參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了分析，獲得了與馬鈴薯淀粉含量相關(guān)性較為顯著的力學(xué)特性參數(shù)，建立了回歸模型。同時(shí)利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在ADAMS軟件環(huán)境下，建立了馬鈴薯整莖壓縮和應(yīng)力松弛的仿真模型，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性[29]。

桑永英等對(duì)馬鈴薯的碰撞損傷進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元分析。首先針對(duì)不同高度下落的新鮮馬鈴薯進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，根據(jù)淀粉變色原理劃分其損傷程度；再通過(guò)拉伸試驗(yàn)確定了馬鈴薯薯皮的彈性模量和破壞強(qiáng)度；后采用ANSYSDYNA軟件建立馬鈴薯力學(xué)模型，對(duì)其碰撞進(jìn)行有限元分析，并將分析結(jié)果與碰撞試驗(yàn)結(jié)果比較。結(jié)果表明，當(dāng)馬鈴薯下落高度為20～30 cm 時(shí)，馬鈴薯?yè)p傷率小于4%，其碰撞應(yīng)力值低于馬鈴薯的破壞強(qiáng)度值[30]。

張建華等利用5個(gè)品種的馬鈴薯進(jìn)行損傷模擬和檢測(cè)，應(yīng)用方差分析和響應(yīng)面回歸分析等，建立了敏感、可行的評(píng)價(jià)馬鈴薯塊莖損傷如表皮擦傷、內(nèi)部損傷和損傷變色的方法。后基于此方法對(duì)104份不同品種（系）的損傷性狀進(jìn)行研究，通過(guò)主成分分析、聚類分析和多元方差分析對(duì)104份不同基因型塊莖的3種損傷性狀予以綜合評(píng)價(jià)，揭示不同損傷在塊莖整體損傷形成中的影響大小，分析馬鈴薯塊莖本身性狀對(duì)塊莖損傷影響顯著的關(guān)鍵因素，以期通過(guò)改善栽培條件、品種選育和種質(zhì)創(chuàng)新等為減輕馬鈴薯塊莖損傷提供依據(jù)。研究表明，馬鈴薯3種損傷性狀在塊莖的整體損傷中表現(xiàn)為由外而內(nèi)發(fā)生的順序，對(duì)塊莖整體損傷的影響作用也不同：表皮擦傷對(duì)馬鈴薯塊莖整體損傷的影響作用最大，且遠(yuǎn)大于內(nèi)部損傷，而損傷變色對(duì)塊莖損傷的影響最小[2-3，31]。

賈晶霞等研究了馬鈴薯收獲機(jī)振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)參數(shù)與塊莖損傷之間的關(guān)系。通過(guò)壓縮試驗(yàn)確定了馬鈴薯的力學(xué)參數(shù)，采用ADAMS軟件對(duì)振動(dòng)篩和塊莖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，獲得振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、位移和動(dòng)能曲線，能夠有效地判斷塊莖沿篩面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；針對(duì)圓型和橢圓形2種塊莖，分析了振動(dòng)頻率和振幅對(duì)塊莖損傷率的影響，結(jié)果表明，振動(dòng)頻率約為330 r/min時(shí)，綜合傷薯率最低；在相同振動(dòng)頻率條件下，隨著振幅的增加，圓形塊莖更容易受傷[32]。

吳亞麗等對(duì)馬鈴薯進(jìn)行了壓縮和剪切力學(xué)性能試驗(yàn)，測(cè)得其力-位移曲線，分析其力學(xué)特性的變化規(guī)律，得到馬鈴薯的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)[33]。

洪翔等針對(duì)馬鈴薯這類不易觀察跌落損傷的果蔬產(chǎn)品，提出了一種測(cè)定其臨界損傷跌落高度的方法。首先對(duì)馬鈴薯進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，得到其產(chǎn)生損傷的壓縮變形量；再通過(guò)不同高度下的自由跌落試驗(yàn)，采集其載荷與時(shí)間信號(hào)，分析轉(zhuǎn)化得到反映不同跌落高度與跌落變形量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；對(duì)應(yīng)壓縮變形量在此數(shù)學(xué)模型中的值，即可得到馬鈴薯的臨界損傷跌落高度為38 cm[34]。

顧麗霞等以曲面造型理論為基礎(chǔ)，提出了不規(guī)則馬鈴薯的建模方法；在此基礎(chǔ)上，基于三維建模軟件PeoE5.0中的Pro/SURFACE曲面造型模塊，實(shí)現(xiàn)了不規(guī)則馬鈴薯的三維實(shí)體模型，并借助ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)馬鈴薯在擺動(dòng)篩上的分離過(guò)程進(jìn)行了虛擬仿真[35]。

4存在問(wèn)題及思考

（1）在馬鈴薯機(jī)械收獲過(guò)程中造成損傷的因素很多，不同的馬鈴薯品種、不同的生長(zhǎng)氣候、不同的生長(zhǎng)土壤、不同的壟作模式、不同的收獲機(jī)械和不同的人員操作都會(huì)對(duì)馬鈴薯質(zhì)量有不同的影響，有的因素影響大，有的因素影響小，有的因素可控制，有的因素不可控制，如何抓住主要矛盾，忽略次要因素，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，合理安排試驗(yàn)，準(zhǔn)確取得數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合的科學(xué)分析，從而獲得最優(yōu)方案，這是解決此問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

（2）馬鈴薯屬于粘彈性材料，由于粘彈性材料的本構(gòu)關(guān)系隨時(shí)間、溫度、振動(dòng)頻率和應(yīng)變幅值等因素的變化而變化，使得對(duì)粘彈性材料的動(dòng)特性分析大為復(fù)雜化。雖然目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種模型，但都因?yàn)楦饔兴蓿惯M(jìn)一步理論分析受到限制，這還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

（3）目前關(guān)于馬鈴薯?yè)p傷機(jī)理的研究主要有2條途徑：一是通過(guò)理論計(jì)算分析；二是試驗(yàn)測(cè)試分析?，F(xiàn)有的理論計(jì)算方法所使用的力學(xué)模型及邊界條件與實(shí)際情況往往有較大的出入，直接引用其所得的力學(xué)特性參數(shù)會(huì)導(dǎo)致實(shí)際研究結(jié)果的失真，因此，理論分析與試驗(yàn)研究要相結(jié)合，才能得出較為客觀、合理的結(jié)論。

（4）馬鈴薯塊莖損傷的程度不僅受塊莖自身性狀的影響，還受許多外在因素的影響，要進(jìn)行損傷機(jī)理的研究，必須嚴(yán)格界定評(píng)價(jià)塊莖損傷的外部因素，而且損傷的準(zhǔn)確檢測(cè)也是評(píng)價(jià)損傷的重要方面。 因此，需要利用現(xiàn)代生物、物理和信息技術(shù)等先進(jìn)手段對(duì)此作大量的研究，確保以一致、可控、可重復(fù)的方式對(duì)不同塊莖進(jìn)行損傷模擬、檢測(cè)，從而完成損傷性狀的客觀、合理的評(píng)價(jià)。

（5）我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)械的研制大多還處于機(jī)械設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品的技術(shù)含量和技術(shù)水平還比較低，關(guān)于馬鈴薯機(jī)械損傷的研究成果還未普及運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。再者，目前國(guó)外一些馬鈴薯收獲機(jī)械不但生產(chǎn)效率高，還將高新技術(shù)融于農(nóng)具之中，如采用振動(dòng)、液壓技術(shù)進(jìn)行挖掘，采用傳感技術(shù)控制喂入量、傳運(yùn)量及分級(jí)裝載；采用氣壓、氣流、光電技術(shù)進(jìn)行碎土和分離以及利用微機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和操作等[1]。這無(wú)疑有利于機(jī)械損傷的控制。加強(qiáng)對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)裝備的引進(jìn)和消化吸收，加大自主創(chuàng)新力度，深入理論和試驗(yàn)研究，把先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)運(yùn)用到馬鈴薯收獲環(huán)節(jié)，真正使科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，以扭轉(zhuǎn)國(guó)內(nèi)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速與馬鈴薯收獲技術(shù)相對(duì)滯后的現(xiàn)狀。

5結(jié)語(yǔ)

隨著馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)馬鈴薯收獲中機(jī)械損傷的研究具有重要的意義。通過(guò)對(duì)馬鈴薯生物力學(xué)特性的研究，來(lái)揭示馬鈴薯收獲損傷機(jī)理，同時(shí)借助于現(xiàn)代先進(jìn)的工程技術(shù)手段和方法，為馬鈴薯低損傷收獲機(jī)械的研制提供理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。近年來(lái)，我國(guó)在此領(lǐng)域的研究已頗有成果，但從實(shí)際出發(fā)仍有大量的工作需要進(jìn)行。應(yīng)該充分利用已有的研究成果，在進(jìn)一步深入挖掘的同時(shí)提高其在工程中的應(yīng)用能力，減少馬鈴薯收獲中的機(jī)械損傷，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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