馬鈴薯機械化收獲損傷機理研究現(xiàn)狀及進展

李 輝，吳建民，孫 偉，劉鵬霞

(1.蘭州城市學院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農業(yè)大學工學院，甘肅蘭州 730070；3.甘肅省農業(yè)機械化技術推廣總站，甘肅蘭州 730046)

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馬鈴薯機械化收獲損傷機理研究現(xiàn)狀及進展

李 輝1，吳建民2*，孫 偉2，劉鵬霞3

(1.蘭州城市學院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農業(yè)大學工學院，甘肅蘭州 730070；3.甘肅省農業(yè)機械化技術推廣總站，甘肅蘭州 730046)

從收獲、貯運和加工方面對馬鈴薯損傷機理的研究現(xiàn)狀及進展進行闡述，為馬鈴薯收獲機械與技術的研究提供參考。

農業(yè)機械；馬鈴薯；機械收獲；損傷機理

我國馬鈴薯產業(yè)的不斷發(fā)展對緩解食物安全壓力有著重要作用[1]，但隨著馬鈴薯種植與產業(yè)規(guī)模的不斷擴大、產業(yè)層次的逐步升級及收獲機械化程度的不斷提高，馬鈴薯塊莖損傷問題變得日益嚴重[2]。在挖掘、土薯分離和裝運過程中，塊莖受到摩擦、擠壓、碰撞或跌落沖擊后易形成損傷，研究表明，70%的塊莖損傷源于收獲，占總產量的30%之多[3]。機械損傷對馬鈴薯產量和品質影響的直接體現(xiàn)就是經濟效益的降低。據英國馬鈴薯市場協(xié)會估計，馬鈴薯損傷造成的損失每年高達3 000萬英鎊，約200英鎊/hm2。在美國，估計約有26%的毛收入因為塊莖損傷而損失掉，僅是1%的表皮擦傷就會帶給馬鈴薯產業(yè)造成750萬美元的損失[4]。國際馬鈴薯中心的調查指出，未來馬鈴薯發(fā)展的首要問題是加工薯的質量要求[5]，機械損傷是制約馬鈴薯產業(yè)發(fā)展的主要因素之一[6]。外部損傷和內部損傷會影響薯塊外觀和內在品質，進而影響馬鈴薯初級加工產品的質量和馬鈴薯方便食品產業(yè)[7]。此外，機械損傷還會降低馬鈴薯耐貯性，細菌通過機械損傷傷口感染塊莖，受感染部分會軟化腐爛，進一步造成損失。我國是世界上馬鈴薯種植面積最大的國家，2010年，馬鈴薯種植面積與產量分別達到520.53萬hm2和8 154萬t。目前，國內尚無相關的產量損失統(tǒng)計，但在相對更加粗放的收獲及采后處理條件下，馬鈴薯塊莖機械損傷對我國馬鈴薯產量和產值損失造成的影響可能更大。研究并減輕塊莖在機械化收獲中損傷問題成為馬鈴薯產業(yè)健康發(fā)展亟需解決的課題?；诖?，筆者對國內外馬鈴薯機械化收獲損傷機理的研究現(xiàn)狀及進展進行闡述，以期為我國馬鈴薯收獲機械與技術的研究提供理論依據。

1　國外研究現(xiàn)狀

為了減少收獲損傷、節(jié)約人工挑選的成本并保持馬鈴薯在國際市場上的競爭優(yōu)勢，歐美發(fā)達國家從20世紀初就已經開始研究馬鈴薯收獲機收獲損傷的問題，最終取得了較好的成果并得以應用。

1.1自身特征與損傷Blahovec[8]研究認為馬鈴薯塊莖的部位和生理狀態(tài)也會影響塊莖損傷，有塊莖基部的硬度比頂部更強，馬鈴薯塊莖表面曲度大的部位更容易發(fā)生內部損傷。Baritelle等[9]認為塊莖損傷的程度還取決于組織膨壓和溫度，在塊莖損傷研究中，必須考慮相關因素，確保試驗塊莖以一致、可控、可重復的方式進行損傷研究。

1.2表皮擦傷有學者在圓桶中放置薯塊大小的石塊和2 kg的馬鈴薯塊莖，人工勻速搖動2 min造成損傷，對處理后和處理貯存2個月后的馬鈴薯分別進行損傷檢測。Alexander[10]利用扭力矩儀研究剪切力與表皮脫落間的關系，結果顯示扭矩抗性低的塊莖表皮脫落比較嚴重，這表明扭矩抗性可以準確判斷表皮脫落抗性。

1.3內部損傷在生物材料的動態(tài)力學和損傷性狀方面，國外已經開展了很多的相關研究。Baritelle等[11]研究認為，沖擊速率對損傷壓力、張力和彈性系數(shù)的影響很大。Mitchell等[12]研究蘋果損傷時發(fā)現(xiàn)，在吸收能量一定的情況下，產生的損傷類型取決于碰撞的時間和荷載的速率，低荷載速率主要產生黑斑和內部變形；高荷載速率主要產生內部破碎，而且碰撞損傷的類型是連續(xù)變化的，損傷與能量吸收呈線性關系。Zdunek等[13]證明生物屈服點并不是細胞破裂的起始點，增大應變速度可使馬鈴薯的破壞應力、破壞應變減小[13]。為提高試驗的準確性，已經有大量研究著手進行電子測試[14]。Van Zeebroeck等[15]發(fā)明了用于研究果實等生物材料撞擊后動力學表現(xiàn)的鐘擺裝置，設備通過集成的光學編碼器來測定撞擊力、位移和速率。Hyde等[16]用儀器球獲得和記錄農產品在運輸和加工過程中受到的沖擊參數(shù)；Bentini等[17]用儀器球記錄了馬鈴薯收獲機部件與塊莖間的沖擊。

2　國內研究現(xiàn)狀

建國初期，我國馬鈴薯收獲仍采用人工刨挖或舊犁挖掘的落后方式，直到 20 世紀 60 年代中期我國馬鈴薯收獲機具的研制工作才逐步開展起來，現(xiàn)還處于中小型懸掛式集條收獲機的研制推廣階段，所研制機具的技術水平與國外相差甚遠。2011年，全國馬鈴薯種植面積由2010年的550萬hm2上升至約600萬hm2，已躍居世界第1位，但馬鈴薯機械化收獲程度不足20%[18]，已嚴重制約馬鈴薯種植面積的擴大。因而國內迫切需求價格合理、可靠性高的馬鈴薯收獲機，以滿足日益發(fā)展的馬鈴薯產業(yè)需求。

馬鈴薯在機械化收獲、運輸和裝卸過程中不可避免地受到不同形式的碰撞、擠壓和沖擊載荷的作用，造成馬鈴薯塊莖的機械損傷，給人們帶來巨大的經濟損失[19]。為了降低馬鈴薯收獲過程中的損傷、提出更好的挖掘和土薯分離方法及完善相關機具的設計，必須對馬鈴薯的物理機械特性進行透徹、系統(tǒng)地分析[20]。我國對農業(yè)物料物理機械特性的研究始于20世紀50年代，到20世紀80年代才引起學術界的重視。郎悅[21]通過準靜態(tài)和動態(tài)的壓縮試驗對馬鈴薯的材料特性進行了研究，但未得出與損傷相關的模型和規(guī)律。臧楠[22]對馬鈴薯進行了蠕變試驗研究，獲得了在不同壓力下馬鈴薯不同部位試樣的蠕變曲線。張建華等[23]研究塊莖性狀對塊莖損傷的影響指出，合理的鉀、鈣施肥措施可以提高塊莖的表皮性狀和薯肉組織性狀，從而減輕塊莖的損傷性狀。桑永英等[24]對新鮮馬鈴薯進行不同高度下落的碰撞試驗研究，得出當馬鈴薯下落高度為20～30 cm時馬鈴薯損傷率<4%的結論。郭文斌[25]對馬鈴薯壓縮和應力松弛特性參數(shù)進行了分析，建立了馬鈴薯壓縮和應力松弛過程的虛擬樣機模型。吳亞麗等[26]運用INSTRON 萬能電子材料試驗機和 CMT6104 微機控制電子萬能材料試驗機對馬鈴薯進行力學性能試驗。賈晶霞等[27]采用ADMAS仿真軟件對振動篩和塊莖進行運動仿真，獲得了振動篩運動的速度、加速度、位移和動能曲線，同時針對圓形和橢圓形2種塊莖分析了振動頻率和振幅對塊莖損傷率的影響。洪翔等[28]通過不同高度下的跌落試驗，得到馬鈴薯的臨界損傷跌落高度。劉海超等[29]設計了馬鈴薯在擺動篩上的動力學測試試驗臺，測試了2種典型薯形在不同篩分速度下的三維加速度信號，獲得了馬鈴薯在篩面上的碰撞加速度。

近年來，我國非常重視馬鈴薯收獲機的研制，出臺了許多農機扶持政策。在政策導向和市場需求雙重作用下，許多農機企業(yè)、科研院所進行了馬鈴薯收獲機的研制，出現(xiàn)了多種型號的馬鈴薯收獲機，如中機美諾科技股份有限公司2005年研制開發(fā)的1520型雙行馬鈴薯挖掘機、山東富邦農業(yè)機械裝備有限公司生產的4UG-l型馬鈴薯收獲機(配套功率17.7 kW以上)、甘肅農業(yè)大學工學院魏宏安等人研制的一種半懸掛式中型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(配套功率44.0～58.8 kW)、河南豪豐機械制造有限公司生產的4JW系列懸掛式馬鈴薯收獲機(配套動力36.8～58.8 kW)等中型馬鈴薯收獲機、內蒙古呼和浩特市得力新技術設備廠生產的4ULDX-1500型馬鈴薯收獲機、甘肅省臨洮縣中興輕工機械有限責任公司生產的4UM-550型馬鈴薯挖掘機、定西市安定區(qū)巉口鎮(zhèn)農機制造廠生產的4U-1型馬鈴薯挖掘機、甘肅省榆中縣榮盛農機制造廠生產的榮盛4U-400型馬鈴薯挖掘機等小型馬鈴薯挖掘機。

雖然目前國內馬鈴薯收獲機種類較多，但能夠有效解決馬鈴薯損傷的機型較少，同時也缺乏相應的理論研究。劉寶等[30]對挖掘部件和抖動輸運部件的傷薯機理進行了分析，分別研究了中型馬鈴薯收獲機和小型馬鈴薯收獲機的傷薯機理。2011年，中機美諾公司對馬鈴薯收獲過程中碰傷問題進行了研究，設計開發(fā)了馬鈴薯降落高度自動控制系統(tǒng)，力圖降低馬鈴薯裝運損傷[18]。石林榕等[31]近年來對馬鈴薯收獲過程中土薯運動規(guī)律進行了分析，研究了馬鈴薯收獲過程中傷薯機理，設計了相應的機具。

3　結論

國內外學者在塊莖破損力、破損應力、應變、彈性模量等機械物理特性上對馬鈴薯塊莖損傷機理已經進行了不少卓有成效的研究，且得到了一些有益的結論，為繼續(xù)深入研究其機械收獲過程中塊莖損傷機理提供了可資借鑒的理論基礎。然而也可以清楚地看到，有關機械化收獲各工序、不同載荷形式對塊莖損傷的試驗研究與理論分析相對較少。現(xiàn)有研究采用仿真技術參照馬鈴薯生物力學特性進行機械收獲損傷分析的較多，而針對實際作業(yè)中有土壤保護的情況下，塊莖之間、塊莖與挖掘鏟之間、塊莖與分離裝置之間、塊莖與不同材料之間的碰撞損傷機理研究相對較少。針對馬鈴薯收獲機械結構參數(shù)和運動參數(shù)進行減損設計較多，而在減損材料方面的研究較少。為此，對馬鈴薯收獲過程各工序和各部件對塊莖損傷機理和減損技術進行系統(tǒng)地理論研究將是學者們在前人研究基礎上努力的方向。

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Current Status and Progress of Damage Mechanism in Potato Mechanization Harvesting

LI Hui1,WU Jian-min2*,SUN Wei2et al

(1.Lanzhou City University,Lanzhou,Gansu 730070;2.College of Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou,Gansu 730070)

The research status and progress of damage mechanism were elaborated from aspects of potato harvesting,storage,transportation and processing,which will provide reference for research on harvesting mechanization and technology of potato.

Agricultural machine;Potato;Mechanization harvesting;Damage mechanism

甘肅省教育廳項目(2014A-096)；甘肅省農業(yè)科技成果轉化資金計劃項目(144NCNF177)。

李輝(1982- )，男，甘肅武山人，工程師，從事農業(yè)機械化工程研究。*通訊作者，教授，博士生導師，從事保護性耕作機具研究與設計工作。

2016-07-15

S 225.7+1

A

0517-6611(2016)25-227-03