馬鈴薯機械化收獲淺析

朱新恬 劉文文 祁東凱 王靜靜

(甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207)

引言

馬鈴薯作為中國第4大作物，其種植價值僅次于小麥、水稻和玉米。馬鈴薯因非常適合栽培，而被廣泛種植，其還具有產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富的特點，可以作為食品、蔬菜、飼料。我國馬鈴薯種植面積和總產(chǎn)量在世界上排名靠前，種植面積也超過550萬hm2。隨著馬鈴薯種植面積的不斷擴大，生產(chǎn)馬鈴薯所需的勞動強度也在增加。因此，提高馬鈴薯機械化收獲技術(shù)水平就顯得格外重要。

1 馬鈴薯發(fā)展現(xiàn)狀

馬鈴薯主要在黑龍江、內(nèi)蒙古、山西、陜西、甘肅等地種植。此外，由于我國對馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的扶持，馬鈴薯種植也成為農(nóng)業(yè)的焦點。因此，馬鈴薯收獲機械化的研究顯得尤為重要。馬鈴薯機械化技術(shù)研究成果對優(yōu)化馬鈴薯生產(chǎn)開發(fā)技術(shù)，提高馬鈴薯相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。目前，我國馬鈴薯收獲機的收獲效率和質(zhì)量還有很大的提升空間。其中，降低馬鈴薯收獲過程中的損傷率是機械技術(shù)改進的主要方向之一。馬鈴薯損傷的主要原因為機械或人工收割，后續(xù)包裝處理的損傷不超過30%。機械化收獲、清理和篩選所造成的危害極易造成馬鈴薯的變質(zhì)和腐爛，導(dǎo)致馬鈴薯最后的產(chǎn)量受到影響，讓馬鈴薯種植者的收益降低。

2 馬鈴薯機械收獲原理及相應(yīng)參數(shù)

機械化收獲馬鈴薯的主要原理為當拖拉機正在工作時，拖拉機的動力會通過一系列傳動裝置傳遞至挖掘機的振動篩，使得振動篩前后移動；向前時，挖土、鏟土，泥土和馬鈴薯被送回振動篩。振動篩震動土壤，馬鈴薯留在挖掘機后手動取袋。挖掘機挖掘?qū)挾茸畲鬄?0cm；挖掘深度可以通過手動來調(diào)，有5檔，最大挖掘深度為18cm；拖拉機工作時，驅(qū)動軌道調(diào)整至60cm。收獲前，應(yīng)及時拔除馬鈴薯幼苗或用鐮刀除草，運轉(zhuǎn)速度應(yīng)為2～3檔。

3 我國馬鈴薯機械化收獲存在的問題

目前，我國馬鈴薯機械收獲的種類很多，但能減少馬鈴薯損傷的設(shè)備卻很少，這方面的理論研究相對缺乏。通過對機械收獲設(shè)備部分結(jié)構(gòu)的研究分析，研究人員還分析了馬鈴薯損傷的原因。

3.1 自動化水平不夠

很久以前，我國就開始研究機械收獲的相關(guān)技術(shù)，20世紀80年代，我國開始研究國外的機械收割設(shè)備，目前，我國機械采伐技術(shù)和機械采伐裝備制造能力正在逐步提高。然而，由于產(chǎn)品需求的不同，我國用來收集馬鈴薯機械的設(shè)備有很多種，這些性能在農(nóng)村實踐過程中并沒有得到很好的提高，很難通過將數(shù)字化技術(shù)與智能化技術(shù)相結(jié)合的方式提升設(shè)備的工作效率。特別重要的是，我國機械設(shè)備自動化的水平還不高，不能滿足馬鈴薯生產(chǎn)需要率。

3.2 國內(nèi)馬鈴薯機械收獲設(shè)備功能單一

國產(chǎn)馬鈴薯機械收獲設(shè)備功能過于簡單，功能種類很少。當應(yīng)用到實際收獲時，往往不能滿足馬鈴薯收獲的需要，從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、經(jīng)濟成本高、作業(yè)質(zhì)量大打折扣等問題。其中最主要的原因是操作質(zhì)量不高、收獲時間延長，導(dǎo)致收獲的馬鈴薯質(zhì)量大大降低。因此，我國機械收獲設(shè)備的工作效率不高，不能廣泛推廣。

3.3 機械收獲成本較高且設(shè)備可靠性低

我國對馬鈴薯機械收獲技術(shù)的研究還停留在對以往經(jīng)驗的總結(jié)上，只是對現(xiàn)有的機械進行改進，沒有更深入研究。因此，實際應(yīng)用過程中操作質(zhì)量差影響了馬鈴薯的收獲進度，也造成科研經(jīng)費的浪費。另外，機械收獲設(shè)備的可靠性比較差，在收獲過程中，如果出現(xiàn)損壞，會增加修復(fù)時間，收獲效率將大大降低。特別是在一些惡劣環(huán)境下作業(yè)時，由于作業(yè)難度大，在收獲馬鈴薯時，不利于馬鈴薯與土壤分離，會對馬鈴薯造成損害，因此需要提高馬鈴薯機械收獲設(shè)備的效率。另外，馬鈴薯機械收獲輔助設(shè)備存在動力不足的缺陷，主要表現(xiàn)在挖土、馬鈴薯與土壤分離等方面。在機械收割中，功能損失通常非常嚴重，能夠提供如此大功能的設(shè)備一般只適用于大型拖拉機，然而，我國目前農(nóng)村大多使用中小型設(shè)備。由于無法匹配相應(yīng)的用電需求，在實際運行中經(jīng)常出現(xiàn)用電不足的問題，導(dǎo)致運行效果不佳。

4 使用機械化收獲時馬鈴薯的損傷情況

在使用機械化收獲技術(shù)收獲馬鈴薯時，可以大大提升工作速度，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。然而，根據(jù)以往數(shù)據(jù)統(tǒng)計，馬鈴薯機械化收獲的危害因素大多來自收獲機。馬鈴薯的根莖受到損傷，會降低馬鈴薯的品質(zhì)，外觀損傷會大大降低馬鈴薯的利用率。需要進行馬鈴薯初加工的行業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量將出現(xiàn)不同程度的下降，這將對馬鈴薯初加工工廠的經(jīng)濟效益產(chǎn)生影響，制約馬鈴薯產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。采用機械收割技術(shù)收割馬鈴薯時，機械收割設(shè)備中各部件的高速運轉(zhuǎn)會對馬鈴薯造成一定損傷，造成馬鈴薯的擠壓、碰撞和摩擦，損壞馬鈴薯的外觀和內(nèi)部。

4.1 外表損壞

馬鈴薯的表面完整是馬鈴薯品質(zhì)保持和長期貯藏的基本條件。良好的表面處理能有效地避免馬鈴薯塊莖脫水變質(zhì)。但是，機械化收割必須在機械部分的連續(xù)作業(yè)中完成，而在高效快速運行的條件下，馬鈴薯會不斷與金屬零件及其它馬鈴薯發(fā)生摩擦和撞擊，造成表面剝落或損傷。這不僅會影響馬鈴薯的外觀質(zhì)量，還會造成馬鈴薯在儲運過程中的腐爛。

4.2 內(nèi)部損壞

機械收獲馬鈴薯會使馬鈴薯受到嚴重撞擊、擠壓等，造成馬鈴薯內(nèi)部損傷。國外對生物材料的動態(tài)力學(xué)和損傷特性進行了大量研究，結(jié)果表明，沖擊速率對損傷壓力、拉伸和彈性系數(shù)有很大影響；研究人員發(fā)現(xiàn)，在一定能量條件下，損傷類型取決于撞擊時間和載荷速度。低加載速率主要產(chǎn)生黑點和內(nèi)部變形；高加載速率主要產(chǎn)生內(nèi)部破壞，沖擊損傷類型也會不斷變化。研究人員通過試驗證明，生物屈服點并不是細胞破裂的起點，提高應(yīng)變率可以降低馬鈴薯的破壞應(yīng)力和應(yīng)變。為了研究水果等農(nóng)產(chǎn)品在撞擊后的形態(tài)，研制了一種擺錘裝置來進行檢測，這個裝置采用集成光電編碼器，可以用來測量沖擊力、位移和速度。

4.3 受損情況對馬鈴薯的影響

馬鈴薯受損后，收獲的實際產(chǎn)量遠低于收獲前。即使受損傷的馬鈴薯能夠進行銷售，市場價格也會因為外觀不完整而降低，從而影響最終收益。在生產(chǎn)實踐中表明，機械化收獲過程中的機械損傷是導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)量變少的主要問題所在。對現(xiàn)實收獲和儲運過程進行統(tǒng)計，馬鈴薯受到傷害的原因和比例如下列數(shù)據(jù)所示：機械收獲過程中導(dǎo)致的馬鈴薯皮害約占總產(chǎn)量的21%，內(nèi)害數(shù)超過12%，而馬鈴薯在運輸過程中的危害只有7%，在儲存過程中由于損壞而使得馬鈴薯變質(zhì)的量高達15%。馬鈴薯受到傷害后，在代謝過程中，受損的馬鈴薯會在受損部位產(chǎn)生酚類、黃酮類、生物堿等非常危險的成分，大大降低馬鈴薯的營養(yǎng)和食用口感。而有害成分一旦超過標準，還會對人體造成毒性，造成食品安全問題。因此，基于機械化收獲對馬鈴薯品質(zhì)產(chǎn)生的重大影響，為了保證馬鈴薯收獲作業(yè)的高效、科學(xué)發(fā)展進行了深入的調(diào)查研究，合理分析和優(yōu)化馬鈴薯機械化收獲中的高破損率問題。通過對馬鈴薯損傷機理及原因的研究，為馬鈴薯收獲機械的合理改進提供理論依據(jù)。

5 機械化收獲馬鈴薯的改進

機械化收獲對馬鈴薯種植生產(chǎn)具有廣闊的市場前景。因此，在今后的發(fā)展研究中，有必要對馬鈴薯機械收獲的應(yīng)用效果進行綜合分析和處理。

5.1 增強機械收獲設(shè)備的可靠性

目前，我國馬鈴薯收獲機械設(shè)備存在零部件斷裂等問題，設(shè)備可靠性低，難以提高在收獲過程中的工作質(zhì)量。因此，需要采用先進的技術(shù)和優(yōu)質(zhì)的材料對這些設(shè)備進行改進，提高機械采伐設(shè)備各個部位的質(zhì)量，從而延長機械設(shè)備的使用壽命，降低機械設(shè)備在使用過程中的維修成本，滿足實際發(fā)展需要。在馬鈴薯機械收獲技術(shù)的發(fā)展過程中，有關(guān)部門需要提高機械設(shè)備的基本性能，提高其對各種土性的適應(yīng)性，改變其應(yīng)力特性，提高對馬鈴薯的保護，以免植物的根系和果實受到傷害，提高其高效性。

5.2 政府應(yīng)該適當加大對機械收獲技術(shù)研發(fā)的扶持力度

馬鈴薯收獲機械設(shè)備的研發(fā)是一項利于民生的項目，而其作為一項惠民工程，應(yīng)該得到政府政策的大力支持。通過對市場進行一定程度的調(diào)整，改革股份制研究機制，動員社會各種力量參與投資和研發(fā)工作，進而全面提高馬鈴薯收獲設(shè)備的性能。對于當?shù)厝罕妬碚f，政府部門應(yīng)該適當增加購買補貼，降低購買成本，利于收獲機械的廣泛應(yīng)用。大多數(shù)適合收獲馬鈴薯的機器功能單一，要收獲機械功能一體化，提高農(nóng)業(yè)機械的使用效率，減少農(nóng)作物損失。

5.3 統(tǒng)一馬鈴薯的種植和收獲標準

我國馬鈴薯種植的土壤、氣候等條件不同，導(dǎo)致實際種植過程中種植方式不同。由于無法統(tǒng)一行距、播種方式等，很難進行機械化收割。因此，要統(tǒng)一種植模式，推廣連作模式，提高馬鈴薯種植的經(jīng)濟效益。除了統(tǒng)一的種植方式外，選擇合適的馬鈴薯收獲機械也非常重要。大部分馬鈴薯收獲機械功能單一，只能將馬鈴薯從土里挖出來，后期還需手動拾取。因此，有關(guān)部門應(yīng)重視相應(yīng)機械的研發(fā)。在深化研究技術(shù)的同時，做好分選、加工等功能的研發(fā)工作，確保收獲機械的功能集成，提高農(nóng)業(yè)機械的使用效率，確保在不同地區(qū)都可以用于生產(chǎn)，以減少農(nóng)作物的損失。

6 結(jié)束語

國內(nèi)外很多學(xué)者都對馬鈴薯塊莖的損傷機理進行了大量并且有效的研究，而且還對馬鈴薯塊莖的損傷力、損傷應(yīng)力、損傷應(yīng)變和彈性模量等力學(xué)和物理的相關(guān)性質(zhì)進行了研究對比，得出了很多有益于研發(fā)馬鈴薯機械獲取的結(jié)論。然而，對于不同機械收獲過程和不同載荷形式對塊莖損傷的研究和理論分析相對較少。目前，根據(jù)馬鈴薯的生物力學(xué)特性，利用仿真技術(shù)對機械收獲損傷進行分析的研究很多，但在實際作業(yè)中，對于塊莖與塊莖之間、塊莖與挖鏟之間、塊莖與分離裝置之間、塊莖與不同物料之間的沖擊破壞機理的研究相對較少。馬鈴薯收獲機械的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)的減損設(shè)計很多，但減損材料的研究卻很少。