馬鈴薯低損收獲技術(shù)

趙晉 黃赟 柳國(guó)光 徐錦大

摘 要： 馬鈴薯是重要的糧食作物，對(duì)于保障糧食安全具有積極作用，在其生產(chǎn)過程中，機(jī)械化收獲是促進(jìn)高效生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，馬鈴薯機(jī)械化收獲過程中會(huì)造成薯塊損傷，進(jìn)而容易引起薯塊腐爛，影響整體品質(zhì)和產(chǎn)量，在一定程度上限制了馬鈴薯機(jī)械化收獲技術(shù)的推廣應(yīng)用。闡述了國(guó)內(nèi)外馬鈴薯收獲裝備研究狀況，探討分析了防纏繞、挖掘、薯土分離和集薯等收獲技術(shù)及其過程中存在的馬鈴薯機(jī)械損傷情況，以期提高馬鈴薯機(jī)收效果。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；低損收獲技術(shù)；機(jī)械化收獲

中圖分類號(hào)：S22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1795（2023）08-0014-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.003

0 引言

馬鈴薯是根莖類作物，具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，是重要的糧食作物，也可作為蔬菜、休閑食品、工業(yè)原料。馬鈴薯在全球廣泛種植，目前我國(guó)馬鈴薯總產(chǎn)量居世界首位[1]。馬鈴薯生產(chǎn)屬于勞動(dòng)密集型作業(yè)，尤其是收獲環(huán)節(jié)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，雖然目前已有機(jī)械收獲，但仍以人工挖掘或分段收獲為主。統(tǒng)計(jì)顯示，2017 年我國(guó)馬鈴薯機(jī)收率21.88%，生產(chǎn)機(jī)械化水平遠(yuǎn)低于水稻、小麥和玉米等糧食作物，機(jī)械化收獲技術(shù)發(fā)展空間巨大[2]?！蛾P(guān)于推進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)開發(fā)的指導(dǎo)意見》中明確提出，將馬鈴薯作為主糧產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)裝備作為保障安全生產(chǎn)的重要手段，其質(zhì)量水平面臨更大挑戰(zhàn)[3]。

由于收獲機(jī)械的關(guān)鍵部件是金屬材料，在應(yīng)用過程中，薯塊不可避免的會(huì)受到損傷，受損薯塊外觀商品性差且容易腐爛，不利于儲(chǔ)藏、加工和銷售，從而引起一定的產(chǎn)量損耗。隨著“減損就是增產(chǎn)，降耗就是增效”意識(shí)的不斷強(qiáng)化，節(jié)糧減損已成為提高糧食安全保障水平的重要方向。因此，馬鈴薯低損收獲技術(shù)的研究對(duì)于提高馬鈴薯品質(zhì)、促進(jìn)馬鈴薯生產(chǎn)開發(fā)乃至確保糧食安全具有重要意義。本研究闡述國(guó)內(nèi)外馬鈴薯收獲裝備研究狀況，探討分析防纏繞、挖掘、薯土分離、集薯等收獲技術(shù)及其過程中存在的馬鈴薯機(jī)械損傷情況，以期提高馬鈴薯機(jī)收效果。

1 收獲裝備現(xiàn)狀

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)于農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究起步早、水平高，直到20 世紀(jì)中葉，歐美國(guó)家，以及日本、韓國(guó)等先后實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯機(jī)械化收獲，產(chǎn)品類型也由牽引式挖掘機(jī)逐步發(fā)展到自走式聯(lián)合收獲機(jī)[4]。目前，在美國(guó)、德國(guó)等多平原的國(guó)家，馬鈴薯機(jī)械化收獲多是采用聯(lián)合收獲機(jī)直接收獲馬鈴薯，在意大利、日本、韓國(guó)等多山地種植的國(guó)家，則通常采用挖掘機(jī)械配合具有分選功能的撿拾機(jī)進(jìn)行分段收獲[3-4]。在馬鈴薯收獲機(jī)械品牌中，德國(guó)格力莫公司的TECTRON415 型全功能收獲機(jī)、比利時(shí) AVR 公司的Espirit 機(jī)械收獲設(shè)備、波蘭 Akpil 公司的BULWA2-2 型馬鈴薯挖掘機(jī)等機(jī)型，自動(dòng)化程度高、收獲效率高、制造技術(shù)水平高，在行業(yè)內(nèi)具有較高的知名度[5-6]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于馬鈴薯收獲機(jī)械的研究始于20 世紀(jì)60年代，與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)研發(fā)側(cè)重于中小機(jī)型，通過科研院所和制造企業(yè)的不斷探索，出現(xiàn)了一批具有代表性的產(chǎn)品。如中機(jī)美諾系列1700 型馬鈴薯收獲機(jī)，填補(bǔ)了我國(guó)大型馬鈴薯收獲機(jī)的空白[5-6]。洪珠4U-170 型馬鈴薯收獲機(jī)則適用于分段收獲，機(jī)型小巧、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、性價(jià)比高，推廣應(yīng)用較為廣泛，并且更適于丘陵山區(qū)、小田塊等地形使用[6]。

統(tǒng)計(jì)顯示，南方丘陵山區(qū)地塊面積占全國(guó)60% 以上，是我國(guó)馬鈴薯、甘薯等薯類作物的主要產(chǎn)區(qū)[7]。丘陵山區(qū)田塊小、坡度不一致、土壤黏性重易板結(jié)，不適宜采用大型聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行馬鈴薯收獲，同時(shí)，馬鈴薯種植品種多樣、種植模式各異，對(duì)機(jī)型專用性要求高。根據(jù)種植農(nóng)藝條件，目前丘陵山區(qū)馬鈴薯收獲基本采用分段式收獲，而受限于地形地貌，現(xiàn)有馬鈴薯收獲機(jī)在實(shí)地應(yīng)用中存在收獲效率低、薯土分離效果不佳、傷薯率和破皮率較高，這些現(xiàn)象限制了機(jī)械的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了馬鈴薯收獲機(jī)械化程度較平原地區(qū)低很多，制約著馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的提升發(fā)展[8]。

2 收獲技術(shù)與損傷分析

傷薯率、破皮率和明薯率是評(píng)價(jià)馬鈴薯收獲機(jī)械性能的重要指標(biāo)，在機(jī)械收獲過程中，殺秧、切土、挖掘、薯土分離和收集等工序都將對(duì)馬鈴薯?yè)p傷產(chǎn)生影響，碰撞、摩擦、剪切和碾壓是造成馬鈴薯出現(xiàn)損傷的主要原因[9]。研究顯示，70% 的馬鈴薯機(jī)械損傷是由收獲環(huán)節(jié)產(chǎn)生的，損傷形式主要表現(xiàn)為表皮破損、薯塊破裂、組織褐變等，這些損傷會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯潰爛，無法儲(chǔ)藏和銷售，直接影響農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)效益[10]。近年來，國(guó)內(nèi)外研究人員通過試驗(yàn)、仿真等形式開展了較多關(guān)于馬鈴薯機(jī)械損傷機(jī)理的研究，探尋馬鈴薯受損情況與收獲機(jī)收獲工序間的關(guān)聯(lián)，以此改進(jìn)收獲機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、優(yōu)化工作參數(shù)，進(jìn)而提升整機(jī)工作性能和收獲效果[11]。

2.1 防纏繞技術(shù)

殺秧是馬鈴薯采收的前置工序，為了避免馬鈴薯藤蔓纏繞收獲機(jī)械，影響機(jī)械收獲，通常采用機(jī)具先對(duì)藤蔓進(jìn)行切割清理，但是由于馬鈴薯種植深度差異，存在殺秧機(jī)具碰撞到位于淺土層的薯塊，甚至將其連著藤蔓拉出土層，進(jìn)而致使薯塊破損。由于現(xiàn)有殺秧機(jī)具無法將壟溝底部的藤蔓清理干凈，有時(shí)會(huì)存在殺秧效果不理想，馬鈴薯殘?zhí)?、雜草較多，在后續(xù)薯土分離時(shí)，升運(yùn)鏈輪容易被其纏繞引起積累堵塞，增加了機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)阻力，增大薯塊與升運(yùn)機(jī)構(gòu)間的碰撞程度，甚至造成機(jī)構(gòu)損壞。王濤等[12] 設(shè)計(jì)的防纏裝置安裝在收獲機(jī)前端兩側(cè)，采用滑切方式切斷藤蔓，裝置由圓盤式切草刀、刀軸和軸承座等構(gòu)成，通過鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，兩側(cè)刀軸設(shè)有正反螺紋，圓盤刀所受摩擦力與圓盤刀轉(zhuǎn)向一致，切斷的藤蔓跟隨分離裝置掉落至后方或擋至于機(jī)架側(cè)板外。戰(zhàn)長(zhǎng)齡等[13] 設(shè)計(jì)了兩種防纏繞裝置，其中被動(dòng)式防纏繞裝置采用橫向旋轉(zhuǎn)式作業(yè)，主要由兩組帶有螺旋葉片的輥筒構(gòu)成，主動(dòng)式防纏繞裝置主要由輥筒、切刀、軸承、驅(qū)動(dòng)齒輪及帶輪等構(gòu)成，作業(yè)時(shí)兩組輥筒反方旋轉(zhuǎn)，田間試驗(yàn)顯示防纏繞性能上，主動(dòng)式優(yōu)于被動(dòng)式。

2.2 挖掘技術(shù)

挖掘是造成傷薯現(xiàn)象較嚴(yán)重的工序之一，由于馬鈴薯生長(zhǎng)于土層下，挖掘效果受到挖掘鏟結(jié)構(gòu)形式、入土角度、入土深度的影響。種植時(shí)的地壟彎曲、壟形坍塌、壟溝填沒等，容易導(dǎo)致挖掘鏟對(duì)行偏離、挖掘深度不均。若挖掘鏟入土深度過淺，會(huì)導(dǎo)致挖掘鏟運(yùn)動(dòng)軌跡與馬鈴薯生長(zhǎng)區(qū)域位置重疊，造成薯塊的剪切損傷，或是壓土輪造成的薯塊碾壓損傷；挖掘鏟入土過深，則會(huì)增大土壤挖掘量，增加機(jī)械前進(jìn)阻力，造成薯土分離時(shí)含土量過大，影響分篩效果，還可能導(dǎo)致薯塊重埋入土，降低明薯率[14-15]。因此，應(yīng)加強(qiáng)挖掘深度控制技術(shù)的研究，以提升挖掘深度和位置的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠。李濤等[16] 設(shè)計(jì)的挖掘深度自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用傳感器、液壓和單片機(jī)等綜合控制技術(shù)，利用接觸式深度探測(cè)系統(tǒng)，可根據(jù)地壟高度實(shí)時(shí)調(diào)整挖掘深度。此外，挖掘鏟與薯土分離裝置間的合理銜接，挖掘鏟結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化，可提高薯土通過順暢性，減小挖掘阻力，減輕薯塊間的摩擦、碰撞損傷。近年來，仿生技術(shù)被大量應(yīng)用在挖掘鏟形式的設(shè)計(jì)中，研究人員根據(jù)野豬、螻蛄、獾和田鼠等擅于掘土的動(dòng)物拱嘴或爪趾外形，優(yōu)化改進(jìn)了挖掘鏟外形及其運(yùn)動(dòng)軌跡，相比原來的平面鏟形，具備更優(yōu)的減阻性能[17-18]。

2.3 薯土分離技術(shù)

薯土分離是通過振動(dòng)或抖動(dòng)方式完成，分離薯土的同時(shí)向后運(yùn)輸馬鈴薯，分離裝置形式主要有桿條升運(yùn)鏈?zhǔn)健[動(dòng)篩式和撥輥推送式，其中以桿條升運(yùn)鏈?zhǔn)綉?yīng)用最為廣泛[19-20]。馬鈴薯和土壤分離運(yùn)輸?shù)倪^程中不斷被向后上方拋甩，由此會(huì)在薯土分離裝置上產(chǎn)生跳動(dòng)、翻滾和前后移動(dòng)，薯塊與升運(yùn)桿條之間、薯塊與薯塊之間都會(huì)存在相互摩擦、碰撞，由此會(huì)造成馬鈴薯表皮破損、內(nèi)部組織損傷，升運(yùn)鏈振動(dòng)幅度越大，碰撞時(shí)的相對(duì)速度越大，損傷也越嚴(yán)重。武德勇[21]通過Hertz 接觸理論分析發(fā)現(xiàn)，損傷程度與馬鈴薯質(zhì)量、跌落高度、馬鈴薯彈性模量和橡膠管厚度等因素相關(guān)，合理設(shè)置升運(yùn)鏈傾角、抖動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)軌跡半徑和抖動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，優(yōu)化提升升運(yùn)鏈作業(yè)質(zhì)量，可有效減少馬鈴薯在薯土分離環(huán)節(jié)中的損傷。如若整機(jī)機(jī)架空間不夠，會(huì)出現(xiàn)薯土堆積在分離運(yùn)輸環(huán)節(jié)，影響通過順暢性，增大了馬鈴薯受損機(jī)率。

2.4 集薯技術(shù)

集薯過程中出現(xiàn)的薯塊跌落比較容易引起薯塊內(nèi)部組織損傷，特別是采用二級(jí)或多級(jí)輸送集薯技術(shù)時(shí)，提升坡度大、輸送距離長(zhǎng)，輸送分離裝置末端高度過高，薯塊下落時(shí)受到的沖擊更強(qiáng)，損傷程度也較重。增加尾篩裝置為馬鈴薯下落過程提供輔助緩沖，能夠減輕馬鈴薯的損傷程度[14]。不論是應(yīng)用分段式收獲機(jī)后由人工撿拾套袋，還是應(yīng)用聯(lián)合收獲機(jī)完成自動(dòng)裝箱，收集過程中都會(huì)產(chǎn)生馬鈴薯間的相互碰撞損傷。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用離散元仿真、有限元分析、試驗(yàn)測(cè)試等多手段結(jié)合，開展對(duì)馬鈴薯機(jī)械損傷機(jī)理的研究，可為馬鈴薯收獲機(jī)械性能的提升改進(jìn)提供理論依據(jù)。未來需要針對(duì)不同地域土壤性質(zhì)，進(jìn)一步明確馬鈴薯、土壤、機(jī)械裝置之間的動(dòng)力學(xué)特性，提高馬鈴薯收獲機(jī)的通用性和可靠性，不斷推動(dòng)我國(guó)馬鈴薯機(jī)械化收獲技術(shù)的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

孫傳祝，魏忠彩，蘇國(guó)粱，等．基于高效低損目標(biāo)的馬鈴薯收獲機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2018（12）：65-69．

SUN Chuanzhu， WEI Zhongcai， SU Guoliang， et al． Improveddesign of potato harvester based on high efficiency and low losstarget[J]．Journal of Agricultural Mechanization Research，2018（12）：65-69．

胡彬生，駱贊磊，邱瑜，等．南方丘陵山區(qū)薯類生產(chǎn)機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展思路：以江西省為例[J]．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2020，41（2）：69-75．

HU Binsheng， LUO Zanlei， QIU Yu， et al． Research statusand developmentpath of tuber production mechanization in China souther hillyarea： take Jiangxi Province as an example[J]． Modern AgriculturalEquipment，2020，41（2）：69-75．

張兆國(guó)，李彥彬，王海翼，等．馬鈴薯機(jī)械化收獲關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究進(jìn)展[J]．云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2021，36（ 6）：1 092-1 103．

ZHANG Zhaoguo， LI Yanbin， WANG Haiyi， et al． Research progresson key technology and equipment of potato mechanized harvest[J]． Journal of Yunnan Agricultural University （ Natural Science） ，2021，36（6）：1 092-1 103．

郭新峰．小型馬鈴薯收獲機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與研究[D]．石河子：石河子大學(xué)，2017．

GUO Xinfeng． Design and research on the key components of smallpotatoharvester[D]．Shihezi：Shihezi University，2017．

胡良龍，田立佳，計(jì)福來，等．國(guó)內(nèi)甘薯生產(chǎn)收獲機(jī)械化制因思索與探討[J]．中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2011（3）：16-18．

HU Lianglong， TIAN Lijia， JI Fulai， et al． Analysis and discussionon the restriction causations for harvesting mechanization of sweet potatoin China[J]．China Agricultural Mechanization，2011（3）：16-18．

竇青青，孫永佳，孫宜田，等．國(guó)內(nèi)外馬鈴薯收獲機(jī)械現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019，40（9）：206-210．

DOU Qingqing， SUN Yongjia， SUN Yitian， et al． Current situationand development of potato harvesting machinery at home and abroad[J]． Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2019， 40（ 9） ：206-210．

徐錦大，王濤，吳列洪，等．丘陵山區(qū)薯類生產(chǎn)裝備有效供給的現(xiàn)狀與對(duì)策[J]．中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2017，38（5）：129-134．

XU Jinda， WANG Tao， WU Liehong， et al． Present situation andcountermeasures about effective supply of potato production equipment inhilly and mountainous areas[J]． Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2017，38（5）：129-134．

柳國(guó)光， 王濤， 程林潤(rùn)， 等． 馬鈴薯收獲農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程，2021，11（6）：28-33．

LIU Guoguang，WANG Tao，CHENG Linrun，et al．Experiment onintegration of agricultural machinery and agronomy for potato harvest[J]．Agricultural Engineering，2021，11（6）：28-33．

唐興隆，任桂英，張濤，等．西南地區(qū)馬鈴薯收獲損傷原因綜述[J]．農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2020（9）：93-94．

康璟，李濤，王蒂，等．馬鈴薯收獲中機(jī)械損傷的分析與思考[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械，2013（7）：137-139．

呂金慶，楊曉涵，溫信宇．馬鈴薯塊莖機(jī)械損傷研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[C]//中國(guó)作物學(xué)會(huì)馬鈴薯專業(yè)委員會(huì)，甘肅省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳，定西市人民政府．馬鈴薯產(chǎn)業(yè)與美麗鄉(xiāng)村（2020）．黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，2020．DOI：10.26914/c.cnkihy.2020.018989．

王濤，柳國(guó)光，樓婷婷，等．丘陵山區(qū)甘薯收獲機(jī)的研制與試驗(yàn)[J]．中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019，40（12）：41-46，71．

WANG Tao，LIU Guoguang，LOU Tingting，et al．Development andtest of sweet potato harvester in hilly area[J]．Journal of Chinese AgriculturalMechanization，2019，40（12）：41-46，71．

戰(zhàn)長(zhǎng)齡，蔣金琳，周申，等．馬鈴薯收獲機(jī)防纏繞裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2015（12）：193-196．

ZHAN Changling，JIANG Jinlin，ZHOU Shen，et al．Design and testof potato harvesting machine with anti-winding device[J]． Journal ofAgricultural Mechanization Research，2015（12）：193-196．

魏忠彩，李學(xué)強(qiáng)，孫傳祝，等．馬鈴薯收獲與清選分級(jí)機(jī)械化傷薯因素分析[J]．中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2017，19（8）：63-70．

WEI Zhongcai， LI Xueqiang， SUN Chuanzhu， et al． Analysis of potato mechanical damage in harvesting and cleaning and sortingstorage[J]． Journal of Agricultural Science and Technology， 2017，19（8）：63-70．

柳國(guó)光，王濤，姚愛萍，等．浙江省馬鈴薯機(jī)械化收獲關(guān)鍵技術(shù)探討[J]．中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019，40（8）：48-52．

LIU Guoguang，WANG Tao，YAO Aiping，et al．Discussion on keytechnologies of potato mechanized harvesting in Zhejiang Province[J]．Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2019，40（8）：48-52．

李濤，李娜，劉存根，等．薯類收獲機(jī)挖掘深度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，52（12）：16-23．

LI Tao，LI Na，LIU Cungen，et al．Development of automatic depthcontrol system employed in potato harvester[J]． Transactions of theChinese Society for Agricultural Machinery，2021，52（12）：16-23．

崔剛，馬云海，楊德秋，等．馬鈴薯挖掘鏟仿生減阻技術(shù)研究概況[J]．農(nóng)業(yè)工程，2019，9（9）：19-22．

CUI Gang， MA Yunhai， YANG Deqiu， et al． Research situation ofbionic resistance reducing technology about potato digging shovel

[J]．Agricultural Engineering，2019，9（9）：19-22．

趙萍，趙吉喆，樊昱，等．馬鈴薯仿生挖掘鏟的設(shè)計(jì)與有限元靜力學(xué)分析[J]．中國(guó)科技論文，2017，12（22）：2 543-2 548．

ZHAO Ping， ZHAO Jizhe， FAN Yu， et al． Design and finite elementstress analysis on the potato bionic digging shovel[J]． ChineseScience and Technology Paper，2017，12（22）：2 543-2 548．

侯國(guó)強(qiáng)，韓休海，陳維剛．馬鈴薯收獲機(jī)工作原理與傷薯問題產(chǎn)生機(jī)理研究[J]．農(nóng)機(jī)使用與維修，2021（8）：20-21．［19］

鄧偉剛． 馬鈴薯塊莖碰撞損傷特性與表皮摩擦損傷機(jī)理研究[D]．呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2021．

DENG Weigang．Study on the collision damage characteristics and peelfriction damage mechanisms of potato tubers[D]．Hohhot：Inner MongoliaAgricultural University，2021．

武德勇． 馬鈴薯與桿條升運(yùn)鏈碰撞損傷試驗(yàn)研究與參數(shù)設(shè)計(jì)[D]．楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2022．

WU Deyong． Experimental study on collision damage of rod liftingchain to potato and parameter design[D]．Yangling：Northwest A & FUniversity，2022．