楊金磚 劉凱 朱啟防

摘 要：馬鈴薯具有重要的經(jīng)濟(jì)價值和食用價值，隨著機(jī)械技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的馬鈴薯生產(chǎn)采用了機(jī)械化作業(yè)，由于機(jī)械作業(yè)必須使用金屬材料和傳動裝置，這容易在收獲過程中對馬鈴薯產(chǎn)生一定的損壞，針對這一問題對馬鈴薯損傷原因及特點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并給出了機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯;機(jī)械化收獲;損傷;因素;試驗(yàn)

中圖分類號：TS215 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.06.003

馬鈴薯在我國種植面積十分廣泛，不僅能夠作為糧食蔬菜使用，更是重要的工業(yè)原材料。近年來，國家加大了對馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的支持力度，促使我國的馬鈴薯種植面積和產(chǎn)量不斷增長，在此背景下，加強(qiáng)對馬鈴薯生產(chǎn)的機(jī)械化技術(shù)研究對于優(yōu)化馬鈴薯生產(chǎn)開發(fā)過程，提升馬鈴薯相關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。就目前而言，我國馬鈴薯收獲機(jī)械在收獲效率和品質(zhì)方面還有較大的提升空間。其中，減少馬鈴薯收獲過程中的損傷率是機(jī)械技術(shù)提升的主要方向之一，通過實(shí)際生產(chǎn)過程證明，馬鈴薯主要的損傷原因來自于機(jī)械化或人工收獲過程，而來自后期包裝處理等環(huán)節(jié)損傷不超過30%。在機(jī)械化收獲、清選和篩選過程中造成的損傷，很容易導(dǎo)致馬鈴薯的變質(zhì)和腐爛，嚴(yán)重影響最終產(chǎn)量，給馬鈴薯經(jīng)營者帶來顯著的經(jīng)濟(jì)損失。

1 機(jī)械收獲損傷的基本情況

馬鈴薯的機(jī)械化收獲技術(shù)的應(yīng)用和推廣在很大程度上保障了國家糧食安全并提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。但據(jù)統(tǒng)計，在機(jī)械化收獲的過程中，造成馬鈴薯損傷的因素超過70%來自于收獲機(jī)，馬鈴薯塊莖損傷在一定程度降低了種薯質(zhì)量、外觀和實(shí)際品質(zhì)，嚴(yán)重影響了馬鈴薯進(jìn)一步利用率，使初級加工產(chǎn)品的質(zhì)量和馬鈴薯方便食品產(chǎn)業(yè)品質(zhì)在不同程度降低，不利于馬鈴薯加工產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，這也對馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展形成了制約。

2 馬鈴薯的主要損傷形式

在機(jī)械化收獲馬鈴薯的工作中，收獲機(jī)各部件的快速運(yùn)轉(zhuǎn)會導(dǎo)致馬鈴薯始終處于隨機(jī)運(yùn)動中，馬鈴薯會不斷受到擠壓、碰撞、摩擦等不利影響。在多方受力的作用下很容易引起馬鈴薯的損傷，根據(jù)損傷位置不同，可將損傷大體分為表面損壞和內(nèi)部損壞兩類。

2.1 表面損壞

馬鈴薯的表層保護(hù)是其品質(zhì)保持與長期存放的基本保證，完好的表皮能有效避免馬鈴薯塊莖脫水和變質(zhì)。但是機(jī)械化收獲必須在機(jī)械元件的不停運(yùn)轉(zhuǎn)中完成，加之高效率的快速作業(yè)條件下馬鈴薯會與金屬零件、其他馬鈴薯不斷的發(fā)生摩擦與撞擊，導(dǎo)致表層部分區(qū)域脫落或起皮（圖1a），這不僅會影響馬鈴薯的外觀品質(zhì)，更可能在儲運(yùn)時期即發(fā)生腐爛變質(zhì)問題。

2.2 內(nèi)部損壞

在馬鈴薯收獲中部分馬鈴薯可能會受到較為嚴(yán)重的碰撞、沖擊和擠壓導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)生損傷，這些損傷會使局部塊莖組織形成黑斑，隨著時間的延長，馬鈴薯的內(nèi)部會產(chǎn)生物理和化學(xué)性質(zhì)的變化，從而導(dǎo)致在受損處出現(xiàn)變質(zhì)甚至裂縫（圖1b），嚴(yán)重影響馬鈴薯的銷售和收益。

3 機(jī)械損傷對馬鈴薯的不利影響

馬鈴薯的損傷會引起實(shí)際收獲的馬鈴薯產(chǎn)量明顯低于收獲前產(chǎn)量，部分馬鈴薯即使仍然可以銷售，但由于其外觀影響，市場銷售價格也會降低，從而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際效益。生產(chǎn)實(shí)踐證明，機(jī)械化收獲過程的機(jī)械損傷是馬鈴薯產(chǎn)量的重要影響因素，通過實(shí)際收獲和儲運(yùn)過程統(tǒng)計，馬鈴薯的損傷原因及所占比例情況如下：機(jī)械收獲導(dǎo)致表皮損傷的馬鈴薯約占總產(chǎn)量的21%，內(nèi)部損傷的數(shù)量也會超過12%，而在運(yùn)輸過程中的損傷僅為7%，儲藏過程馬鈴薯因破損而變質(zhì)的量也達(dá)到15%，這造成了十分嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

損傷后的馬鈴薯，在其受損部位會由于代謝原因產(chǎn)生酚類、黃酮類、生物堿等成分，顯著降低其營養(yǎng)價值和食用質(zhì)量，且不良成分的嚴(yán)重超標(biāo)還可能對人體產(chǎn)生毒害，產(chǎn)生惡劣的食品安全問題。

4 試驗(yàn)研究

由于機(jī)械化收獲質(zhì)量對馬鈴薯品質(zhì)會產(chǎn)生明顯影響，因此在機(jī)械化生產(chǎn)的背景下，要保證馬鈴薯收獲作業(yè)高效、科學(xué)的發(fā)展，必須要合理分析并優(yōu)化馬鈴薯機(jī)械收獲中損傷率過高的問題。通過實(shí)驗(yàn)研究馬鈴薯損傷的機(jī)理與原因，能夠?yàn)轳R鈴薯收獲機(jī)的合理化改進(jìn)提供理論依據(jù)。

4.1 基本情況說明

本次試驗(yàn)為室內(nèi)試驗(yàn)，由于馬鈴薯的形狀不規(guī)則，因此只通過重量來區(qū)別其體積，根據(jù)重量的不同，馬鈴薯大體可分為大中小三類，其中小馬鈴薯為重量小于100 g的塊莖，中馬鈴薯為重量在100 ～250 g的塊莖，大馬鈴薯為重量大于250 g的塊莖。實(shí)驗(yàn)中選取的馬鈴薯在體積上相對平均，大中小種類均有，實(shí)驗(yàn)前的馬鈴薯外表光滑無破損。

本次實(shí)驗(yàn)室用的設(shè)備包括以下幾類：（1）普通稱量設(shè)備。包括刻度尺、游標(biāo)卡尺、天平等。（2）萬能試驗(yàn)機(jī)。用以完成對馬鈴薯的拉伸、壓縮、剝離及刺破等試驗(yàn)，并方便相關(guān)參數(shù)的顯示。（3）動態(tài)測試分析設(shè)備。用以完成對馬鈴薯應(yīng)力應(yīng)變、振動、沖擊、溫度等試驗(yàn)，并方便對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析（圖2）。（4）測力傳感器。用于測量瞬時壓力和沖擊力。

4.2 試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)論

（1）下跌高度對損傷的影響情況。本試驗(yàn)選擇了5組不同高度進(jìn)行跌落，碰撞材料選取為45#鋼，馬鈴薯的含水率在73%～77%之間。試驗(yàn)說明隨著高度增加，馬鈴薯下落過程受到的沖擊增大，由于45#鋼在碰撞過程中的瞬時變形量相對較小，可視為定值，因此，馬鈴薯承擔(dān)主要的變形和反彈。為減小馬鈴薯喂入后的擠壓、碰撞、沖擊，在拋薯和各工序轉(zhuǎn)移過程中，應(yīng)注意下落高度的控制。

（2）應(yīng)用材料對損傷的影響情況。以4種不同碰撞材料進(jìn)行試驗(yàn)，分別為45#鋼、橡膠、馬鈴薯和干燥土塊，每組試驗(yàn)進(jìn)行5次，取平均值進(jìn)行分析。通過試驗(yàn)可知，對于硬度較大的金屬材料，在碰撞過程中變形小，導(dǎo)致接觸面積小，沖擊較大，而土塊、橡膠、馬鈴薯等材料因硬度相對小，能起到一定的緩沖作用，從而減少損傷的發(fā)生。

（3）馬鈴薯含水率對損傷的影響情況。對于馬鈴薯含水率的試驗(yàn)，選取土壤中放置時間相差6天的馬鈴薯進(jìn)行2組相同情況的跌落試驗(yàn)，其中第一組試驗(yàn)在第二組之前6天進(jìn)行，此時馬鈴薯成熟度相對更低，含水率高。試驗(yàn)中，馬鈴薯含水率更高的一組，在馬鈴薯跌落與材料碰撞中產(chǎn)生的變形量更大，導(dǎo)致馬鈴薯在與碰撞材料接觸中的黏性變大，所造成的能量損失也隨之增大。

（4）跌落磕傷位置分析。在馬鈴薯機(jī)械化收獲過程中，較高的跌落多趨向于自由落體運(yùn)動，因此在馬鈴薯的多次自由落體運(yùn)動中，由于重力的影響，無論馬鈴薯的初始跌落狀態(tài)如何，其在跌落過程中均會自行調(diào)整和旋轉(zhuǎn)，使體積更大的一側(cè)率先落下與下方產(chǎn)生撞擊，這使馬鈴薯在撞擊中的平均接觸面積增大，有利于減輕馬鈴薯的平均受損程度。

5 收獲機(jī)械結(jié)構(gòu)及使用的優(yōu)化建議

（1）合理設(shè)計馬鈴薯收獲過程的跌落路徑，盡量采取斜坡滾落、二級緩沖等方式降低馬鈴薯下落過程的沖擊強(qiáng)度，通過合理的機(jī)械設(shè)計，縮小馬鈴薯下落的垂直高度，以保證損傷的最小化。

（2）合理選擇馬鈴薯收獲機(jī)的零件材質(zhì)。對于可以使用橡膠等軟性材料覆蓋的零件或其他可能磕碰的區(qū)域，盡量通過機(jī)械設(shè)計完成材料的優(yōu)化，以達(dá)到減少馬鈴薯損傷的目的。

（3）合理選擇收獲時期。上述實(shí)驗(yàn)說明，馬鈴薯的含水率與其機(jī)械收獲的破損率直接相關(guān)，因此，收獲的時間選擇應(yīng)盡量在馬鈴薯更加成熟的時期進(jìn)行，以避免含水率過大造成的經(jīng)濟(jì)損失。

6 結(jié)束語

在機(jī)械化收獲馬鈴薯的過程中，存在磕碰等損傷問題是不可避免的，但通過對機(jī)械部件優(yōu)化、收獲條件改善以及新技術(shù)的實(shí)施，能夠有效降低馬鈴薯的損傷率，這需要農(nóng)機(jī)研發(fā)人員對于馬鈴薯機(jī)械損傷的機(jī)理和規(guī)避措施進(jìn)行理論研究與機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)際問題的設(shè)計優(yōu)化，使馬鈴薯收獲機(jī)在滿足功能要求的情況下，最大程度的保證收獲質(zhì)量，進(jìn)一步提升馬鈴薯收獲的經(jīng)濟(jì)效益。

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