馬鈴薯機(jī)械化收獲損傷機(jī)理研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

李 輝，吳建民，孫 偉，劉鵬霞

(1.蘭州城市學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州 730070；3.甘肅省農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣總站，甘肅蘭州 730046)

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馬鈴薯機(jī)械化收獲損傷機(jī)理研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

李 輝1，吳建民2*，孫 偉2，劉鵬霞3

(1.蘭州城市學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州 730070；3.甘肅省農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣總站，甘肅蘭州 730046)

從收獲、貯運(yùn)和加工方面對(duì)馬鈴薯?yè)p傷機(jī)理的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行闡述，為馬鈴薯收獲機(jī)械與技術(shù)的研究提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；馬鈴薯；機(jī)械收獲；損傷機(jī)理

我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)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(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、產(chǎn)業(yè)層次的逐步升級(jí)及收獲機(jī)械化程度的不斷提高，馬鈴薯塊莖損傷問題變得日益嚴(yán)重[2]。在挖掘、土薯分離和裝運(yùn)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(chǎn)量的30%之多[3]。機(jī)械損傷對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)影響的直接體現(xiàn)就是經(jīng)濟(jì)效益的降低。據(jù)英國(guó)馬鈴薯市場(chǎng)協(xié)會(huì)估計(jì)，馬鈴薯?yè)p傷造成的損失每年高達(dá)3 000萬英鎊，約200英鎊/hm2。在美國(guó)，估計(jì)約有26%的毛收入因?yàn)閴K莖損傷而損失掉，僅是1%的表皮擦傷就會(huì)帶給馬鈴薯產(chǎn)業(yè)造成750萬美元的損失[4]。國(guó)際馬鈴薯中心的調(diào)查指出，未來馬鈴薯發(fā)展的首要問題是加工薯的質(zhì)量要求[5]，機(jī)械損傷是制約馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素之一[6]。外部損傷和內(nèi)部損傷會(huì)影響薯塊外觀和內(nèi)在品質(zhì)，進(jìn)而影響馬鈴薯初級(jí)加工產(chǎn)品的質(zhì)量和馬鈴薯方便食品產(chǎn)業(yè)[7]。此外，機(jī)械損傷還會(huì)降低馬鈴薯耐貯性，細(xì)菌通過機(jī)械損傷傷口感染塊莖，受感染部分會(huì)軟化腐爛，進(jìn)一步造成損失。我國(guó)是世界上馬鈴薯種植面積最大的國(guó)家，2010年，馬鈴薯種植面積與產(chǎn)量分別達(dá)到520.53萬hm2和8 154萬t。目前，國(guó)內(nèi)尚無相關(guān)的產(chǎn)量損失統(tǒng)計(jì)，但在相對(duì)更加粗放的收獲及采后處理?xiàng)l件下，馬鈴薯塊莖機(jī)械損傷對(duì)我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)量和產(chǎn)值損失造成的影響可能更大。研究并減輕塊莖在機(jī)械化收獲中損傷問題成為馬鈴薯產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展亟需解決的課題。基于此，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外馬鈴薯機(jī)械化收獲損傷機(jī)理的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行闡述，以期為我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)械與技術(shù)的研究提供理論依據(jù)。

1　國(guó)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(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)初就已經(jīng)開始研究馬鈴薯收獲機(jī)收獲損傷的問題，最終取得了較好的成果并得以應(yīng)用。

1.1自身特征與損傷Blahovec[8]研究認(rèn)為馬鈴薯塊莖的部位和生理狀態(tài)也會(huì)影響塊莖損傷，有塊莖基部的硬度比頂部更強(qiáng)，馬鈴薯塊莖表面曲度大的部位更容易發(fā)生內(nèi)部損傷。Baritelle等[9]認(rèn)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(guān)因素，確保試驗(yàn)塊莖以一致、可控、可重復(fù)的方式進(jìn)行損傷研究。

1.2表皮擦傷有學(xué)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(dòng)2 min造成損傷，對(duì)處理后和處理貯存2個(gè)月后的馬鈴薯分別進(jìn)行損傷檢測(cè)。Alexander[10]利用扭力矩儀研究剪切力與表皮脫落間的關(guān)系，結(jié)果顯示扭矩抗性低的塊莖表皮脫落比較嚴(yán)重，這表明扭矩抗性可以準(zhǔn)確判斷表皮脫落抗性。

1.3內(nèi)部損傷在生物材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)和損傷性狀方面，國(guó)外已經(jīng)開展了很多的相關(guān)研究。Baritelle等[11]研究認(rèn)為，沖擊速率對(duì)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(shí)發(fā)現(xiàn)，在吸收能量一定的情況下，產(chǎn)生的損傷類型取決于碰撞的時(shí)間和荷載的速率，低荷載速率主要產(chǎn)生黑斑和內(nèi)部變形；高荷載速率主要產(chǎn)生內(nèi)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(guān)系。Zdunek等[13]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)變速度可使馬鈴薯的破壞應(yīng)力、破壞應(yīng)變減小[13]。為提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，已經(jīng)有大量研究著手進(jìn)行電子測(cè)試[14]。Van Zeebroeck等[15]發(fā)明了用于研究果實(shí)等生物材料撞擊后動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)的鐘擺裝置，設(shè)備通過集成的光學(xué)編碼器來測(cè)定撞擊力、位移和速率。Hyde等[16]用儀器球獲得和記錄農(nóng)產(chǎn)品在運(yùn)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(jī)部件與塊莖間的沖擊。

2　國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

建國(guó)初期，我國(guó)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(jì) 60 年代中期我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)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(jī)的研制推廣階段，所研制機(jī)具的技術(shù)水平與國(guó)外相差甚遠(yuǎn)。2011年，全國(guó)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(jī)械化收獲程度不足20%[18]，已嚴(yán)重制約馬鈴薯種植面積的擴(kuò)大。因而國(guó)內(nèi)迫切需求價(jià)格合理、可靠性高的馬鈴薯收獲機(jī)，以滿足日益發(fā)展的馬鈴薯產(chǎn)業(yè)需求。

馬鈴薯在機(jī)械化收獲、運(yùn)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(jī)械損傷，給人們帶來巨大的經(jīng)濟(jì)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(guān)機(jī)具的設(shè)計(jì)，必須對(duì)馬鈴薯的物理機(jī)械特性進(jìn)行透徹、系統(tǒng)地分析[20]。我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)物料物理機(jī)械特性的研究始于20世紀(jì)50年代，到20世紀(jì)80年代才引起學(xué)術(shù)界的重視。郎悅[21]通過準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的壓縮試驗(yàn)對(duì)馬鈴薯的材料特性進(jìn)行了研究，但未得出與損傷相關(guān)的模型和規(guī)律。臧楠[22]對(duì)馬鈴薯進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)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(duì)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(duì)新鮮馬鈴薯進(jìn)行不同高度下落的碰撞試驗(yàn)研究，得出當(dāng)馬鈴薯下落高度為20～30 cm時(shí)馬鈴薯?yè)p傷率<4%的結(jié)論。郭文斌[25]對(duì)馬鈴薯壓縮和應(yīng)力松弛特性參數(shù)進(jìn)行了分析，建立了馬鈴薯壓縮和應(yīng)力松弛過程的虛擬樣機(jī)模型。吳亞麗等[26]運(yùn)用INSTRON 萬能電子材料試驗(yàn)機(jī)和 CMT6104 微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)馬鈴薯進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。賈晶霞等[27]采用ADMAS仿真軟件對(duì)振動(dòng)篩和塊莖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，獲得了振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、位移和動(dòng)能曲線，同時(shí)針對(duì)圓形和橢圓形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。洪翔等[28]通過不同高度下的跌落試驗(yàn)，得到馬鈴薯的臨界損傷跌落高度。劉海超等[29]設(shè)計(jì)了馬鈴薯在擺動(dòng)篩上的動(dòng)力學(xué)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試了2種典型薯形在不同篩分速度下的三維加速度信號(hào)，獲得了馬鈴薯在篩面上的碰撞加速度。

近年來，我國(guó)非常重視馬鈴薯收獲機(jī)的研制，出臺(tái)了許多農(nóng)機(jī)扶持政策。在政策導(dǎo)向和市場(chǎng)需求雙重作用下，許多農(nóng)機(jī)企業(yè)、科研院所進(jìn)行了馬鈴薯收獲機(jī)的研制，出現(xiàn)了多種型號(hào)的馬鈴薯收獲機(jī)，如中機(jī)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(jī)、山東富邦農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備有限公司生產(chǎn)的4UG-l型馬鈴薯收獲機(jī)(配套功率17.7 kW以上)、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)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(jī)(配套功率44.0～58.8 kW)、河南豪豐機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的4JW系列懸掛式馬鈴薯收獲機(jī)(配套動(dòng)力36.8～58.8 kW)等中型馬鈴薯收獲機(jī)、內(nèi)蒙古呼和浩特市得力新技術(shù)設(shè)備廠生產(chǎn)的4ULDX-1500型馬鈴薯收獲機(jī)、甘肅省臨洮縣中興輕工機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的4UM-550型馬鈴薯挖掘機(jī)、定西市安定區(qū)巉口鎮(zhèn)農(nóng)機(jī)制造廠生產(chǎn)的4U-1型馬鈴薯挖掘機(jī)、甘肅省榆中縣榮盛農(nóng)機(jī)制造廠生產(chǎn)的榮盛4U-400型馬鈴薯挖掘機(jī)等小型馬鈴薯挖掘機(jī)。

雖然目前國(guó)內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)種類較多，但能夠有效解決馬鈴薯?yè)p傷的機(jī)型較少，同時(shí)也缺乏相應(yīng)的理論研究。劉寶等[30]對(duì)挖掘部件和抖動(dòng)輸運(yùn)部件的傷薯機(jī)理進(jìn)行了分析，分別研究了中型馬鈴薯收獲機(jī)和小型馬鈴薯收獲機(jī)的傷薯機(jī)理。2011年，中機(jī)美諾公司對(duì)馬鈴薯收獲過程中碰傷問題進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了馬鈴薯降落高度自動(dòng)控制系統(tǒng)，力圖降低馬鈴薯裝運(yùn)損傷[18]。石林榕等[31]近年來對(duì)馬鈴薯收獲過程中土薯運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析，研究了馬鈴薯收獲過程中傷薯機(jī)理，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的機(jī)具。

3　結(jié)論

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在塊莖破損力、破損應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量等機(jī)械物理特性上對(duì)馬鈴薯塊莖損傷機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了不少卓有成效的研究，且得到了一些有益的結(jié)論，為繼續(xù)深入研究其機(jī)械收獲過程中塊莖損傷機(jī)理提供了可資借鑒的理論基礎(chǔ)。然而也可以清楚地看到，有關(guān)機(jī)械化收獲各工序、不同載荷形式對(duì)塊莖損傷的試驗(yàn)研究與理論分析相對(duì)較少。現(xiàn)有研究采用仿真技術(shù)參照馬鈴薯生物力學(xué)特性進(jìn)行機(jī)械收獲損傷分析的較多，而針對(duì)實(shí)際作業(yè)中有土壤保護(hù)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(jī)理研究相對(duì)較少。針對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行減損設(shè)計(jì)較多，而在減損材料方面的研究較少。為此，對(duì)馬鈴薯收獲過程各工序和各部件對(duì)塊莖損傷機(jī)理和減損技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)地理論研究將是學(xué)者們?cè)谇叭搜芯炕A(chǔ)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(xiàng)目(2014A-096)；甘肅省農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金計(jì)劃項(xiàng)目(144NCNF177)。

李輝(1982- )，男，甘肅武山人，工程師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究。*通訊作者，教授，博士生導(dǎo)師，從事保護(hù)性耕作機(jī)具研究與設(shè)計(jì)工作。

2016-07-15

S 225.7+1

A

0517-6611(2016)25-227-03