馬鈴薯機械化收獲過程的損傷因素及試驗研究

楊金磚 劉凱 朱啟防

摘 要：馬鈴薯具有重要的經濟價值和食用價值，隨著機械技術的不斷進步，越來越多的馬鈴薯生產采用了機械化作業，由于機械作業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生一定的損壞，針對這一問題對馬鈴薯損傷原因及特點進行了試驗分析，并給出了機械結構優化的相關建議。

關鍵詞：馬鈴薯;機械化收獲;損傷;因素;試驗

中圖分類號：TS215 ? ? ? ?文獻標識碼：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，更是重要的工業原材料。近年來，國家加大了對馬鈴薯產業的支持力度，促使我國的馬鈴薯種植面積和產量不斷增長，在此背景下，加強對馬鈴薯生產的機械化技術研究對于優化馬鈴薯生產開發過程，提升馬鈴薯相關產業的產品質量具有重要的意義。就目前而言，我國馬鈴薯收獲機械在收獲效率和品質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械技術提升的主要方向之一，通過實際生產過程證明，馬鈴薯主要的損傷原因來自于機械化或人工收獲過程，而來自后期包裝處理等環節損傷不超過30%。在機械化收獲、清選和篩選過程中造成的損傷，很容易導致馬鈴薯的變質和腐爛，嚴重影響最終產量，給馬鈴薯經營者帶來顯著的經濟損失。

1 機械收獲損傷的基本情況

馬鈴薯的機械化收獲技術的應用和推廣在很大程度上保障了國家糧食安全并提升了農業生產效率。但據統計，在機械化收獲的過程中，造成馬鈴薯損傷的因素超過70%來自于收獲機，馬鈴薯塊莖損傷在一定程度降低了種薯質量、外觀和實際品質，嚴重影響了馬鈴薯進一步利用率，使初級加工產品的質量和馬鈴薯方便食品產業品質在不同程度降低，不利于馬鈴薯加工產業的經濟效益和社會效益，這也對馬鈴薯產業的健康發展形成了制約。

2 馬鈴薯的主要損傷形式

在機械化收獲馬鈴薯的工作中，收獲機各部件的快速運轉會導致馬鈴薯始終處于隨機運動中，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，根據損傷位置不同，可將損傷大體分為表面損壞和內部損壞兩類。

2.1 表面損壞

馬鈴薯的表層保護是其品質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。但是機械化收獲必須在機械元件的不停運轉中完成，加之高效率的快速作業條件下馬鈴薯會與金屬零件、其他馬鈴薯不斷的發生摩擦與撞擊，導致表層部分區域脫落或起皮（圖1a），這不僅會影響馬鈴薯的外觀品質，更可能在儲運時期即發生腐爛變質問題。

2.2 內部損壞

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

3 機械損傷對馬鈴薯的不利影響

馬鈴薯的損傷會引起實際收獲的馬鈴薯產量明顯低于收獲前產量，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，從而影響農業生產的實際效益。生產實踐證明，機械化收獲過程的機械損傷是馬鈴薯產量的重要影響因素，通過實際收獲和儲運過程統計，馬鈴薯的損傷原因及所占比例情況如下：機械收獲導致表皮損傷的馬鈴薯約占總產量的21%，內部損傷的數量也會超過12%，而在運輸過程中的損傷僅為7%，儲藏過程馬鈴薯因破損而變質的量也達到15%，這造成了十分嚴重的經濟損失。

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

4 試驗研究

由于機械化收獲質量對馬鈴薯品質會產生明顯影響，因此在機械化生產的背景下，要保證馬鈴薯收獲作業高效、科學的發展，必須要合理分析并優化馬鈴薯機械收獲中損傷率過高的問題。通過實驗研究馬鈴薯損傷的機理與原因，能夠為馬鈴薯收獲機的合理化改進提供理論依據。

4.1 基本情況說明

本次試驗為室內試驗，由于馬鈴薯的形狀不規則，因此只通過重量來區別其體積，根據重量的不同，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。實驗中選取的馬鈴薯在體積上相對平均，大中小種類均有，實驗前的馬鈴薯外表光滑無破損。

本次實驗室用的設備包括以下幾類：（1）普通稱量設備。包括刻度尺、游標卡尺、天平等。（2）萬能試驗機。用以完成對馬鈴薯的拉伸、壓縮、剝離及刺破等試驗，并方便相關參數的顯示。（3）動態測試分析設備。用以完成對馬鈴薯應力應變、振動、沖擊、溫度等試驗，并方便對實驗結果進行分析（圖2）。（4）測力傳感器。用于測量瞬時壓力和沖擊力。

4.2 試驗項目及結論

（1）下跌高度對損傷的影響情況。本試驗選擇了5組不同高度進行跌落，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，在拋薯和各工序轉移過程中，應注意下落高度的控制。

（2）應用材料對損傷的影響情況。以4種不同碰撞材料進行試驗，分別為45#鋼、橡膠、馬鈴薯和干燥土塊，每組試驗進行5次，取平均值進行分析。通過試驗可知，對于硬度較大的金屬材料，在碰撞過程中變形小，導致接觸面積小，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，選取土壤中放置時間相差6天的馬鈴薯進行2組相同情況的跌落試驗，其中第一組試驗在第二組之前6天進行，此時馬鈴薯成熟度相對更低，含水率高。試驗中，馬鈴薯含水率更高的一組，在馬鈴薯跌落與材料碰撞中產生的變形量更大，導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。在馬鈴薯機械化收獲過程中，較高的跌落多趨向于自由落體運動，因此在馬鈴薯的多次自由落體運動中，由于重力的影響，無論馬鈴薯的初始跌落狀態如何，其在跌落過程中均會自行調整和旋轉，使體積更大的一側率先落下與下方產生撞擊，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 收獲機械結構及使用的優化建議

（1）合理設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度，通過合理的機械設計，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的零件材質。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域，盡量通過機械設計完成材料的優化，以達到減少馬鈴薯損傷的目的。

（3）合理選擇收獲時期。上述實驗說明，馬鈴薯的含水率與其機械收獲的破損率直接相關，因此，收獲的時間選擇應盡量在馬鈴薯更加成熟的時期進行，以避免含水率過大造成的經濟損失。

6 結束語

在機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，但通過對機械部件優化、收獲條件改善以及新技術的實施，能夠有效降低馬鈴薯的損傷率，這需要農機研發人員對于馬鈴薯機械損傷的機理和規避措施進行理論研究與機械結構實際問題的設計優化，使馬鈴薯收獲機在滿足功能要求的情況下，最大程度的保證收獲質量，進一步提升馬鈴薯收獲的經濟效益。

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