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(diǎn)，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(kuò)大，生產(chǎn)馬鈴薯所需的勞動強(qiáng)度也在增加。因此，提高馬鈴薯機(jī)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(diǎn)。因此，馬鈴薯收獲機(jī)械化的研究顯得尤為重要。馬鈴薯機(jī)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(jī)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(jī)械技術(shù)改進(jìn)的主要方向之一。馬鈴薯損傷的主要原因?yàn)闄C(jī)械或人工收割，后續(xù)包裝處理的損傷不超過30%。機(jī)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(jī)械收獲原理及相應(yīng)參數(shù)

機(jī)械化收獲馬鈴薯的主要原理為當(dāng)拖拉機(jī)正在工作時，拖拉機(jī)的動力會通過一系列傳動裝置傳遞至挖掘機(jī)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(jī)后手動取袋。挖掘機(jī)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(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)速度應(yīng)為2～3檔。

3 我國馬鈴薯機(jī)械化收獲存在的問題

目前，我國馬鈴薯機(jī)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(jī)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(jī)械收獲的相關(guān)技術(shù)，20世紀(jì)80年代，我國開始研究國外的機(jī)械收割設(shè)備，目前，我國機(jī)械采伐技術(shù)和機(jī)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(jī)械的設(shè)備有很多種，這些性能在農(nóng)村實(shí)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(jī)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(jī)械收獲設(shè)備功能單一

國產(chǎn)馬鈴薯機(jī)械收獲設(shè)備功能過于簡單，功能種類很少。當(dāng)應(yīng)用到實(shí)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(jì)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(jī)械收獲設(shè)備的工作效率不高，不能廣泛推廣。

3.3 機(jī)械收獲成本較高且設(shè)備可靠性低

我國對馬鈴薯機(jī)械收獲技術(shù)的研究還停留在對以往經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)上，只是對現(xiàn)有的機(jī)械進(jìn)行改進(jìn)，沒有更深入研究。因此，實(shí)際應(yīng)用過程中操作質(zhì)量差影響了馬鈴薯的收獲進(jìn)度，也造成科研經(jīng)費(fèi)的浪費(fèi)。另外，機(jī)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(jī)械收獲設(shè)備的效率。另外，馬鈴薯機(jī)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(jī)械收割中，功能損失通常非常嚴(yán)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(jī)，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(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)用電不足的問題，導(dǎo)致運(yùn)行效果不佳。

4 使用機(jī)械化收獲時馬鈴薯的損傷情況

在使用機(jī)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(jì)，馬鈴薯機(jī)械化收獲的危害因素大多來自收獲機(jī)。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(jìn)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(jì)效益產(chǎn)生影響，制約馬鈴薯產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。采用機(jī)械收割技術(shù)收割馬鈴薯時，機(jī)械收割設(shè)備中各部件的高速運(yùn)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(jī)械化收割必須在機(jī)械部分的連續(xù)作業(yè)中完成，而在高效快速運(yùn)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(yùn)過程中的腐爛。

4.2 內(nèi)部損壞

機(jī)械收獲馬鈴薯會使馬鈴薯受到嚴(yán)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(jìn)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(diǎn)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(yàn)證明，生物屈服點(diǎn)并不是細(xì)胞破裂的起點(diǎn)，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(jìn)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(shí)際產(chǎn)量遠(yuǎn)低于收獲前。即使受損傷的馬鈴薯能夠進(jìn)行銷售，市場價格也會因?yàn)橥庥^不完整而降低，從而影響最終收益。在生產(chǎn)實(shí)踐中表明，機(jī)械化收獲過程中的機(jī)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(shí)收獲和儲運(yùn)過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，馬鈴薯受到傷害的原因和比例如下列數(shù)據(jù)所示：機(jī)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(yùn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)，還會對人體造成毒性，造成食品安全問題。因此，基于機(jī)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(jìn)行了深入的調(diào)查研究，合理分析和優(yōu)化馬鈴薯機(jī)械化收獲中的高破損率問題。通過對馬鈴薯損傷機(jī)理及原因的研究，為馬鈴薯收獲機(jī)械的合理改進(jìn)提供理論依據(jù)。

5 機(jī)械化收獲馬鈴薯的改進(jìn)

機(jī)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(jī)械收獲的應(yīng)用效果進(jìn)行綜合分析和處理。

5.1 增強(qiáng)機(jī)械收獲設(shè)備的可靠性

目前，我國馬鈴薯收獲機(jī)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(jìn)的技術(shù)和優(yōu)質(zhì)的材料對這些設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，提高機(jī)械采伐設(shè)備各個部位的質(zhì)量，從而延長機(jī)械設(shè)備的使用壽命，降低機(jī)械設(shè)備在使用過程中的維修成本，滿足實(shí)際發(fā)展需要。在馬鈴薯機(jī)械收獲技術(shù)的發(fā)展過程中，有關(guān)部門需要提高機(jī)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(hù)，以免植物的根系和果實(shí)受到傷害，提高其高效性。

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

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

我國馬鈴薯種植的土壤、氣候等條件不同，導(dǎo)致實(shí)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(jìn)行機(jī)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(jì)效益。除了統(tǒng)一的種植方式外，選擇合適的馬鈴薯收獲機(jī)械也非常重要。大部分馬鈴薯收獲機(jī)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(jī)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(jī)械的功能集成，提高農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)理進(jìn)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(jìn)行了研究對比，得出了很多有益于研發(fā)馬鈴薯機(jī)械獲取的結(jié)論。然而，對于不同機(jī)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(jī)械收獲損傷進(jìn)行分析的研究很多，但在實(shí)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(jī)理的研究相對較少。馬鈴薯收獲機(jī)械的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)的減損設(shè)計(jì)很多，但減損材料的研究卻很少。