马铃薯低损收获技术

赵晋 黄赟 柳国光 徐锦大

摘 要： 马铃薯是重要的粮食作物，对于保障粮食安全具有积极作用，在其生产过程中，机械化收获是促进高效生产的关键环节。目前，马铃薯机械化收获过程中会造成薯块损伤，进而容易引起薯块腐烂，影响整体品质和产量，在一定程度上限制了马铃薯机械化收获技术的推广应用。阐述了国内外马铃薯收获装备研究状况，探讨分析了防缠绕、挖掘、薯土分离和集薯等收获技术及其过程中存在的马铃薯机械损伤情况，以期提高马铃薯机收效果。

关键词：马铃薯；低损收获技术；机械化收获

中图分类号：S22文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）08-0014-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.003

0 引言

马铃薯是根茎类作物，具有营养价值高、适应性强的特点，是重要的粮食作物，也可作为蔬菜、休闲食品、工业原料。马铃薯在全球广泛种植，目前我国马铃薯总产量居世界首位[1]。马铃薯生产属于劳动密集型作业，尤其是收获环节，劳动强度大，虽然目前已有机械收获，但仍以人工挖掘或分段收获为主。统计显示，2017 年我国马铃薯机收率21.88%，生产机械化水平远低于水稻、小麦和玉米等粮食作物，机械化收获技术发展空间巨大[2]。《关于推进马铃薯产业开发的指导意见》中明确提出，将马铃薯作为主粮产品进行产业化开发，马铃薯机械化生产技术装备作为保障安全生产的重要手段，其质量水平面临更大挑战[3]。

由于收获机械的关键部件是金属材料，在应用过程中，薯块不可避免的会受到损伤，受损薯块外观商品性差且容易腐烂，不利于储藏、加工和销售，从而引起一定的产量损耗。随着“减损就是增产，降耗就是增效”意识的不断强化，节粮减损已成为提高粮食安全保障水平的重要方向。因此，马铃薯低损收获技术的研究对于提高马铃薯品质、促进马铃薯生产开发乃至确保粮食安全具有重要意义。本研究阐述国内外马铃薯收获装备研究状况，探讨分析防缠绕、挖掘、薯土分离、集薯等收获技术及其过程中存在的马铃薯机械损伤情况，以期提高马铃薯机收效果。

1 收获装备现状

国外发达国家关于农业机械的研究起步早、水平高，直到20 世纪中叶，欧美国家，以及日本、韩国等先后实现了马铃薯机械化收获，产品类型也由牵引式挖掘机逐步发展到自走式联合收获机[4]。目前，在美国、德国等多平原的国家，马铃薯机械化收获多是采用联合收获机直接收获马铃薯，在意大利、日本、韩国等多山地种植的国家，则通常采用挖掘机械配合具有分选功能的捡拾机进行分段收获[3-4]。在马铃薯收获机械品牌中，德国格力莫公司的TECTRON415 型全功能收获机、比利时 AVR 公司的Espirit 机械收获设备、波兰 Akpil 公司的BULWA2-2 型马铃薯挖掘机等机型，自动化程度高、收获效率高、制造技术水平高，在行业内具有较高的知名度[5-6]。

国内对于马铃薯收获机械的研究始于20 世纪60年代，与欧美等发达国家相比，国内研发侧重于中小机型，通过科研院所和制造企业的不断探索，出现了一批具有代表性的产品。如中机美诺系列1700 型马铃薯收获机，填补了我国大型马铃薯收获机的空白[5-6]。洪珠4U-170 型马铃薯收获机则适用于分段收獲，机型小巧、结构较简单、性价比高，推广应用较为广泛，并且更适于丘陵山区、小田块等地形使用[6]。

统计显示，南方丘陵山区地块面积占全国60% 以上，是我国马铃薯、甘薯等薯类作物的主要产区[7]。丘陵山区田块小、坡度不一致、土壤黏性重易板结，不适宜采用大型联合收获机进行马铃薯收获，同时，马铃薯种植品种多样、种植模式各异，对机型专用性要求高。根据种植农艺条件，目前丘陵山区马铃薯收获基本采用分段式收获，而受限于地形地貌，现有马铃薯收获机在实地应用中存在收获效率低、薯土分离效果不佳、伤薯率和破皮率较高，这些现象限制了机械的广泛应用，导致了马铃薯收获机械化程度较平原地区低很多，制约着马铃薯产业的提升发展[8]。

2 收获技术与损伤分析

伤薯率、破皮率和明薯率是评价马铃薯收获机械性能的重要指标，在机械收获过程中，杀秧、切土、挖掘、薯土分离和收集等工序都将对马铃薯损伤产生影响，碰撞、摩擦、剪切和碾压是造成马铃薯出现损伤的主要原因[9]。研究显示，70% 的马铃薯机械损伤是由收获环节产生的，损伤形式主要表现为表皮破损、薯块破裂、组织褐变等，这些损伤会导致马铃薯溃烂，无法储藏和销售，直接影响农户的经济效益[10]。近年来，国内外研究人员通过试验、仿真等形式开展了较多关于马铃薯机械损伤机理的研究，探寻马铃薯受损情况与收获机收获工序间的关联，以此改进收获机关键结构、优化工作参数，进而提升整机工作性能和收获效果[11]。

2.1 防缠绕技术

杀秧是马铃薯采收的前置工序，为了避免马铃薯藤蔓缠绕收获机械，影响机械收获，通常采用机具先对藤蔓进行切割清理，但是由于马铃薯种植深度差异，存在杀秧机具碰撞到位于浅土层的薯块，甚至将其连着藤蔓拉出土层，进而致使薯块破损。由于现有杀秧机具无法将垄沟底部的藤蔓清理干净，有时会存在杀秧效果不理想，马铃薯残藤、杂草较多，在后续薯土分离时，升运链轮容易被其缠绕引起积累堵塞，增加了机构运转阻力，增大薯块与升运机构间的碰撞程度，甚至造成机构损坏。王涛等[12] 设计的防缠装置安装在收获机前端两侧，采用滑切方式切断藤蔓，装置由圆盘式切草刀、刀轴和轴承座等构成，通过链轮传动系统驱动，两侧刀轴设有正反螺纹，圆盘刀所受摩擦力与圆盘刀转向一致，切断的藤蔓跟随分离装置掉落至后方或挡至于机架侧板外。战长龄等[13] 设计了两种防缠绕装置，其中被动式防缠绕装置采用横向旋转式作业，主要由两组带有螺旋叶片的辊筒构成，主动式防缠绕装置主要由辊筒、切刀、轴承、驱动齿轮及带轮等构成，作业时两组辊筒反方旋转，田间试验显示防缠绕性能上，主动式优于被动式。

2.2 挖掘技术

挖掘是造成伤薯现象较严重的工序之一，由于马铃薯生长于土层下，挖掘效果受到挖掘铲结构形式、入土角度、入土深度的影响。种植时的地垄弯曲、垄形坍塌、垄沟填没等，容易导致挖掘铲对行偏离、挖掘深度不均。若挖掘铲入土深度过浅，会导致挖掘铲运动轨迹与马铃薯生长区域位置重叠，造成薯块的剪切损伤，或是压土轮造成的薯块碾压损伤；挖掘铲入土过深，则会增大土壤挖掘量，增加机械前进阻力，造成薯土分离时含土量过大，影响分筛效果，还可能导致薯块重埋入土，降低明薯率[14-15]。因此，应加强挖掘深度控制技术的研究，以提升挖掘深度和位置的准确、稳定和可靠。李涛等[16] 设计的挖掘深度自动控制系统，采用传感器、液压和单片机等综合控制技术，利用接触式深度探测系统，可根据地垄高度实时调整挖掘深度。此外，挖掘铲与薯土分离装置间的合理衔接，挖掘铲结构形式的优化，可提高薯土通过顺畅性，减小挖掘阻力，减轻薯块间的摩擦、碰撞损伤。近年来，仿生技术被大量应用在挖掘铲形式的设计中，研究人员根据野猪、蝼蛄、獾和田鼠等擅于掘土的动物拱嘴或爪趾外形，优化改进了挖掘铲外形及其运动轨迹，相比原来的平面铲形，具备更优的减阻性能[17-18]。

2.3 薯土分离技术

薯土分离是通过振动或抖动方式完成，分离薯土的同时向后运输马铃薯，分离装置形式主要有杆条升运链式、摆动筛式和拨辊推送式，其中以杆条升运链式应用最为广泛[19-20]。马铃薯和土壤分离运输的过程中不断被向后上方抛甩，由此会在薯土分离装置上产生跳动、翻滚和前后移动，薯块与升运杆条之间、薯块与薯块之间都会存在相互摩擦、碰撞，由此会造成马铃薯表皮破损、内部组织损伤，升运链振动幅度越大，碰撞时的相对速度越大，损伤也越严重。武德勇[21]通过Hertz 接触理论分析发现，损伤程度与马铃薯质量、跌落高度、马铃薯弹性模量和橡胶管厚度等因素相关，合理设置升运链倾角、抖动轮运动轨迹半径和抖动轴转速，优化提升升运链作业质量，可有效减少马铃薯在薯土分离环节中的损伤。如若整机机架空间不够，会出现薯土堆积在分离运输环节，影响通过顺畅性，增大了马铃薯受损机率。

2.4 集薯技术

集薯过程中出现的薯块跌落比较容易引起薯块内部组织损伤，特别是采用二级或多级输送集薯技术时，提升坡度大、输送距离长，输送分离装置末端高度过高，薯块下落时受到的冲击更强，损伤程度也较重。增加尾篩装置为马铃薯下落过程提供辅助缓冲，能够减轻马铃薯的损伤程度[14]。不论是应用分段式收获机后由人工捡拾套袋，还是应用联合收获机完成自动装箱，收集过程中都会产生马铃薯间的相互碰撞损伤。

3 结束语

利用离散元仿真、有限元分析、试验测试等多手段结合，开展对马铃薯机械损伤机理的研究，可为马铃薯收获机械性能的提升改进提供理论依据。未来需要针对不同地域土壤性质，进一步明确马铃薯、土壤、机械装置之间的动力学特性，提高马铃薯收获机的通用性和可靠性，不断推动我国马铃薯机械化收获技术的进步。

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