马铃薯机械化收获过程的损伤因素及试验研究

作者:未知

  摘 要:马铃薯具有重要的经济价值和食用价值,随着机械技术的不断进步,越来越多的马铃薯生产采用了機械化作业,由于机械作业必须使用金属材料和传动装置,这容易在收获过程中对马铃薯产生一定的损坏,针对这一问题对马铃薯损伤原因及特点进行了试验分析,并给出了机械结构优化的相关建议。
  关键词:马铃薯;机械化收获;损伤;因素;试验
  中图分类号:TS215        文献标识码:A
  doi:10.14031/j.cnki.njwx.2019.06.003
   马铃薯在我国种植面积十分广泛,不仅能够作为粮食蔬菜使用,更是重要的工业原材料。近年来,国家加大了对马铃薯产业的支持力度,促使我国的马铃薯种植面积和产量不断增长,在此背景下,加强对马铃薯生产的机械化技术研究对于优化马铃薯生产开发过程,提升马铃薯相关产业的产品质量具有重要的意义。就目前而言,我国马铃薯收获机械在收获效率和品质方面还有较大的提升空间。其中,减少马铃薯收获过程中的损伤率是机械技术提升的主要方向之一,通过实际生产过程证明,马铃薯主要的损伤原因来自于机械化或人工收获过程,而来自后期包装处理等环节损伤不超过30%。在机械化收获、清选和筛选过程中造成的损伤,很容易导致马铃薯的变质和腐烂,严重影响最终产量,给马铃薯经营者带来显著的经济损失。
  1 机械收获损伤的基本情况
  马铃薯的机械化收获技术的应用和推广在很大程度上保障了国家粮食安全并提升了农业生产效率。但据统计,在机械化收获的过程中,造成马铃薯损伤的因素超过70%来自于收获机,马铃薯块茎损伤在一定程度降低了种薯质量、外观和实际品质,严重影响了马铃薯进一步利用率,使初级加工产品的质量和马铃薯方便食品产业品质在不同程度降低,不利于马铃薯加工产业的经济效益和社会效益,这也对马铃薯产业的健康发展形成了制约。
  2 马铃薯的主要损伤形式
  在机械化收获马铃薯的工作中,收获机各部件的快速运转会导致马铃薯始终处于随机运动中,马铃薯会不断受到挤压、碰撞、摩擦等不利影响。在多方受力的作用下很容易引起马铃薯的损伤,根据损伤位置不同,可将损伤大体分为表面损坏和内部损坏两类。
  2.1 表面损坏
   马铃薯的表层保护是其品质保持与长期存放的基本保证,完好的表皮能有效避免马铃薯块茎脱水和变质。但是机械化收获必须在机械元件的不停运转中完成,加之高效率的快速作业条件下马铃薯会与金属零件、其他马铃薯不断的发生摩擦与撞击,导致表层部分区域脱落或起皮(图1a),这不仅会影响马铃薯的外观品质,更可能在储运时期即发生腐烂变质问题。
  2.2 内部损坏
   在马铃薯收获中部分马铃薯可能会受到较为严重的碰撞、冲击和挤压导致内部发生损伤,这些损伤会使局部块茎组织形成黑斑,随着时间的延长,马铃薯的内部会产生物理和化学性质的变化,从而导致在受损处出现变质甚至裂缝(图1b),严重影响马铃薯的销售和收益。
  3 机械损伤对马铃薯的不利影响
  马铃薯的损伤会引起实际收获的马铃薯产量明显低于收获前产量,部分马铃薯即使仍然可以销售,但由于其外观影响,市场销售价格也会降低,从而影响农业生产的实际效益。生产实践证明,机械化收获过程的机械损伤是马铃薯产量的重要影响因素,通过实际收获和储运过程统计,马铃薯的损伤原因及所占比例情况如下:机械收获导致表皮损伤的马铃薯约占总产量的21%,内部损伤的数量也会超过12%,而在运输过程中的损伤仅为7%,储藏过程马铃薯因破损而变质的量也达到15%,这造成了十分严重的经济损失。
  损伤后的马铃薯,在其受损部位会由于代谢原因产生酚类、黄酮类、生物碱等成分,显著降低其营养价值和食用质量,且不良成分的严重超标还可能对人体产生毒害,产生恶劣的食品安全问题。
  4 试验研究
  由于机械化收获质量对马铃薯品质会产生明显影响,因此在机械化生产的背景下,要保证马铃薯收获作业高效、科学的发展,必须要合理分析并优化马铃薯机械收获中损伤率过高的问题。通过实验研究马铃薯损伤的机理与原因,能够为马铃薯收获机的合理化改进提供理论依据。
  4.1 基本情况说明
   本次试验为室内试验,由于马铃薯的形状不规则,因此只通过重量来区别其体积,根据重量的不同,马铃薯大体可分为大中小三类,其中小马铃薯为重量小于100 g的块茎,中马铃薯为重量在100 ~250 g的块茎,大马铃薯为重量大于250 g的块茎。实验中选取的马铃薯在体积上相对平均,大中小种类均有,实验前的马铃薯外表光滑无破损。
   本次实验室用的设备包括以下几类:(1)普通称量设备。包括刻度尺、游标卡尺、天平等。(2)万能试验机。用以完成对马铃薯的拉伸、压缩、剥离及刺破等试验,并方便相关参数的显示。(3)动态测试分析设备。用以完成对马铃薯应力应变、振动、冲击、温度等试验,并方便对实验结果进行分析(图2)。(4)测力传感器。用于测量瞬时压力和冲击力。
  4.2 试验项目及结论
  (1)下跌高度对损伤的影响情况。本试验选择了5组不同高度进行跌落,碰撞材料选取为45#钢,马铃薯的含水率在73%~77%之间。试验说明随着高度增加,马铃薯下落过程受到的冲击增大,由于45#钢在碰撞过程中的瞬时变形量相对较小,可视为定值,因此,马铃薯承担主要的变形和反弹。为减小马铃薯喂入后的挤压、碰撞、冲击,在抛薯和各工序转移过程中,应注意下落高度的控制。
   (2)应用材料对损伤的影响情况。以4种不同碰撞材料进行试验,分别为45#钢、橡胶、马铃薯和干燥土块,每组试验进行5次,取平均值进行分析。通过试验可知,对于硬度较大的金属材料,在碰撞过程中变形小,导致接触面积小,冲击较大,而土块、橡胶、马铃薯等材料因硬度相对小,能起到一定的缓冲作用,从而减少损伤的发生。    (3)马铃薯含水率对损伤的影响情况。对于马铃薯含水率的试验,选取土壤中放置时间相差6天的马铃薯进行2组相同情况的跌落试验,其中第一组试验在第二组之前6天进行,此时马铃薯成熟度相对更低,含水率高。试验中,马铃薯含水率更高的一组,在马铃薯跌落与材料碰撞中产生的变形量更大,导致马铃薯在与碰撞材料接触中的黏性变大,所造成的能量损失也随之增大。
   (4)跌落磕伤位置分析。在马铃薯机械化收获过程中,较高的跌落多趋向于自由落体运动,因此在马铃薯的多次自由落体运动中,由于重力的影响,无论马铃薯的初始跌落状态如何,其在跌落过程中均会自行调整和旋转,使体积更大的一侧率先落下与下方产生撞击,这使马铃薯在撞击中的平均接触面积增大,有利于减轻马铃薯的平均受损程度。
  5 收获机械结构及使用的优化建议
   (1)合理设计马铃薯收获过程的跌落路径,尽量采取斜坡滚落、二级缓冲等方式降低马铃薯下落过程的冲击强度,通过合理的机械设计,缩小马铃薯下落的垂直高度,以保证损伤的最小化。
   (2)合理选择马铃薯收获机的零件材质。对于可以使用橡胶等软性材料覆盖的零件或其他可能磕碰的区域,尽量通过机械设计完成材料的优化,以达到减少马铃薯损伤的目的。
   (3)合理选择收获时期。上述实验说明,马铃薯的含水率与其机械收获的破损率直接相关,因此,收获的时间选择应尽量在马铃薯更加成熟的时期进行,以避免含水率过大造成的经济损失。
  6 结束语
  在机械化收获马铃薯的过程中,存在磕碰等损伤问题是不可避免的,但通过对机械部件优化、收获条件改善以及新技术的实施,能够有效降低马铃薯的损伤率,这需要农机研发人员对于马铃薯机械损伤的机理和规避措施进行理论研究与机械结构实际问题的设计优化,使马铃薯收获机在满足功能要求的情況下,最大程度的保证收获质量,进一步提升马铃薯收获的经济效益。
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