马铃薯耕作是一项重要的农业生产活动，伴随着近年来农业产业结构的调整，以马铃薯为中心的种植、田间管理、收获等生产农艺环节正在逐步向全面机械化方向发展，马铃薯块茎因机械碰撞所造成的损伤问题也愈发变得严峻。机械化收获又分为挖掘、土薯分离以及装运等环节，在此过程中，马铃薯块茎会经受不同程度的挤压、碰撞、跌落，对块茎有着不同程度的损伤。研究表明，约有70％的马铃薯块茎在机械化收获过程中受到不同程度的损伤，占总产量的30％之多。块茎的损伤，直接影响马铃薯的外观及其品质，其经济价值会随之降低，对以马铃薯为中心的初级产品的加工及方便食品产业的影响很大，所造成的经济损失数额巨大。此外，马铃薯破损后不耐贮藏，马铃薯外表皮的破损，极易受到细菌的感染，进而使破损部分会软化腐烂，进一步造成损失。国际马铃薯中心的调查报告指出，未来马铃薯发展的首要问题是提高待加工薯的品质[2]。我国在马铃薯的种植上已成为世界上最大的国家，无论是收获面积，还是产值、产量均已居世界首位，如何降低马铃薯在机械化收获中的损伤率已成为亟待解决的问题。

1、西北旱区马铃薯的特点

我国西北地区因受制于地理位置的限制，相对于南方及东部沿海城市降雨较为稀少，故一般多选用当地培育的陇薯7号和新大坪进行种植。甘肃农业大学冯斌[1]对西北地区马铃薯形态进行了测量试验，得出其三轴尺寸均基本服从正态分布的结论。薯块呈椭圆形，分支中等偏少，生长强势，结薯集中，适宜甘肃省一季耕作的特点，且其肉质鲜美，表皮光滑。

2、国内外简单对比及分析

2.1 国内研究现状

我国马铃薯机械化的研发相比于欧美国家起步较晚，在马铃薯防损伤领域还没有形成完整的体系，且相关研究人员较少，有广阔的发展空间。可依靠农业物料基本物理特性以及果蔬损伤的研究方法进行研究，建立相应的理论体系。张哲等对猕猴桃运输过程中的机械振动对猕猴桃品质的影响进行了研究，发现低温贮藏及较低的加速度(2.52m／s2以下)对猕猴桃的品质损伤小。在马铃薯机械化收获过程中，因马铃薯会随着机具的前进进行随机的运动，以及在杀秧催熟、机器挖掘、振筛分离、集薯运输等收获环节的碰撞，会对马铃薯进行挤压磨损，造成马铃薯周皮破损，细菌感染以及内部结构的损伤。从而影响经济效益，进一步影响马铃薯后续产品的加工质量。雷得天及其团队合作研发了一个农业物料力学流变学性质的测试系统，用于探究马铃薯组织破坏时的力学流变学性质。朗悦对动、静态马铃薯的材料特性在不同情况下的状态进行了研究。庞玉等呻。对马铃薯进行了应力松弛试验，通过计算得到其流变参数，借助ANSYS进行分析计算，得到在马铃薯储存过程中，剪切应力是造成马铃薯损伤的最主要原因。藏楠对马铃薯蠕变性能进行了研究，得到了马铃薯在不同压力下的蠕变曲线，找到了不同品种马铃薯在采样点位置不同的情况下蠕变特性参数存在差异的原因。刘春香¨叫运用动态图像分析，得到了试验马铃薯的泊松比，建立了马铃薯流变模型。杨晨生对马铃薯试样进行了动态力学研究，发现了在不同试验情况下其动态力学基础参数和特性参数的变化规律。郭文斌在不同试验条件下对马铃薯进行研究，得出相应的应力松弛参数和应力曲线。桑永英等引在不同高度下，对马铃薯跌落损伤情况进行研究分析，利用淀粉碘液的变色反应判断马铃薯的受损情况，得出当马铃薯在20-30cm高度下跌落时，马铃薯损伤率低于4％的结论。鸿翔等从不同高度对马铃薯进行下跌实验，测定马铃薯的临界下跌高度为38cm。卢琦对马铃薯进行力学特性试验，得出了马铃薯自由跌落的安全高度为40cm。胡奔。对土薯分离过程中马铃薯与杆条的碰撞情形做了跌落仿真试验，通过有限元法分析马铃薯在振筛碰撞过程中的受力情况，研究了马铃薯振筛过程中的损伤原因。

2.2 国外研究现

欧美等发达国家早在20世纪初期就已经开始研究马铃薯机械化收获损伤的问题，并已取得良好的进展，通过研究马铃薯的生长机理及自身结构特性，以及对表皮擦伤、内部损伤等方面的探索，已取得良好的成果并得以运用，具有一定的指导意义。国外因地势平坦，耕作条件优良，其对马铃薯大型联合收获机的研发较多，研究方向多适用于本土特征，适用于我国高原山地的机具较少，且不具有代表性，在我国的生产试验中难以应用于实际，意义不大。

3、机械收获对马铃薯的损伤

3.1 杀秧过程中对马铃薯的损伤

研究表明，马铃薯表面有一层周皮覆盖，当马铃薯成熟时其表面细胞的细胞壁失水，细胞活性降低，周皮韧性增强，抗损伤能力增加。为保证机械化收获马铃薯过程的安全性及可靠性，以及后期良好的贮藏状态，马铃薯田需进行杀秧作业，加速其薯皮的老化，降低机械化收获过程中的伤薯率。但因田间管理不当等因素|，部分马铃薯分布在垄顶表层及土垄边缘，呈无规则分布，马铃薯在杀秧过程中极易受到杀秧刀的冲击，造成薯块的破损。同时，因马铃薯自身的生长特性，马铃薯与秧苗连接生长，在杀秧过程中杀秧刀会将部分马铃薯从垄中带出，造成伤薯，为后续马铃薯挖掘收获埋下隐患。

3.2 切土过程对马铃薯的损伤

因不同地区地理位置及环境气候不同，马铃薯收获前的天气及降雨量也具有不可预测性，且马铃薯的种植农艺也呈多样化出现，不同品种的马铃薯生长情况也不尽相同。故马铃薯联合收获机往往要在不同的土壤条件及种植农艺不同的情况下完成马铃薯的收获作业，为保证机具的正常运转，降低挖掘装置及薯土分离装置的工作量，往往设置切土装置，用于切断薯垄两侧残余的薯秧、杂草等，防止其缠绕机具造成机具堵塞，影响正常的收获作业。但因种植农艺的不同，切土装置往往需要根据实地收获条件进行调整，若调整不当切土装置易偏离薯垄两侧而切入到薯垄当中，对马铃薯造成较大的机械损伤。因此，可将切土装置设计为自动调节式，随薯垄边缘的变化可自动调节，防止切薯现象发生。对中小型挖掘机而言，其多采用三点悬挂式设计，幅宽较窄，整机质量较小，故不设计切土装置。为解决薯秧缠绕问题，除优化改进挖掘装置的形态结构，还可增设防堵甩刀，如图1所示。甩刀随机具的前进将残余的薯秧及杂草切断，防止机前拥堵，降低挖掘装置及薯土分离的工作量，减少马铃薯因机械收获所造成的损伤。

图1   防堵甩刀

3.3 压土限深装置对马铃薯的损伤

我国幅员辽阔，地域宽广，不同种植区的气候环境及土壤条件也有所不同。在干旱地或半干旱地进行马铃薯的收获时，因水分缺失，其薯垄上部土块易出现板结化的现象，土块硬度偏高。为解决这个问题，马铃薯联合收获机往往配备设置有压土轮，在机具行进过程中对薯垄顶部板结化土块施加一部分压力，破坏其形态结构，使其松散化，有效地降低了挖掘阻力，防止大面积土块在薯土分离过程中对马铃薯的挤压摩擦而造成伤薯现象。不同地块土壤板结化程度存在区别，压土装置应可根据实地情进行调节。施加压力过小，对土块的松离效果不明显，起不到松土、碎土作用；施加压力过大，则薯垄易坍塌，导致伤薯。故合理地调整压土轮所施加压力的大小至关重要。中小型马铃薯挖掘机因受制于整机质量及幅宽，一般没有压土装置。为限制挖掘铲的挖掘深度，一般在尾部设置限深轮，限深轮如图2所示。通过调节限深轮的高度控制挖掘铲的挖掘深度。但因挖掘过程中马铃薯无规则随机掉落，一小部分马铃薯会掉落到薯垄边缘部位，被限深轮碾压导致伤薯的情况发生。

图2   限深轮

3.4 挖掘过程中对马铃薯的损伤

我国西北地区地处高原，多丘陵，故马铃薯挖掘机多以中小型为主，采用多铲式设计，体积小、质量轻。对于不同地块，种植的农艺要求也不尽相同，马铃薯挖掘方式通常也采用不同的形式，如回转式、固定式、往复式和振动式等[20]。在挖掘过程中，挖掘铲的角度及形状、深度等因素都对挖掘效果产生影响。挖掘角度过大则能耗增大，挖掘阻力增加；若挖掘深度过深则大量土块会随着马铃薯一起被挖掘，导致土薯分离的工作量增加，分离筛幅度增加，马铃薯收到的冲击量也随之增大，更易伤薯。若挖掘深度过浅，挖掘铲没有完全埋入到土垄中，会导致马铃薯茎块与挖掘铲的直接接触，容易产生横向剪切薯块的现象，伤薯程度较高且无法修复。

3.5 土薯分离过程中对马铃薯的损伤

马铃薯收获过程中需进行输送及薯土分离，通常设计成杆条式输送链。在输送过程中抖动轮随着机具的前进上下抖动，通过传动带动土薯分离装置上下振动，完成马铃薯的土薯分离作业。在振筛过程中马铃薯和振筛链条产生多次碰撞，从而导致马铃薯内部结构的垮塌，产生伤薯、破薯等问题。根据目前我国马铃薯收获机的常见结构，土薯分离装置通常分为杆条输送式、摆动筛式、拨辊推送式以及凸轮式等形式㈦]。抖动轮则分为椭圆形、双头型、三头型等。

3.6 集薯过程中对马铃薯的损伤

中小型马铃薯挖掘机通常依靠人工捡拾进行薯块的收集，为减轻人工收集的负担，通常在尾部设计集薯装置。集薯时薯块与集薯栅条发生碰撞，同时大量马铃薯同时下落，相互之间发生冲击摩擦，造成伤薯。在跌落过程中马铃薯茎块会与地面直接接触，接触冲击力全部被马铃薯表皮吸收，马铃薯内部结构受到损坏，在外力的作用下错位、垮塌，产生二次伤薯现象。因此，合理地选择尾筛缓冲装置的材料对防止马铃薯损伤尤为重要，也可采用气力辅助式结构进行缓冲辅助，降低伤薯率。

4、马铃薯种植模式

我国地域辽阔，地区地形复杂多变，且南北气候特点不同，不同的地理条件下马铃薯种植农艺也不同，规范的马铃薯全程机械化运作栽培体系仍在逐步的建立中。目前马铃薯的种植模式基本可分为平地种植、垄沟无覆膜种植、垄沟半膜覆盖种植、垄沟全膜覆盖种植、双垄沟全膜覆盖种植几种|。以西北地区为例，马铃薯种植主要农艺见表1。

表1   西北地区马铃薯种植农艺

在设计装配马铃薯挖掘机时，需要遵循标准化、规范化的设计方式，我国已有标准化的马铃薯联合收获机设计要求，其部分性能指标见表2。

表2   马铃薯联合收获机部分性能指标

5、马铃薯挖掘机各装置的改进

5.1 挖掘装置的改进

在设计装配挖掘铲时，应保持其挖掘深度稳定，避免剪切薯块的情况发生，同时破土和碎土能力要强，在挖掘薯块的同时应尽量减少掘土量，避免薯秧土块壅堵，减少土薯分离装置的工作量。常见的挖掘铲分为平面铲、曲面铲和槽形铲三种形式，平面铲又分为平面单铲、平面双铲以及平面多铲。因平面三角铲极易出现薯秧缠绕及壅土现象，为增加铲的破土及碎土能力，近年来我国许多科研院所都在对挖掘铲的形态结构进行研究。郭新峰等旧纠设计研发出了二阶凸面挖掘铲，该铲在减少能耗、降低阻力的同时，将伤薯率控制在了3％以下。益爱丽等ⅢJ仿狗前爪轮廓设计出了一种适用于木薯挖掘的挖掘铲，实际生产效果还处于测试阶段。赵萍等旧纠以野猪拱嘴进行仿生研究，研发出一款仿生挖掘铲，通过铲面的曲率变化来降低机前壅土量，提升碎土性能。石林榕等Ⅲ1仿蝼蛄爪趾第一趾设计出了马铃薯仿生挖掘铲片，通过提取蝼蛄生物信息，拟合其爪趾侧面轮廓线，降低近26％的挖掘阻力。近年来，为降低挖掘阻力，提升挖掘铲破土、碎土的效果，减轻薯土分离装置的工作量和伤薯率，通常从生物特征着手进行研究，通过提取生物表面轮廓曲线，建立曲线图表或点云图，建立方程进行拟合分析，改变挖掘铲的结构，降低伤薯率。仿生挖掘铲如图3所示。

图3   仿生挖掘铲

5.2 土薯分离装置的改进

土薯分离装置是挖掘机的核心机构，其设计应考虑明薯率和伤薯率，在除去碎土、石块、秧苗等的同时，还要尽可能地保证薯块的完好，不影响其外观及品质。常见的土薯分离装置有杆条式升运器、分离筛、滚筒筛、圆盘筛等。西华大学的胡奔等将土薯分离的升运链条进行了改进，将升运链杆条设计为金属杆带荆棘杆套，在振动过程中，表面荆棘橡胶杆套会吸收一部分马铃薯跌落时所产生的动能，降低了马铃薯与分离杆条之间的碰撞强度，且杆条表面突刺在一定程度上加强了土壤分离效果。其还在振筛链条上增设一防损链，降低马铃薯单次碰撞所受到的冲击力度，有效地降低了伤薯率。甘肃农业大学吴建民等旧¨设计了一种拨指轮式马铃薯挖掘机，通过拨指轮拨动完成土薯分离工作。拨指轮采用柔性结构设计，马铃薯在纵向集条栅上平行运输，随后接触拨指轮，拨指轮随机具的运行做旋转运动，将薯块向后拨动，因拨指轮较为柔软，不易损伤马铃薯，伤薯现象得到明显改善。甘肃农业大学刘鹏霞旧2o将单行牵引式马铃薯联合收获机进行改进设计，机器采用拨齿结构，有效地降低了马铃薯的损伤率。收获机逐步前进时，拨齿轮也跟随不停地转动，马铃薯会被拨齿轮从下级运送到上级。与此同时，马铃薯外皮所连带的泥土也被随之拨下，完成土薯分离工作，避免了土薯分离时因振动而导致的伤薯现象。甘肃农业大学魏宏安等。2副设计了4UFD一1400型马铃薯联合收获机，其在茎秆分离装置中采用了弹性设计，马铃薯经一级土薯分离振筛土块后，经弹性梳杆筛除残秧，减少了土薯分离装置的工作量，减轻了马铃薯振筛的次数，降低了伤薯率，将伤薯率控制在5％以内，符合国家标准。甘肃农业大学的石林榕等[29]研制出了一款圆盘栅式马铃薯挖掘机，将土薯分离装置设计成圆盘栅式，将马铃薯块和土壤进行旋转，利用重力及离心力的差异将马铃薯块和土壤分离。该结构将振筛式的多次撞击分离改为滑动摩擦，降低了因冲击所造成的伤薯现象。东北农业大学的吕金庆等旧叫设计研发了一款新的双行牵引式马铃薯挖掘机，其分离装置采用“直一弯一弯一直”的配比结构，减少薯块在分离筛上的翻滚，降低了伤薯率。

5.3 集薯装置的改进

甘肃农业大学王虎存等"¨将集薯栅进行优化改进，如图4所示。将裸漏的集薯栅条增加橡胶软管，当马铃薯经集薯栅时，橡胶软管会吸收一部分马铃薯与集薯栅的撞击能量，从而减小马铃薯表皮所承受的压力，降低伤薯率。马铃薯下落过程中先与集薯栅碰撞，集薯栅吸收一部分动能，降低马铃薯表皮单次受到冲击的能量，从而有效地降低马铃薯与地面撞击所造成的二次损伤。

图4   集薯栅

5.4 清选分级装置的改进

在收获完成之后，马铃薯还需要进行清选分级并收获装袋，这也是造成马铃薯损伤的一个重要因素，马铃薯联合收获机中通常设置有分级装置。甘肃农业大学魏宏安等研发的4UFD一1400型马铃薯联合收获机，其分级装置采用轴辊链式，通过轴辊的各自转动，完成马铃薯块的分级清选及装袋。甘肃农业大学宋严明日引设计的单行牵引式马铃薯联合收获机，清选分级装置采用滚轴筛选式，通过辊轴间隙将较大的马铃薯块留在滚轴上方，较小的马铃薯块跌落到滚轴下层，经软孔带缓冲后，从孔隙跌落到地面，将马铃薯块筛选成大、小两级，其造成马铃薯损伤的主要原因是薯块在垂直运输和水平分离环节因马铃薯不断滚动摩擦而造成损伤。中小型挖掘机通常不设清选分级装置，都是采用清选分级设备对马铃薯进行分级清选，马铃薯清选分级机如图5所示。马铃薯经收集后装入马铃薯运输车，运输车将车斗内的马铃薯倾人到集薯车斗中，马铃薯随着输送皮带进入到清选环节。在清选环节，清选辊和松土辊先对马铃薯进行搅动和揉搓，去除薯块表面上附着的泥土与杂物，分离残余的秧草，使其从缝隙落入下方的杂质输送单元。随后，薯块进入到分级装置中，各分级辊同向旋转，相邻两分级辊上的弹簧旋向相反，完成薯块分级的同时也避免了薯块朝向同一侧输送。最后经多个输送单元的运输后，完成装车入库的过程。在整个清选分级过程中，清选辊和松土辊对马铃薯的搅动揉搓会对马铃薯造成不同程度的损伤。马铃薯在各分级辊上的旋转运动也会导致破损的现象出现，故材料的选择以及各环节清选角度的设置对降低马铃薯的损伤非常重要。在输送过程中，因设置多个输送单元，各单元之间的衔接及高度落差均会对马铃薯造成损伤，合理地配置各输送单元可有效地避免薯块之间的相互摩擦挤压，降低马铃薯的损伤。

图5   马铃薯清选分级机

6、结束语

我国马铃薯总产量位居世界第一，但亩产量较低，除了将小农经营转变为大规模农场外，还需要更科学的管理以及机械化运作。在机械化收获中，除改良现有机型、丰富其功能外，还应探讨如何降低马铃薯在机械收获过程中的损伤，建立“马铃薯一机械”收获系统的动力学模型及其相关理论，优化产业结构，科学安排各项配置，这对提高马铃薯品质及增加薯农收入具有重大意义。

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基金项目:甘肃省自然科学基金项目(1610RJZA089);甘肃农业大学盛彤笙科技创新基金项目(GSAU-STS一1624);国家自然科学基金项目(51665001).