馬鈴薯種薯切塊裝置研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 單信和 王崇慶 王相友

引言

土豆?fàn)I養(yǎng)豐富，其干物質(zhì)含量和積累能力強(qiáng)，并且馬鈴薯種植簡單，產(chǎn)出量高，能夠適應(yīng)惡劣的自然環(huán)境，現(xiàn)已在被世界各地的農(nóng)戶廣泛種植，是僅次于小麥、玉米以及水稻的世界第四大農(nóng)作物[1-2]。近年來，小麥、玉米及水稻的種植面積短期內(nèi)呈現(xiàn)減小趨勢，隨著馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的實施，馬鈴薯相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，目前國內(nèi)馬鈴薯的種植面積和產(chǎn)量約占世界的五分之一[3-4]。為滿足馬鈴薯龐大的市場需求，這對馬鈴薯全程機(jī)械化提出了更為嚴(yán)格的要求，其中馬鈴薯的播前種薯切塊顯得尤為關(guān)鍵。

馬鈴薯種植方式主要為切塊播種，與種薯整播相比，種薯切塊播種能夠提早進(jìn)入成熟期，植株高度有相應(yīng)的增加，出苗數(shù)量、株苗數(shù)量也有所增加，馬鈴薯產(chǎn)量提高明顯[5]。

1 國外馬鈴薯種薯切塊機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

國外在馬鈴薯種薯切塊的研究上起步早且技術(shù)比較成熟，處于領(lǐng)先地位。

美國ALL Star Manufacturing&Design LLC 公司根據(jù)機(jī)具寬度的不同將Eskel 系列分為多種型號，如圖1所示，該系列產(chǎn)品集上料、種薯分選、種薯切塊、噴藥消毒和薯塊輸送于一體。該系列產(chǎn)品作業(yè)時，種薯由上料裝置進(jìn)入分選篩，種薯表面的泥土掉落，此過程還能夠調(diào)節(jié)種薯位姿，并列排布的圓盤刀將種薯豎著切分，再由橫刀切分較大的薯塊，隨后輸送帶運輸種薯經(jīng)過噴藥消毒處理[6]。

圖1 Eskel 系列馬鈴薯種薯切塊機(jī)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，美國Milestone 公司加大了馬鈴薯全程機(jī)械化作業(yè)的科研力度，研制了一臺84-D 型馬鈴薯種薯切塊機(jī)，如圖2 所示。該機(jī)功能更加全面，喂入量更大，其主要由輸送鏈、傳動帶、圓盤刀、滾筒等組成。種薯經(jīng)上料裝置輸送到分選輥篩，清除馬鈴薯種薯表面的雜質(zhì)，體積較小的種薯會從輥篩之間的縫隙中掉落至下方的輸送帶上，直接播種，剩下的種薯則繼續(xù)向后運動至圓盤刀處，多個并聯(lián)的圓盤刀將種薯分割為塊狀，大小合格的薯塊則會從切塊裝置的縫隙掉落至輸送帶上，較大的薯塊則繼續(xù)向后輸送至橫刀處，由橫刀再次切分，隨后所有的薯塊都掉落至輸送帶上，經(jīng)輸送帶向后輸送至噴嘴處進(jìn)行消毒殺菌[7]。

圖2 84- D 型馬鈴薯種薯切塊機(jī)

此外，國外研究人員對切割刀具也進(jìn)行了選擇，Zelinski 等[8]用上下傳送帶夾緊種薯，通過垂直和水平的高壓水流切薯，此方式防止了疾病在薯塊之間傳播；William 等[9]利用激光束切塊，在播種前腐蝕薯塊切割表面，保證薯塊之間不會傳染疾病。

2 國內(nèi)馬鈴薯種薯切塊機(jī)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的馬鈴薯種薯切塊機(jī)械在機(jī)具性能以及工作量上相對于國外現(xiàn)有的機(jī)械只能算是處于起步階段，遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家的水平。

2015 年，周樹林[10]發(fā)明了一種舀勺定刀式馬鈴薯種薯切塊機(jī)，如圖3 所示，該機(jī)根據(jù)馬鈴薯種薯的大小和形狀將切刀設(shè)計為“1”字形、“Y”字形、“十”字形，輸送鏈上安裝多個舀勺，且每個舀勺上都留有刀槽，切刀固定在機(jī)箱上。機(jī)具作業(yè)時，驅(qū)動裝置驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)動，從而帶動鏈條運轉(zhuǎn)，舀勺從機(jī)具底部攜取種薯向上輸送，切刀沿著刀槽分割種薯，切刀的上方設(shè)置噴藥裝置對刀具進(jìn)行殺菌消毒，薯塊隨舀勺翻轉(zhuǎn)掉落至斜板出料口，完成種薯切塊。

圖3 舀勺定刀式馬鈴薯種薯切塊機(jī)

2019 年，曹中華等[11]設(shè)計了一種馬鈴薯種薯切塊設(shè)備，如圖4 所示。其工作原理為：種薯從上料裝置底部的出料口下落至固定裝置中，圖像識別系統(tǒng)對種薯進(jìn)行拍照，通過該系統(tǒng)內(nèi)部的圖像分析器完成種薯芽眼的識別，切割控制器則根據(jù)識別的芽眼信息生成對應(yīng)的切割控制信號，切塊裝置中的姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)根據(jù)切割控制信號完成刀具姿態(tài)調(diào)節(jié)并對種薯進(jìn)行切塊。

圖4 馬鈴薯種薯切塊設(shè)備

2020 年，王相友等[12]設(shè)計了一臺定向排列縱橫切分馬鈴薯種薯切塊機(jī)，如圖5 所示。在電機(jī)驅(qū)動下，上料裝置攜帶種薯向上運動，種薯落入清選除雜裝置中，種薯在輥子間轉(zhuǎn)動并向后運動，通過輥子與種薯的碰撞與摩擦將種薯表面的泥土去除，體積小一點的種薯掉落至下方的輸送帶上，直接作為整薯播種，避免了被刀具切割后導(dǎo)致薯塊質(zhì)量過小不能滿足播種需求的問題，能夠有效降低種薯的損耗，較大的種薯則落入排序裝置，該裝置由多組圓臺橡膠輪組合而成，種薯經(jīng)過排序裝置不斷調(diào)整重心，種薯被并聯(lián)排布的圓盤刀組切為“類圓柱體”塊狀，體積較小的薯塊通過橫切裝置與縱切裝置間的縫隙掉落至物料裝置的輸送帶上，較大的薯塊則進(jìn)入橫切裝置，通過兩滾筒的擠壓以及橫切刀片的切割，將較大薯塊進(jìn)行切分，切割過程中藥液通過滴液管對每一片刀具進(jìn)行消毒殺菌，所有的薯塊經(jīng)過輸送帶進(jìn)入后續(xù)的拌種裝置。

圖5 定向排列縱橫切分馬鈴薯種薯切塊機(jī)

2020 年，呂金慶等[13]設(shè)計了一種縱橫刀組協(xié)同式馬鈴薯種薯切塊裝置試驗臺，如圖6 所示。種薯在由輸送輥輸送至圓盤到處進(jìn)行第一次切割，小薯塊從玻璃板組的間隙直接落入設(shè)置于裝置底部的輸送帶上，大薯塊通過玻璃板組進(jìn)入橫刀進(jìn)行第二次切割，切好的薯塊最后經(jīng)輸送帶先后運輸進(jìn)入收集箱內(nèi)。

圖6 縱橫刀組協(xié)同式馬鈴薯種薯切塊試驗臺

2021 年，劉權(quán)磊[14]根據(jù)馬鈴薯種薯切塊機(jī)的作業(yè)情況，并根據(jù)種薯切塊的農(nóng)業(yè)要求，對馬鈴薯種薯切塊機(jī)的圓臺橡膠輪及圓盤切刀進(jìn)行了改進(jìn)，將圓臺橡膠輪的尺寸設(shè)計為寬面直徑為124mm，窄面直徑為115mm，厚度為30mm，錐度為12°，相鄰的圓臺橡膠輪中心距為134mm，刀槽縫隙寬15mm，通過改進(jìn)此部件的尺寸，更有利于馬鈴薯種薯的整列排序，有利于圓盤切刀更好的切分種薯；設(shè)計了特殊的刀架，通過改變刀架實現(xiàn)圓盤刀角度的改變，將原本的豎直排布的圓盤刀組改進(jìn)為能夠帶有一定傾斜角度的圓盤刀組，這種刀組的排列方式能夠改變薯塊的形狀，能夠提高薯塊的合格率。

圖7 種薯切塊試驗樣機(jī)

此外，很多專家將圖像處理技術(shù)融入到馬鈴薯種薯的切塊作業(yè)當(dāng)中。2016 年，邢作常等[15]設(shè)計了基于機(jī)器視覺的種薯切塊系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以識別薯芽，但成本高且效率低。2017 年，田海韜[16]使用機(jī)器視覺對馬鈴薯進(jìn)行切塊，設(shè)計了圖像采集的硬件系統(tǒng)，檢測了種薯薯形與質(zhì)量，并分割與標(biāo)記了種薯芽眼，該系統(tǒng)能夠明顯提高薯塊的合格率并將降低種薯的消耗，但是其切塊效率與傳統(tǒng)切塊方式比較低。

3 總結(jié)

目前國外馬鈴薯全程機(jī)械化在世界范圍內(nèi)處于遙遙領(lǐng)先的地位，馬鈴薯種薯切塊機(jī)的研究也是一流水平，其不僅僅在現(xiàn)有的馬鈴薯種薯切塊機(jī)的基礎(chǔ)上繼續(xù)改進(jìn)，還發(fā)展了新的切割方式。最近幾年更是加大了科研投入，其技術(shù)人員專業(yè)知識水平也更高，使得其馬鈴薯切塊機(jī)械行業(yè)發(fā)展較成熟。國外現(xiàn)有的切塊機(jī)也存在較多問題亟待解決，例如，薯塊形狀差別大，薯塊上的薯芽數(shù)量不達(dá)標(biāo)等。

國內(nèi)已經(jīng)對馬鈴薯種薯切塊產(chǎn)品進(jìn)行了一定的開發(fā)與研究，進(jìn)行了試驗樣機(jī)的搭建并完成了性能試驗，從試驗過程及結(jié)果看，試驗樣機(jī)還存在較多的問題，其主要為種薯的損耗率仍然較高，種薯頂端部分極易被切為片狀，薯塊芽眼分布不均勻，以及薯塊的均勻度有待提高。