山东理工大学农业工程与食品科学学院 单信和 王崇庆 王相友

引言

土豆营养丰富，其干物质含量和积累能力强，并且马铃薯种植简单，产出量高，能够适应恶劣的自然环境，现已在被世界各地的农户广泛种植，是仅次于小麦、玉米以及水稻的世界第四大农作物[1-2]。近年来，小麦、玉米及水稻的种植面积短期内呈现减小趋势，随着马铃薯主粮化战略的实施，马铃薯相关产业发展迅速，目前国内马铃薯的种植面积和产量约占世界的五分之一[3-4]。为满足马铃薯庞大的市场需求，这对马铃薯全程机械化提出了更为严格的要求，其中马铃薯的播前种薯切块显得尤为关键。

马铃薯种植方式主要为切块播种，与种薯整播相比，种薯切块播种能够提早进入成熟期，植株高度有相应的增加，出苗数量、株苗数量也有所增加，马铃薯产量提高明显[5]。

1 国外马铃薯种薯切块机发展现状

国外在马铃薯种薯切块的研究上起步早且技术比较成熟，处于领先地位。

美国ALL Star Manufacturing&Design LLC 公司根据机具宽度的不同将Eskel 系列分为多种型号，如图1所示，该系列产品集上料、种薯分选、种薯切块、喷药消毒和薯块输送于一体。该系列产品作业时，种薯由上料装置进入分选筛，种薯表面的泥土掉落，此过程还能够调节种薯位姿，并列排布的圆盘刀将种薯竖着切分，再由横刀切分较大的薯块，随后输送带运输种薯经过喷药消毒处理[6]。

图1 Eskel 系列马铃薯种薯切块机

经过几十年的发展，美国Milestone 公司加大了马铃薯全程机械化作业的科研力度，研制了一台84-D 型马铃薯种薯切块机，如图2 所示。该机功能更加全面，喂入量更大，其主要由输送链、传动带、圆盘刀、滚筒等组成。种薯经上料装置输送到分选辊筛，清除马铃薯种薯表面的杂质，体积较小的种薯会从辊筛之间的缝隙中掉落至下方的输送带上，直接播种，剩下的种薯则继续向后运动至圆盘刀处，多个并联的圆盘刀将种薯分割为块状，大小合格的薯块则会从切块装置的缝隙掉落至输送带上，较大的薯块则继续向后输送至横刀处，由横刀再次切分，随后所有的薯块都掉落至输送带上，经输送带向后输送至喷嘴处进行消毒杀菌[7]。

图2 84- D 型马铃薯种薯切块机

此外，国外研究人员对切割刀具也进行了选择，Zelinski 等[8]用上下传送带夹紧种薯，通过垂直和水平的高压水流切薯，此方式防止了疾病在薯块之间传播；William 等[9]利用激光束切块，在播种前腐蚀薯块切割表面，保证薯块之间不会传染疾病。

2 国内马铃薯种薯切块机研究现状

国内的马铃薯种薯切块机械在机具性能以及工作量上相对于国外现有的机械只能算是处于起步阶段，远落后于发达国家的水平。

2015 年，周树林[10]发明了一种舀勺定刀式马铃薯种薯切块机，如图3 所示，该机根据马铃薯种薯的大小和形状将切刀设计为“1”字形、“Y”字形、“十”字形，输送链上安装多个舀勺，且每个舀勺上都留有刀槽，切刀固定在机箱上。机具作业时，驱动装置驱动链轮转动，从而带动链条运转，舀勺从机具底部携取种薯向上输送，切刀沿着刀槽分割种薯，切刀的上方设置喷药装置对刀具进行杀菌消毒，薯块随舀勺翻转掉落至斜板出料口，完成种薯切块。

图3 舀勺定刀式马铃薯种薯切块机

2019 年，曹中华等[11]设计了一种马铃薯种薯切块设备，如图4 所示。其工作原理为：种薯从上料装置底部的出料口下落至固定装置中，图像识别系统对种薯进行拍照，通过该系统内部的图像分析器完成种薯芽眼的识别，切割控制器则根据识别的芽眼信息生成对应的切割控制信号，切块装置中的姿态调节机构根据切割控制信号完成刀具姿态调节并对种薯进行切块。

图4 马铃薯种薯切块设备

2020 年，王相友等[12]设计了一台定向排列纵横切分马铃薯种薯切块机，如图5 所示。在电机驱动下，上料装置携带种薯向上运动，种薯落入清选除杂装置中，种薯在辊子间转动并向后运动，通过辊子与种薯的碰撞与摩擦将种薯表面的泥土去除，体积小一点的种薯掉落至下方的输送带上，直接作为整薯播种，避免了被刀具切割后导致薯块质量过小不能满足播种需求的问题，能够有效降低种薯的损耗，较大的种薯则落入排序装置，该装置由多组圆台橡胶轮组合而成，种薯经过排序装置不断调整重心，种薯被并联排布的圆盘刀组切为“类圆柱体”块状，体积较小的薯块通过横切装置与纵切装置间的缝隙掉落至物料装置的输送带上，较大的薯块则进入横切装置，通过两滚筒的挤压以及横切刀片的切割，将较大薯块进行切分，切割过程中药液通过滴液管对每一片刀具进行消毒杀菌，所有的薯块经过输送带进入后续的拌种装置。

图5 定向排列纵横切分马铃薯种薯切块机

2020 年，吕金庆等[13]设计了一种纵横刀组协同式马铃薯种薯切块装置试验台，如图6 所示。种薯在由输送辊输送至圆盘到处进行第一次切割，小薯块从玻璃板组的间隙直接落入设置于装置底部的输送带上，大薯块通过玻璃板组进入横刀进行第二次切割，切好的薯块最后经输送带先后运输进入收集箱内。

图6 纵横刀组协同式马铃薯种薯切块试验台

2021 年，刘权磊[14]根据马铃薯种薯切块机的作业情况，并根据种薯切块的农业要求，对马铃薯种薯切块机的圆台橡胶轮及圆盘切刀进行了改进，将圆台橡胶轮的尺寸设计为宽面直径为124mm，窄面直径为115mm，厚度为30mm，锥度为12°，相邻的圆台橡胶轮中心距为134mm，刀槽缝隙宽15mm，通过改进此部件的尺寸，更有利于马铃薯种薯的整列排序，有利于圆盘切刀更好的切分种薯；设计了特殊的刀架，通过改变刀架实现圆盘刀角度的改变，将原本的竖直排布的圆盘刀组改进为能够带有一定倾斜角度的圆盘刀组，这种刀组的排列方式能够改变薯块的形状，能够提高薯块的合格率。

图7 种薯切块试验样机

此外，很多专家将图像处理技术融入到马铃薯种薯的切块作业当中。2016 年，邢作常等[15]设计了基于机器视觉的种薯切块系统，该系统可以识别薯芽，但成本高且效率低。2017 年，田海韬[16]使用机器视觉对马铃薯进行切块，设计了图像采集的硬件系统，检测了种薯薯形与质量，并分割与标记了种薯芽眼，该系统能够明显提高薯块的合格率并将降低种薯的消耗，但是其切块效率与传统切块方式比较低。

3 总结

目前国外马铃薯全程机械化在世界范围内处于遥遥领先的地位，马铃薯种薯切块机的研究也是一流水平，其不仅仅在现有的马铃薯种薯切块机的基础上继续改进，还发展了新的切割方式。最近几年更是加大了科研投入，其技术人员专业知识水平也更高，使得其马铃薯切块机械行业发展较成熟。国外现有的切块机也存在较多问题亟待解决，例如，薯块形状差别大，薯块上的薯芽数量不达标等。

国内已经对马铃薯种薯切块产品进行了一定的开发与研究，进行了试验样机的搭建并完成了性能试验，从试验过程及结果看，试验样机还存在较多的问题，其主要为种薯的损耗率仍然较高，种薯顶端部分极易被切为片状，薯块芽眼分布不均匀，以及薯块的均匀度有待提高。