马铃薯仓储设备的研究现状和发展趋势

全世界主要种植马铃薯的国家有150个左右, 总面积达2155万hm2, 总产量达近3.2亿t。中国的种植面积占世界20%~25%, 总产约占世界的18%, 占亚洲的70%, 居世界首位。马铃薯是我国继小麦、水稻、玉米后的第四大作物, 并以每年10万hm2种植面积的速度增加。世界马铃薯中心的研究表明, 在世界范围内对马铃薯的需求到2020年将有望增长20%, 超过水稻、小麦、玉米的增长。另据分析, 马铃薯投入产出比为1∶4, 大豆为1∶2.5, 小麦为1∶2, 1 hm2, 马铃薯相当于2 hm2粮食产量, 3 hm2粮食产值。伴随着市场需求不断增加的影响, 以及在显著经济效益的吸引下, 一些外企公司、国内生产企业相继筹建了各具规模的马铃薯种薯生产基地、淀粉生产厂、全粉生产厂、食品加工等企业, 使得马铃薯生产逐渐向生产基地规模化、标准化迈进。

然而, 逐渐大规模的种植与生产越来越彰显马铃薯贮藏的重要性, 更凸显贮藏中对温度、湿度、通风、光照等高要求贮藏条件的难以控制及贮藏技术手段的难以掌握的问题, 造成种植户集中收获后集中上市, 引发无序竞争, 压级压价问题的同时, 也给生产加工周期长、需要源源不断的鲜薯供应的马铃薯生产加工企业带来了集中收购和贮藏的压力。而马铃薯仓储设备的匮乏制约了贮藏技术手段的发展。马铃薯仓储设备的革新和发展有助于种植户开展反季节销售, 保障均衡上市供应, 实现增值增收, 解决销售期限段等问题。同时, 为马铃薯生产加工企业贮备充足原料, 有效解决企业生产周期短, 不能满负荷生产, 难以达产达标的问题, 实现加工增值增效。根据我国国情和目前国内外市场需求分析, 我国马铃薯的贮藏能力达到总产量的50%以上时, 可获得更好的经济效益。

马铃薯需分窖单独贮藏, 分品种、分级别等把食用薯、商品薯、加工薯、种薯等按不同用途贮藏, 避免混杂和病害传播, 便于按用途进行相应管理。目前, 贮藏可堆藏、可装箱堆码。贮藏一般工作流程包括卸车、接薯运送、分选去土、分级、运输传送、布薯堆垛。

国外马铃薯仓储机械化起步较早, 发展快, 技术水平高。德国、美国、法国、荷兰等国家20世纪相继经过一系列从小到大、从低级半自动化到高级自动化的发展, 并在技术水平和基础理论研究方面取得了丰硕的成果。比较具有代表性企业的如德国格立莫 (GRIMME) 公司, 法国DOWNS公司, 荷兰Miedema公司等。其马铃薯仓储设备完整的装仓工作过程包括卸载传送、滤土、分级、装仓堆垛或装袋贮藏、装箱贮藏。每一道工序中很高程度的按需融入了机、电、液一体化控制, 采用传感技术控制传送量和堆垛均匀度, 并更加注重对马铃薯更高程度的保护。这也使得整个装仓操控过程更人性化, 装仓成为一个具有保护性的高效且顺利的工作。

马铃薯可通过拖车或者带料斗的联合收获机直接卸到接收输送料斗内, 采用自动流量控制装置可以确保马铃薯流量固定, 从而提高机器作业速度。接收输送料斗装置, 设计有可靠坚固的底盘、承载17 t拉力的高强度链条, 提高了机器安全性和使用寿命。柔软的料斗底部设计起到了对马铃薯接收和传送过程中的保护作用。传送末端配有螺旋式拨杆, 拨杆拨松马铃薯的堆流, 使马铃薯更加均匀地落入滤土清洁装置内, 提高了转载的速度, 加强后续机器工作的连贯性。接收料斗如1所示。

滤土清洁装置。关键部件清洁辊, 根据土壤特点来确定采用材质柔韧的聚氨酯螺旋式轧辊、星状轮或金属辊筒。同时, 为分离杂物, 采用液压式驱动可以实现对清洁辊的间距和倾斜度进行无极调节, 根据马铃薯粘有杂物程度适当调节旋转速度。而清洁辊自身清洁有两种方法:一是在不清洁马铃薯时自身高速旋转达到清洁目的;二是在清洁马铃薯同时附加辊清洁器, 随着清洁辊的旋转, 辊清洁器做直线运动, 从辊的一端运动到另一端, 即达到清洁目的。清洁辊如图2、图3所示。

除杂后的马铃薯采用光学无损检测方法, 检测是否存在黑心、腐烂、虫眼等病害或损伤, 若发现这些质量残次的马铃薯随即剔除, 避免入仓后将病害蔓延至其他合格的马铃薯。通过高光谱成像系统、透射光谱系统、傅里叶变换近红外光谱仪获得的马铃薯黑心样本, 与合格样本的可见近红外漫反射光谱、透射光谱以及近红外漫反射光谱, 发现两类样本的光谱在各自的波段范围内存在差异, 这为马铃薯黑心病的光谱判别提供了理论依据[2]。光谱检测技术的应用中, 傅里叶近红外光谱仪正确率达90.77%, 高光谱成像系统准确率达92.31%, 透射光谱系统目前最高, 其正确率高达98.46%。黑心马铃薯分析图像如图4所示。

分级装置。马铃薯同一品种分级大体包含两种形式。第一, 简单的把体积较小的马铃薯筛选分开;第二, 按照质量大小分成不同等级。马铃薯的质量和形状是机器视觉分级的两个重要特征和依据[3]。只按照体积大小分成两级, 采用一种合适的筛网抖动筛选即可达到目的。按照质量大小分成不同等级, 一种方法是选择多种不同筛网抖动筛选, 另一种方法是在分级传送带上根据不同质量、不同体积设计多级分级器, 实现多级分级处理。一次筛选如图5所示, 多级筛选如图6所示。

装仓机。马铃薯经过一道道工序处理, 入仓的合格马铃薯可堆垛贮存。装仓机由行走系统、大宽度传送带、内曲天鹅颈装置和可变速电机四大部分组成。其行走系统通过液压驱动, 可直线行走、做弧形摆动的多角度行走;对于表皮脆弱的马铃薯设计了高承载、高耐压、高摩擦的人字形条纹合成橡胶传送带, 对装仓马铃薯有效的进行了保护;设计配备远程遥控系统可以调节传送带的流量。高度和转速配备传感器和监控功能, 在需要情况下进行实时自行调整, 满足入仓时不同条件的搬运需求。装仓机也可野外作业, 可设定直接将马铃薯进行装车。伸缩式装仓机如图7所示, 直接装车如图8所示, 装仓机配置结构及尺寸如图9所示。

马铃薯的装袋机、装箱机、倒箱机等也是国外仓储设备中较为出色产品, 在每一级传送的转载和掉落的过程中, 都最大限度降低了对马铃薯造成损害的隐藏危险。在仓储库设有电脑监测参数, 包括外界温度、外界空气相对湿度、风道温度、室内温度、产品温度、产品相对湿度、二氧化碳浓度、气流速度、压力舱的压力等。使控制器连接管理系统便于管理和控制。

目前, 在国内马铃薯仓储设备市场上, 高端领域仍然被一些历史悠久、实力雄厚的外企牢牢占据着, 而我国专业从事马铃薯机械生产企业虽然逐渐步入发展和成熟期, 但马铃薯仓储设备的研究与开发目前仅仅处于起步阶段, 还处于比较低的技术水平。目前, 生产马铃薯仓储设备的企业仍比较少, 据了解, 神农西古、德沃科技、中机美诺等是国内较早生产马铃薯仓储设备的企业。

国内企业生产的马铃薯仓储设备目前也能较好完成马铃薯装仓的各个基本环节, 从接收料斗到布薯或装箱, 每一环节的设备均具备国外高端设备的基本结构, 可完成其环节的基本动作。如接收输送料斗, 采用可变速电机驱动;清洁辊亦可调节其辊间间隙大小;分级装置采用抖动筛网分级等。国内设备目前较少采用液压和电器控制, 随着国外马铃薯仓储设备技术的不断革新和快速发展, 国家对马铃薯产业的大力支持, 推动了我国马铃薯仓储设备技术飞速发展, 正逐步向机、电、液一体化控制方向迈进, 并在各个工作环节有与国外技术水平持平趋势, 且发展势头良好。

马铃薯的种植面积逐年攀升和良好的经济效益, 对我国马铃薯仓储设备的发展具有非常大的促进作用, 更是非常好的发展机遇, 适当引进国际高端产品, 吸收先进技术, 及时开发适应我国使用情况, 科技含量高且高于国际同类高端设备性价比的产品, 将迎来我国马铃薯仓储设备跨越性的发展和历史性进步, 将为我国马铃薯仓储设备的发展奠定良好基础。