碰撞和摩擦是造成马铃薯在机械化收获、清选和分级过程中出现损伤的主要原因之一。马铃薯块茎组织碰撞损伤和表皮摩擦破损影响了马铃薯的存储、外观品质和销售,给马铃薯产业带来了巨大的经济损失。对马铃薯块茎及表皮的碰撞特性和损伤机理进行研究,对促进马铃薯产业快速发展具有重要意义。本文通过理论分析、试验研究、有限元分析和离散元仿真,对马铃薯块茎及表皮的力学特性、马铃薯碰撞接触力数学模型及其影响因素、马铃薯碰撞接触力与碰撞加速度、马铃薯与分离筛杆条碰撞的运动学和动力学特性、马铃薯与刚性平板和圆柱杆条的冲击摩擦力数学模型及其影响因素、马铃薯与圆柱杆条的冲击摩擦加速度、马铃薯在薯土分离过程中与分离筛的碰撞接触力和摩擦力变化等方面进行了研究,主要研究内容如下:1.利用DDL200型电子万能试验机和TMS-PRO型食品物性分析仪,分别对马铃薯圆柱试样、整茎和表皮的压缩、穿刺、拉伸和剪切力学性能进行试验研究,获得了不同试验因素对马铃薯块茎及表皮力学特性的影响规律。结果表明:压缩方向对马铃薯块茎弹性模量和屈服应力影响较大,试样直径和压缩速率影响较小。马铃薯沿长轴方向的平均弹性模量和屈服应力分别为3.3497MPa和0.8776MPa,且大于沿短轴方向的对应值。马铃薯表皮的最大穿刺力和穿刺强度分别为5.14N和1.64MPa,且均小于马铃薯整茎对应值。当马铃薯表皮拉伸和剪切试验速率从10mm/min增加到30mm/min时,马铃薯表皮断裂时的最大拉力、弹性模量、抗拉强度、最大剪切力和剪切强度均逐渐增大,且各自的变化范围分别为4.2N-8.1N、5.27MPa-8.83MPa、0.7MPa-1.35MPa、17.2N-28.7N和2.87MPa-4.78MPa。利用单摆式碰撞恢复系数测试装置对马铃薯碰撞恢复系数进行测试试验。结果表明:马铃薯与65Mn钢板的碰撞恢复系数随马铃薯跌落高度的增加而变大,随马铃薯质量的增加而变小。马铃薯与65Mn钢板、65Mn-皮革、65Mn-橡胶和65Mn-软塑料碰撞时的恢复系数逐渐降低。2.以4SW-170型马铃薯挖掘机为对象,分析了杆链-摆动筛式薯土分离装置在正常工作时马铃薯与分离筛的相对碰撞速度和高度。马铃薯从升运链抛送至分离筛时,与分离筛的最大相对碰撞速度在砂土和粘土环境中分别为2.675m/s和2.625m/s,相当于马铃薯分别从365mm和352mm高度自由落体后与静止的筛面发生碰撞。马铃薯在分离筛上运动时,与分离筛的最大相对碰撞速度为0.777m/s,相当于马铃薯从31mm高度自由落体后与静止的筛面发生碰撞。分别对马铃薯与分离筛杆条以及筛面上其他马铃薯的碰撞过程进行理论分析,获得了马铃薯与杆条碰撞的最大碰撞接触力数学模型为:（?）,马铃薯与马铃薯碰撞的碰撞接触力数学模型为:（?）。3.根据冲量定理对马铃薯碰撞进行理论分析,建立了马铃薯碰撞接触力的简化计算模型,得到最大碰撞接触力的计算公式Fm=km（?）。对冲击力锤的锤尖进行改进设计,并将改进后的冲击力锤作为力传感器建立了马铃薯碰撞接触力测试系统,分别测试了马铃薯质量、跌落高度、质量和高度的组合m（?）,以及碰撞材料对最大碰撞接触力的影响。结果表明:随着马铃薯质量或跌落高度的增加,最大碰撞接触力和损伤深度均逐渐增大。回归分析结果表明最大碰撞接触力与m（?）符合正比例关系,与理论分析一致。马铃薯与不锈钢、不锈钢-皮革、不锈钢-橡胶和不锈钢-软塑料碰撞的最大碰撞接触力依次减小。以最大碰撞接触力和损伤深度为评价指标,以马铃薯质量、跌落高度、碰撞材料和碰撞次数为试验因素,对夏波蒂和高原红两个品种马铃薯进行正交试验。结果表明:各因素对夏波蒂最大碰撞接触力影响的主次顺序依次为马铃薯质量,碰撞次数,跌落高度,碰撞材料;对高原红影响的主次顺序依次为马铃薯质量,碰撞材料,碰撞次数,跌落高度。各因素对夏波蒂和高原红损伤深度影响的主次顺序相同,且依次为跌落高度,碰撞材料,碰撞次数,马铃薯质量。同等条件下,夏波蒂的最大碰撞接触力小于高原红,损伤深度大于高原红。4.采用单摆式碰撞试验装置和加速度测试系统,对跌落高度、马铃薯质量和马铃薯块茎温度对马铃薯碰撞加速度和损伤面积的影响进行试验研究。结果表明:碰撞加速度与损伤面积均随马铃薯跌落高度的增加而增大。随着马铃薯质量的增加,马铃薯碰撞加速度逐渐减小,损伤面积逐渐变大。马铃薯块茎温度从5℃升高到23℃时,碰撞加速度波动幅度为其平均值的3.77%,但碰撞损伤面积值减小到原来的五分之一,说明马铃薯块茎温度对碰撞加速度的影响不显著,对损伤面积的影响比较显著。对马铃薯最大碰撞加速度与损伤面积之间的内在联系进行了分析,结果表明:在跌落高度试验水平范围内,损伤面积与最大碰撞加速度线性正相关。在马铃薯质量试验水平范围内,损伤面积与最大碰撞加速度负相关。5.采用3D扫描和曲面建模技术相结合,建立了马铃薯三维模型。在ANSYS Workbench中通过LS-DYNA分析模块,研究了马铃薯与单杆条、钢板和双杆条碰撞的加速度,并与试验测试结果进行比较,其平均误差值分别为5.3%、3.95%和5.04%。研究了薯土分离装置杆条直径、筛面倾斜角度、杆条间距、马铃薯与杆条的碰撞接触面数量、土壤的作用等因素对马铃薯碰撞特性的影响。结果表明:马铃薯最大碰撞压缩位移随杆条直径的增大而线性减小,随筛面倾斜角度和杆条间距的增大而线性变大。最大碰撞加速度和最大碰撞接触力的变化规律与最大碰撞压缩位移相反。与无土壤相比,有土壤存在时,马铃薯与杆条碰撞的各项碰撞特性指标均明显降低。马铃薯与单杆条和双杆条的碰撞特性具有相似的变化规律,双杆碰撞的各项指标明显低于单杆碰撞。当马铃薯质量为250g,单杆跌落高度为200mm或者双杆跌落高度为250mm时,马铃薯会出现碰撞损伤。6.根据单摆冲击划痕试验原理,对马铃薯表皮的冲击摩擦过程进行理论分析,得到马铃薯与刚性平板和圆柱杆条的冲击摩擦力数学模型分别为Ffm=μNm和（?）。根据理论分析结果,获得了影响马铃薯表皮冲击摩擦力大小的相关因素,主要包括马铃薯质量、跌落高度、单摆中心到马铃薯碰撞中心的距离、马铃薯最大弹性位移、碰撞接触时间、马铃薯碰撞表面曲率半径、碰撞接触面的材质和粗糙度等。7.设计了马铃薯表皮冲击摩擦试验装置,并建立了马铃薯表皮冲击摩擦加速度测试系统。以马铃薯质量、跌落高度、杆条方向、杆条状态和杆条材料为试验因素,以马铃薯最大加速度为试验评价指标,对马铃薯表皮与圆柱杆条冲击摩擦过程进行试验研究。结果表明:随着马铃薯质量的增加,最大冲击摩擦加速度线性变小。随着跌落高度的增加,最大冲击摩擦加速度线性增大。同等条件下,沿杆条水平方向碰撞时的最大冲击摩擦加速度小于沿杆条垂直方向的对应值,与滚动杆条碰撞时的最大冲击摩擦加速度小于与固定杆条的对应值。马铃薯与65Mn杆条碰撞时最大冲击摩擦加速度最小,与65Mn-橡胶杆条碰撞时最大。建立了马铃薯与杆条冲击摩擦过程的能耗损失比模型,获得了不同试验条件下的能耗损失比大小及变化规律。结果表明:杆条固定时,能耗损失比随马铃薯质量的增加而减小,随跌落高度的增加而增大。杆条滚动时,能耗损失比随马铃薯质量的增加而增大。对马铃薯表皮临界损伤加速度进行试验测试,结果表明:临界损伤加速度随马铃薯质量增加而逐渐减小,跌落高度对临界损伤加速度无显著影响。相同条件下,杆条滚动时马铃薯表皮临界损伤加速度大于杆条固定时,马铃薯与65Mn杆条冲击摩擦的临界损伤加速度最小,与65Mn-橡胶杆条冲击摩擦的临界损伤加速度最大。8.分别建立了马铃薯、土壤和摆动分离筛的离散元模型,对马铃薯在分离筛上的运动过程进行了离散元分析,获得了三种工况下马铃薯从升运链抛送至分离筛的碰撞接触力和在筛面输送过程的摩擦力变化规律。结果表明:马铃薯与分离筛的最大碰撞接触力和摩擦力均随马铃薯质量增加而增大。在65Mn筛杆表面覆盖2mm厚橡胶管或者将筛杆最小间距从34mm增加到39mm,均使马铃薯与分离筛的最大碰撞接触力降低、最大摩擦力增大,且两种条件下最大碰撞接触力的最大降低幅度分别为30.19%和12.61%,最大摩擦力的最大增加幅度分别为扩大8倍和增大62.75%。与无土壤条件相比,筛面上有土壤时会增加马铃薯沿筛面运动的摩擦力,三种工况下马铃薯最大摩擦力的最大增加幅度分别为74.12%、35.9%和47.23%。