Prüfmethode zur Bestimmung der Schwarzfleckigkeitsneigung mittels mechanischer Belastung von Kartoffelgewebe

Abstract

Durch stetige Verbesserungen in der Ernte- und Lagerungstechnik von Kartoffeln in den letzten Jahren konnten externe Kartoffelbeschädigungen wie Bruch oder Abschürfungen reduziert werden. Die Schwarzfleckigkeit der Kartoffelknolle, d. h. die durch mechanische Belastung verursachte innere Schädigung, lässt sich jedoch durch klassische Entwicklungswerkzeuge wie praktische Versuche nur schlecht verringern. Durch die Dauer von etwa zwei Tagen zur Ausbildung der Schwarzfleckigkeit nach der mechanischen Belastung, ist es oft unklar, in welchem Prozessschritt und unter welchen Umgebungsbedingungen die Schäden auftreten.
Die Partikelsimulation landwirtschaftlicher Ernteprozesse bietet umfassende Möglichkeiten zur Verbesserung von Maschinenprozessen und zur Verringerung von Ernteverlusten. Mit der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) ist es möglich, einen tiefen Einblick in die Ernte- und Transportprozesse von Kartoffeln zu erhalten. Die DEM stellt die Kartoffelknollen als Partikel und die Maschinenteile als Geometrieelemente dar. Die Geometrieelemente sind stationär oder folgen vordefinierten Bewegungen, während die Bewegung der Partikel auf der Grundlage von Kontaktgesetzen und der Materialeigenschaften berechnet wird. Das globale Partikelmodell der DEM kann Kontaktspannungen auf Partikelebene vorhersagen, ist jedoch nicht in der Lage, lokale Schäden wie die Schwarzfleckigkeit zu beschreiben. Der vorliegende Beitrag stellt einen Prüfstand zur Untersuchung der mechanisch induzierten Verfärbung von Kartoffelgewebe vor und beschreibt ein Modell zur Abbildung lokaler Schwarzfleckigkeitsschäden für die DEM.
Aufgrund der inhomogenen Zusammensetzung der Kartoffelknolle aus mehreren Gewebearten werden auf dem entwickelten Prüfstand die drei wesentlichen Gewebearten Rinde, äußeres Mark und inneres Mark getrennt voneinander untersucht. Die mechanische Belastung der Gewebeproben erfolgt bis zu einer maximalen Stauchung von 20, 40 und 50 % sowie bei einer definierten Verformungsgeschwindigkeit von 0,1 bis 10000 %/s, bezogen auf die Probenhöhe. Die Farbänderung der Proben wird nach etwa 48 Stunden gegenüber unbelastetem Referenzgewebe untersucht. Die Versuche wurden bei einer Knollen- und Umgebungstemperatur von 14 bis 20°C durchgeführt. Der Zusammenhang zwischen der Farbänderung und den Belastungsgrößen Stauchung und Verformungsgeschwindigkeit kann durch eine empirische Gleichung beschrieben werden. Durch Implementierung dieser Gleichung im Kontaktmodell der DEM als Schadensmodell kann die Erzeugung von Schwarzfleckigkeit in realen Prozessschritten in Simulationen vorhergesagt und untersucht werden. Der Schadenswert der einzelnen Partikel kann mit den Schädigungen der realen Kartoffeln verglichen und somit das Schadensmodell validiert werden.