付 威，劉玉冬，坎 雜，潘俊兵，崔 健，張慧明

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

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果園修剪機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

付 威，劉玉冬，坎 雜，潘俊兵，崔 健，張慧明

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

新疆特色林果產(chǎn)業(yè)對提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入、穩(wěn)定邊疆具有重要的意義。近年來，在自治區(qū)政府的支持下，新疆特色林果種植面積迅速增加，規(guī)模化果園相繼出現(xiàn)，由此帶來的勞動(dòng)力不足、生產(chǎn)成本高等問題開始凸顯。隨著果園機(jī)械需求的不斷增加，開溝、施肥、噴藥、收獲等相關(guān)機(jī)械發(fā)展迅猛，果園機(jī)械化程度不斷提高，而占果園生產(chǎn)工時(shí)較大的修剪機(jī)械卻被忽視。為此，論述了果園整形修剪的意義，介紹了果園修剪機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了相關(guān)修剪機(jī)械的工作原理，并概述了目前修剪機(jī)械存在的問題。最后，分析了林果修剪機(jī)械的發(fā)展趨勢,并對林果業(yè)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)。

果園機(jī)械；修剪；發(fā)展現(xiàn)狀

0 引言

我國是林果生產(chǎn)與果品消費(fèi)大國，自20世紀(jì)90年代以來，我國林果栽培總面積和總產(chǎn)量穩(wěn)居世界首位。目前，我國林果產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為繼糧食作物、蔬菜之后的第三大種植產(chǎn)業(yè)[1]。新疆依靠優(yōu)越的地理位置及特有的光熱條件，已成為我國重要林果產(chǎn)區(qū)。截至2014年底，新疆特色林果種植面積已突破146.7萬hm2，其中紅棗種植面積已達(dá)50.7萬hm2，位居全國第1位[2]。新疆林果種植業(yè)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了果園機(jī)械的市場需求[3]。

果園整形修剪能夠重新調(diào)節(jié)果樹營養(yǎng)化物質(zhì)和激素的分配與運(yùn)輸、積累與消化，改善果樹與周圍環(huán)境的關(guān)系，調(diào)節(jié)果樹各個(gè)部分之間的平衡關(guān)系，提高果品質(zhì)量，延長果樹壽命，穩(wěn)定水果產(chǎn)量[4-5]。果園整形修剪作業(yè)是果園生產(chǎn)全過程中最重要的環(huán)節(jié)，是一個(gè)季節(jié)性較強(qiáng)和勞動(dòng)密集型的工作。果樹整形修剪每公頃所用工時(shí)約占整個(gè)生產(chǎn)過程所用工時(shí)的20%[6]。通過科學(xué)合理的整形修剪，有利于果樹的立體結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)化果園建立，可改善果園機(jī)械化作業(yè)環(huán)境，提高果園收獲機(jī)械作業(yè)效率[7-8]。

1 果園修剪機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，果樹整形修剪主要采用以人工為主的單枝選擇修剪和以機(jī)械修剪裝置為主的整株幾何修剪[9]。前者主要依據(jù)不同果樹品種的修剪技術(shù)要求和所在地的氣候條件，進(jìn)行單枝修剪，是以人工為主、機(jī)械協(xié)助的修剪方式，該方式對修剪人員技術(shù)要求高，修剪效率低；后者主要通過把修剪裝置固定在牽引機(jī)具上，依靠可以上下移動(dòng)及左右回轉(zhuǎn)的作業(yè)臂，對樹冠修剪出一定的幾何形狀，其切割裝置多采用液壓驅(qū)動(dòng)，作業(yè)效率高，適合規(guī)?；N植的果園。以葡萄修剪為例，機(jī)械修剪后人工修理和傳統(tǒng)手工修剪的葡萄園生產(chǎn)的葡萄有著相似的水果品質(zhì)(可溶固體與總酸度)和產(chǎn)量[10]。

1.1 單枝選擇修剪機(jī)具

單枝選擇修剪機(jī)具主要分為無動(dòng)力源的手動(dòng)修剪工具和有動(dòng)力源的手動(dòng)修剪工具，如圖1所示。

圖1 幾種單枝選擇修剪機(jī)具

無動(dòng)力源的手動(dòng)修剪工具(如普通修枝剪、太平剪、修枝鋸等)一般修剪30mm以下的枝條，完全依靠人力作為修剪動(dòng)力來源，勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗時(shí)費(fèi)力，大面積的修剪作業(yè)時(shí)容易對人的關(guān)節(jié)造成損傷[11]；但由于價(jià)格便宜，操作簡便，應(yīng)用最為廣泛。

有動(dòng)力源的手動(dòng)修剪工具(如電動(dòng)剪刀、氣動(dòng)剪刀和液動(dòng)剪刀、太陽能修剪刀具等)大都需要外部提供動(dòng)力源。修剪刀具一般受到動(dòng)力源的限制，剪刀一般較笨重，不宜長時(shí)間操作[11-12]，目前沒被大規(guī)模的應(yīng)用。

1.2 整株幾何修剪機(jī)械

整株幾何修剪機(jī)械多用在葡萄園的修剪中。在國外，矮化密植栽培的果園也常采用整株幾何修剪。通過整株幾何修剪后的果園，可以為后續(xù)的機(jī)械化管理創(chuàng)造便利條件[6]。整株幾何修剪機(jī)械根據(jù)修剪刀具運(yùn)動(dòng)方式的不同又分為回轉(zhuǎn)式修剪機(jī)械和往復(fù)式修剪機(jī)械等。

1995年，英國的Spencer A.Grant設(shè)計(jì)了一種拖拉機(jī)側(cè)掛圓盤刀式修剪機(jī)，如圖2所示。其液壓驅(qū)動(dòng)的鋸齒刀交措布置在刀架上，刀架與豎直方向的夾角通過液壓油缸來調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對不同錐度樹型的修剪。圓盤刀采用鋸齒形的邊緣，提高了切割穩(wěn)定性，交措布置的刀片避免了果樹漏剪[13]。該修剪機(jī)采用非選擇性的修剪方式僅能修剪樹的一完整側(cè)面，不能做到單株整形修剪，修剪形式單一，適應(yīng)性差[14]。

圖2 圓盤刀式修剪機(jī)

2001年，澳大利亞Fred Spagnolo設(shè)計(jì)了一種拖拉機(jī)前懸掛式的回轉(zhuǎn)葉片葡萄藤修剪機(jī)，旋轉(zhuǎn)葉片均采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。修剪機(jī)整機(jī)分為上下兩個(gè)部分：上部用于修剪葡萄藤的頂部，下部分用于修剪葡萄藤的側(cè)枝。修剪機(jī)上部與機(jī)架之間采用鉸接形式，靠彈簧彈力進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)修剪機(jī)上部碰到立柱等障礙物時(shí)，可以繞鉸接部位轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)避障，越過障礙物時(shí)靠彈簧彈力復(fù)位。修剪機(jī)下部可以在液壓缸的作用下繞中心部位進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)不同高度的葡萄藤的修剪，如圖3所示[15]。

2003年，澳大利亞Fred Spagnolo設(shè)計(jì)了SG修剪機(jī)。該修剪機(jī)采用龍門形式，通過拖拉機(jī)側(cè)向懸掛騎跨在樹上進(jìn)行修剪。整機(jī)分為兩個(gè)立式修剪機(jī)構(gòu)，每個(gè)機(jī)構(gòu)上安裝多組回轉(zhuǎn)圓盤刀，通過液壓油缸調(diào)節(jié)，控制修剪機(jī)構(gòu)的張開角度，以實(shí)現(xiàn)不同樹形的修剪。立式修剪機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，完成對整個(gè)樹冠的修剪，如圖4所示[16]。龍門架式樹冠修剪整形機(jī)更適于修剪葡萄藤，不能修剪復(fù)雜的形狀果樹冠形。

圖3 回轉(zhuǎn)刀片式葡萄藤修剪機(jī)

圖4 龍門架式樹冠修剪機(jī)

2015年，石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院研制了回轉(zhuǎn)圓盤刀式葡萄藤修剪機(jī)，該機(jī)由機(jī)架、4個(gè)刀片組成的旋轉(zhuǎn)刀及移動(dòng)裝置等部分組成，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)頂部和側(cè)面的圓盤刀，對葡萄藤頂部和側(cè)面進(jìn)行修剪，并通過液壓油缸移動(dòng)實(shí)現(xiàn)修剪裝置水平與豎直位置的調(diào)整，如圖5所示[17]。該方式圓盤刀式修剪機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，切割能力較強(qiáng)，高速作業(yè)容易造成枝條飛出，適于切割藤蔓較細(xì)的枝條。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的徐麗明等人發(fā)明了一種葡萄果實(shí)外部枝葉修剪機(jī),如圖6所示。該修剪機(jī)由機(jī)架部分、移動(dòng)旋轉(zhuǎn)部分、葉輪部分及修剪部分等組成。葡萄修剪機(jī)懸掛在拖拉機(jī)后面，通過控制水平方向的伸縮油缸與豎直方向的伸縮油缸來調(diào)整割臺(tái)的側(cè)向位置與高度，通過高速甩動(dòng)的打草繩將高速旋轉(zhuǎn)葉輪吸入的葡萄枝葉打掉[18]。該機(jī)通過修剪葡萄果實(shí)外部枝葉，解決了葡萄枝葉郁閉、通風(fēng)透光不足的問題，提高了果品質(zhì)量。

圖5 回轉(zhuǎn)圓盤刀式葡萄藤修剪機(jī)

圖6 葡萄果實(shí)外部枝葉修剪機(jī)

1.3 往復(fù)式修剪機(jī)械

意大利Rinier公司設(shè)計(jì)了一種雙往復(fù)式切割器的修剪機(jī)，在機(jī)架頂部和側(cè)面分別安裝一個(gè)往復(fù)式切割器，可通過液壓油缸調(diào)整修剪高度，實(shí)現(xiàn)對葡萄的修剪，如圖7(a)所示；該修剪機(jī)械可以通過調(diào)節(jié)頂部修剪刀的角度來修剪矮化密植栽培的果園，如圖7(b)所示[19]。

圖7 雙往復(fù)切割器式修剪機(jī)

2013年，加拿大的Michel Paquette設(shè)計(jì)了一種拖拉機(jī)前懸掛式自動(dòng)喬木修剪機(jī),如圖8所示。該修剪機(jī)水平方向與豎直方向位置分別由兩個(gè)伸縮桿來控制，豎直方向的伸縮桿在液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下可以完成180°的轉(zhuǎn)動(dòng)，修剪裝置在兩棵樹中間時(shí)，可以一次完成兩棵樹單側(cè)修剪；往復(fù)式切割裝置在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下可以在豎直方向上實(shí)現(xiàn)360°的回轉(zhuǎn)，從而可以修剪完整的樹型；修剪裝置在油缸的驅(qū)動(dòng)下，在豎直平面內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)90°內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同錐度樹型的修剪。該修剪機(jī)實(shí)現(xiàn)對不同高度、錐度樹型的修剪，樹型輪廓的修剪是通過控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的[20]。此修剪機(jī)雖然實(shí)現(xiàn)了單株整形修剪的功能，但僅能修剪完整的幾何樹型，尤其適合修剪圣誕樹，不適于復(fù)雜樹型的修剪。

圖8 自動(dòng)喬木修剪機(jī)

2014年，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院龍魁等設(shè)計(jì)了一種具有手動(dòng)仿形機(jī)構(gòu)的單側(cè)往復(fù)式葡萄藤修剪機(jī)，在葡萄藤側(cè)面進(jìn)行修剪。通過手動(dòng)仿形機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)行間大小，實(shí)現(xiàn)對小行距葡萄的修剪，如圖9所示[21]。該修剪機(jī)的往復(fù)式切割結(jié)構(gòu)簡單，功耗小，修剪效率高[22]；對葡萄藤的不同生長狀態(tài)適應(yīng)性差，易堵塞；由于往復(fù)性切割，慣性力較大，機(jī)架振動(dòng)大，作業(yè)速度不宜過高。

圖9 單側(cè)往復(fù)切割器式葡萄藤修剪機(jī)

山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院張德學(xué)等人設(shè)計(jì)了一種PJS-1型兩翼式葡萄剪枝機(jī)，如圖10所示。該機(jī)懸掛于拖拉機(jī)前部，由左右對稱的兩部分組成，每部分各由一組頂部及側(cè)面旋轉(zhuǎn)刀組成，通過液壓控制刀的轉(zhuǎn)速，一次可以完成左右兩側(cè)葡萄藤的側(cè)面及頂面的修剪工作。為了方便后續(xù)對枝葉的撿拾，該機(jī)設(shè)計(jì)的左、右兩部分頂部的切削刀都是向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，左、右兩側(cè)切削刀旋轉(zhuǎn)的方向與機(jī)器前進(jìn)的方向相反。被剪下的葡萄枝葉在旋轉(zhuǎn)切削刀轉(zhuǎn)速的帶動(dòng)下甩向后方，堆積于一行[23]。該機(jī)的設(shè)計(jì)極大地節(jié)約了勞動(dòng)時(shí)間，提高了工作效率，并且為后續(xù)的枝葉撿拾工作做了準(zhǔn)備。

1.左頂部切削部裝 2.左側(cè)切削部裝 3.機(jī)架總成

2014年，意大利的Alberto Dorigoni 設(shè)計(jì)了一種窗式修剪機(jī),如圖11所示。該機(jī)在傳統(tǒng)的整株幾何修剪機(jī)的基礎(chǔ)上，配備若干個(gè)獨(dú)立的修剪部分。果樹的輪廓由傳統(tǒng)整形修剪機(jī)械來完成，內(nèi)部枝條則由獨(dú)立的修剪部分完成，實(shí)現(xiàn)整個(gè)果樹的修剪[24-25]。雖然該修剪機(jī)嘗試對內(nèi)部枝條修剪，但是該修剪機(jī)械僅能修剪成排種植的矮化密植型果樹，不能適應(yīng)復(fù)雜樹型的修剪。

圖11 窗式修剪機(jī)

2 果園修剪機(jī)械存在的問題

1)單枝選擇修剪存在技術(shù)性強(qiáng)、作業(yè)條件差、勞動(dòng)強(qiáng)度大及效率低等問題，不能適應(yīng)規(guī)模化種植的果園。

2)現(xiàn)有整株幾何修剪機(jī)具主要應(yīng)用于葡萄藤蔓的整枝修剪，不適于個(gè)體樹形的整株幾何修剪。

3)現(xiàn)有修剪機(jī)械的自動(dòng)化程度還比較低，大部分懸掛在拖拉機(jī)上，需要通過人工操作來完成果樹的修剪，對操作人員的要求較高，對果園的規(guī)范化要求也較高[26]。

4)修剪機(jī)械通用性能低，修剪機(jī)械大多針對特定的果樹，不能做到一機(jī)多用[27]。

5)修剪機(jī)械適應(yīng)性差，果園修剪機(jī)械水平低，在復(fù)雜環(huán)境及惡劣條件下無法正常工作[28]。

6)修剪機(jī)械普及應(yīng)用還比較低，機(jī)械修剪的認(rèn)可度、可靠性等對比人工修剪還不具備優(yōu)勢。

3 果園修剪機(jī)械的發(fā)展趨勢

1)針對同種果樹不同種植模式及不同果樹的通用化修剪機(jī)械。應(yīng)提高修剪機(jī)械的通用性，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，降低使用成本。

2)針對果樹個(gè)體自適應(yīng)整形修剪的修剪機(jī)械。目前，整株幾何修剪方式采用的修剪機(jī)具不能針對果樹樹冠個(gè)體特征進(jìn)行修剪作業(yè)，作業(yè)參數(shù)不能連續(xù)調(diào)整，魯棒性差。因此，設(shè)計(jì)出根據(jù)樹型實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)整形修剪機(jī)械，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高修剪可靠性，是當(dāng)務(wù)之急。

3)集多功能于一體的修剪機(jī)械。隨著修剪機(jī)械的推廣，單純的修剪機(jī)械不能滿足生產(chǎn)需要，集剪枝、收枝、粉碎于一體或修剪噴藥于一體的多功能修剪機(jī)械將占據(jù)主要位置。

4)智能化修剪機(jī)械。結(jié)合人工智能及相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)果樹精確修剪的智能化修剪機(jī)械是未來的發(fā)展趨勢。

5)以提高果品質(zhì)量為目標(biāo)的修剪機(jī)械。隨著人工成本的不斷提高及機(jī)械修剪的不斷完善，機(jī)械修剪將逐步取代人工修剪。修剪機(jī)械應(yīng)由目前以降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率為主轉(zhuǎn)為以提高果品質(zhì)量為重[29]。

4 結(jié)論

果園的機(jī)械化管理對降低水果單價(jià)、提高果品質(zhì)量及提升我國水果在國際水果市場的競爭具有重要意義。為此，設(shè)計(jì)出適于規(guī)?；瘧?yīng)用的果園機(jī)械，培育出適于機(jī)械化管理的果樹品種，做到農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的有機(jī)結(jié)合，是我國果品產(chǎn)業(yè)的必由之路。

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The Situation and Expectation of Fruit Tree Pruning Machine

Fu Wei, Liu Yudong, Kan Za, Pan Junbin, Cui Jian, Zhang Huiming

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

Characteristics of fruit industry in Xinjiang in improving local farmers' incomes, stable frontiers is of great significance. In recent years, with the support of the Government of the autonomous region, Xinjiang characteristic fruit growing area increased rapidly,large-scale orchards appeared,the resulting labour shortages cost problems begin to emerge,Orchard machinery an increasing demand, ditching, fertilizing, spraying, harvesting and related machinery is developing rapidly, increasing mechanization in Orchard, Orchard production hours, larger trim machinery has been ignored. To that end, about the significance of training and pruning of orchards introduced Orchard pruning machine development and describes the relevant cutting machinery works,the current trim outlined problems in machinery.Finally, analyzed the trends of fruit pruning machine, and a brief summary of the development of the fruit industry.

orchard machine; pruning; the development situation

2016-09-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51365049)；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2016AG012)

付 威(1977-)，男(滿)，黑龍江五常人，副教授，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)fuwei001@126.com。

張慧明(1977-)，女，新疆石河子人，實(shí)驗(yàn)師，博士研究生，(E-mail)a_an_07@qq.com。

S224.9；S233.3

A

1003-188X(2017)10-0007-05