林果機(jī)械化采收技術(shù)研究及進(jìn)展

付　威，崔　健，張慧明，坎　雜，王麗紅，李景彬

(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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林果機(jī)械化采收技術(shù)研究及進(jìn)展

付威，崔健，張慧明，坎雜，王麗紅，李景彬

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

摘要：機(jī)械化采收是林果全程機(jī)械化作業(yè)中的重要一環(huán)，對(duì)促進(jìn)林果產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展和果農(nóng)種植效益起到了重要作用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)不同林果采收技術(shù)開(kāi)展相關(guān)研究和技術(shù)探索。首先對(duì)國(guó)外不同林果機(jī)械化收獲現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，隨后介紹了國(guó)內(nèi)林果和機(jī)械化收獲研究進(jìn)展，且著重介紹了新疆特色林果采收技術(shù)，并對(duì)林果采收技術(shù)的后續(xù)研究方向進(jìn)行了概述。

關(guān)鍵詞：林果；機(jī)械化采收；振動(dòng)收獲

0引言

目前，我國(guó)果品總種植面積和產(chǎn)量均占世界第1位，已成為種植業(yè)中位列糧食、蔬菜之后的第三大產(chǎn)業(yè)[1]。截止2013 年底，我國(guó)林果種植總面積已突破1 237萬(wàn)hm2，水果總產(chǎn)量已超過(guò)2.5億t[2-3]，林果產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展提升了果園機(jī)械的市場(chǎng)需求。

林果收獲作業(yè)是林果生產(chǎn)全過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)，季節(jié)性強(qiáng)，勞動(dòng)密集，所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所用勞動(dòng)力的35%～45%[4]。20世紀(jì)60年代，國(guó)外開(kāi)始林果業(yè)機(jī)械化收獲研究，根據(jù)收獲機(jī)械采收部件的動(dòng)力方式不同可分為氣力式和機(jī)械式。氣力式收獲機(jī)適于收獲柑橘、沙棘及黑加侖等；機(jī)械式收獲機(jī)多采用振動(dòng)、切割、梳下、刷下和刮下等多種方法，適于收獲蘋(píng)果、柑橘、黑莓、沙棘、杏及葡萄等多種林果[5-6]。目前，林果收獲機(jī)多采用振動(dòng)式收獲，根據(jù)激振位置不同可分為樹(shù)干振動(dòng)(抱搖)式、樹(shù)枝振動(dòng)式和樹(shù)冠振動(dòng)式。

1國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1　國(guó)外林果機(jī)械化收獲研究現(xiàn)狀

1.1.1氣力式(氣吹、氣吸)振動(dòng)收獲研究

氣力式收獲有氣吹式和氣吸式兩種，主要適于收獲柑橘、沙棘及黑加侖等林果。氣吹式收獲是通過(guò)大功率風(fēng)機(jī)吹出高速氣流作用于果樹(shù)樹(shù)冠，并由導(dǎo)向裝置的頻率改變氣流的方向，使果實(shí)振搖產(chǎn)生慣性力，從而使果實(shí)脫落。氣吸式是利用負(fù)壓將果實(shí)吸入采果裝置，果實(shí)被負(fù)壓產(chǎn)生氣流脫拽下后經(jīng)采吸口、吸風(fēng)道進(jìn)入沉降室，落到輸送帶上，樹(shù)葉等輕小雜物經(jīng)風(fēng)機(jī)吹送由出風(fēng)口排除。

Whitney J D和Wheaton T A通過(guò)氣力式振動(dòng)采收機(jī)對(duì)噴灑落果劑的Valencia柑橘進(jìn)行5個(gè)收獲季節(jié)的試驗(yàn)，結(jié)果表明：該方法采收率很低，且氣力式振動(dòng)采收機(jī)相對(duì)于人工采摘柑橘減產(chǎn)16%。Hutton 和 Lill使用自制的氣力式振動(dòng)收獲機(jī)和落果劑進(jìn)行5個(gè)收獲季節(jié)的試驗(yàn)，當(dāng)柑橘與枝干的連接力小于19.6 N時(shí)，采收率超過(guò)80%[7-9]。Coppoc 和Donhaiser 研制了一種錐形掃描式風(fēng)機(jī)(Conical Scan Air Shaker)收獲柑橘，如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)使用化學(xué)藥劑使果實(shí)與樹(shù)枝的連接力小于22.2N時(shí)，收獲機(jī)能夠達(dá)到97%的分離率，收獲效率可以達(dá)到170棵/h[10]。

圖1　錐形掃描式柑橘收獲機(jī)

1.1.2機(jī)械式振動(dòng)收獲研究

機(jī)械式收獲機(jī)多采用振動(dòng)、切割、梳刷等多種方法，適于收獲蘋(píng)果、柑橘、黑莓、沙棘、杏及葡萄等多種林果[7-8]，是國(guó)外應(yīng)用最多、適用性很好的機(jī)型。

1.1.2.1樹(shù)干振動(dòng)(抱搖、撞擊)式收獲研究

基于果樹(shù)樹(shù)干振動(dòng)的收獲機(jī)主要有抱搖式和撞擊式。樹(shù)干振動(dòng)采摘機(jī)主要是利用偏心塊回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)果樹(shù)樹(shù)干施加激振力，使得果樹(shù)產(chǎn)生受迫振動(dòng)，達(dá)到分離果實(shí)的目的。

Whitney 和 Wheaton 使用FMC-4000抱搖式振動(dòng)收獲機(jī)對(duì)噴灑落果劑的柑橘進(jìn)行5個(gè)收獲季節(jié)的試驗(yàn)，振動(dòng)時(shí)間3～7s，收獲率在90%以上。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：機(jī)采比人工采摘的柑橘減產(chǎn)10%[8]。Hedden等人使用4臺(tái)不同抱搖式試驗(yàn)樣機(jī)對(duì)Hamlin和Valencia柑橘進(jìn)行5個(gè)采收期的試驗(yàn)，4種試驗(yàn)樣機(jī)振動(dòng)模式分別采用線性和多方位振動(dòng)，收獲時(shí)噴灑落果劑，每棵果樹(shù)振動(dòng)時(shí)間為7s。Hamlin柑橘的收獲率從64%增加到90%，Valencia柑橘收獲率從74%增加到91%[11]。G.L. anco-Roldán對(duì)油橄欖進(jìn)行振動(dòng)收獲時(shí)，將油橄欖成熟度(MFI)分為4個(gè)等級(jí)，在采收中期時(shí)，振動(dòng)時(shí)間20s，采收率達(dá)到90%以上[12]。D. L. Peterson利用抱搖式振動(dòng)收獲機(jī)對(duì)櫻桃進(jìn)行收獲試驗(yàn)時(shí)(見(jiàn)圖2)，通過(guò)噴灑乙烯，果柄連接力200～300g，單側(cè)振動(dòng)，果實(shí)采收率達(dá)到85%；多方位振動(dòng)，果實(shí)采收率在90%[13]。Pacheco和Rehkugler設(shè)計(jì)了撞擊式蘋(píng)果收獲機(jī)，采用彈簧激振，撞擊速度可以達(dá)到5.16m/s，輸出能量1151J，可適于采收中等大小的果樹(shù)[14]。

1.集果箱　2.清雜風(fēng)機(jī)　3.輸送鏈

1.1.2.2樹(shù)枝振動(dòng)式收獲研究

樹(shù)枝振動(dòng)式收獲主要用于手持式林果振動(dòng)采收機(jī)。手持式樹(shù)枝振動(dòng)采摘機(jī)主要是利用拖拉機(jī)、柴油機(jī)及電機(jī)等作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到振動(dòng)樹(shù)枝的目的；針對(duì)不同直徑的樹(shù)枝，夾持機(jī)構(gòu)可進(jìn)行人工調(diào)節(jié)。

Coppock使用樹(shù)枝振動(dòng)式采收機(jī)對(duì)沒(méi)有噴灑落果劑的Valencia柑橘進(jìn)行3個(gè)收獲季節(jié)的試驗(yàn)，振動(dòng)時(shí)間56s，成熟柑橘落果率76%[15]。Coppock和Sumne等人使用3種樹(shù)枝振動(dòng)式采收機(jī)進(jìn)行采收試驗(yàn)， 這3種采收機(jī)都會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)，但使用落果劑能夠降低減產(chǎn)[16]。D.Mann和D.S.Petkau等人通過(guò)對(duì)沙棘進(jìn)行振動(dòng)收獲試驗(yàn)，得出在頻率25Hz和振幅32mm時(shí)收獲效果最好[17]。D Erdoan采用慣性激振裝置對(duì)杏進(jìn)行收獲，采收時(shí)間5s、頻率15Hz、振幅40mm，獲得較佳的采收效果，沒(méi)發(fā)現(xiàn)側(cè)枝和樹(shù)皮損傷[18]。MateevL.M等人認(rèn)為采收工作部件撞擊櫻桃樹(shù)枝的沖擊力為隨機(jī)函數(shù)，在不同工作參數(shù)下建立了櫻桃振動(dòng)采收數(shù)學(xué)模型，在櫻桃田間采收試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果與該模型預(yù)測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)約為0.99[19]。S. W. Lee對(duì)枸杞(Lycium chinense Mill)進(jìn)行果柄拉斷力測(cè)試，不成熟枸杞的拉斷力比成熟的枸杞高2.7倍，成熟的枸杞果柄拉斷力0.7～1.3N；通過(guò)采收試驗(yàn)，確定最佳工作參數(shù)區(qū)間，激振頻率94.7～125.7Hz和振幅25～35mm[20]。

1.1.2.3樹(shù)冠振動(dòng)式收獲研究

樹(shù)冠振動(dòng)采摘機(jī)被廣泛應(yīng)用與采摘藤木類的水果，如藍(lán)莓、黑莓及葡萄等水果。樹(shù)冠振動(dòng)采收主要是利用梳齒機(jī)構(gòu)對(duì)樹(shù)冠的振動(dòng)和梳刷作用，使果樹(shù)枝條振動(dòng)，從而達(dá)到分離果實(shí)的目的。

Sumner對(duì)Valencia柑橘進(jìn)行2個(gè)收獲季節(jié)的收獲試驗(yàn)，激振器的振幅分別為150、230、300mm， 激振頻率1.7～5.8Hz，激振時(shí)間10～18s。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：振幅150mm為最優(yōu)選擇，振幅300mm 為效果最差[21-22]。Peterson使用USDA樹(shù)冠振動(dòng)收獲機(jī)(見(jiàn)圖3)，每分鐘可采7～9棵樹(shù)，工作速度1.6～3.2km/h， 收獲Valencia柑橘時(shí)不用落果劑，收獲率80%～90%[23]。2003年，韓國(guó)忠南國(guó)立大學(xué)S. W. Lee et al.對(duì)紅棗的物理力學(xué)特性進(jìn)行研究，研制一種基于樹(shù)冠振動(dòng)的全液壓自走式紅棗收獲機(jī)，采收部件下部連接柔性輸送管；收獲時(shí)，液壓油缸提升，將采收部件對(duì)準(zhǔn)樹(shù)干進(jìn)行采收，激振頻率7.7Hz，試驗(yàn)時(shí)間3s，成熟紅棗采收率達(dá)到95.8%[24]。Jung D.So，Ph.D等研究一種全液壓自走式收獲機(jī)，采用鋁制振動(dòng)撥桿插入樹(shù)冠上部，進(jìn)行往復(fù)性振動(dòng)，能夠?qū)Τ墒斓母才枳油瓿墒斋@作業(yè)[25-26]。

1.2　國(guó)內(nèi)林果機(jī)械化收獲研究現(xiàn)狀

我國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始林果收獲研究，東北農(nóng)學(xué)院張克孝教授先后采用梳刷和振動(dòng)的原理對(duì)黑加侖進(jìn)行機(jī)械采收的試驗(yàn)研究[27]。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)王業(yè)成采用振動(dòng)采收裝置對(duì)黑加侖進(jìn)行收獲試驗(yàn)，并對(duì)兩個(gè)品種的漿果進(jìn)行物理力學(xué)特性研究[28-29]。北京林業(yè)大學(xué)沈瑞珍進(jìn)行銀杏振動(dòng)落果試驗(yàn)，研究振幅、激振頻率和時(shí)間與落果率之間的關(guān)系，得出銀杏側(cè)枝最優(yōu)激振頻率應(yīng)在1.00～5.25Hz之間，振動(dòng)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)11s[30]。寧夏固原地區(qū)農(nóng)機(jī)所研制了手工沙棘采收器。寧夏農(nóng)林科學(xué)院研制的枸杞采摘機(jī)，也適用于沙棘收獲。內(nèi)蒙古自治區(qū)園藝科學(xué)研究所研究了噴灑1 000×10-6的40%乙烯利溶劑的沙棘化學(xué)采收法。內(nèi)蒙古林業(yè)研究院應(yīng)用氣吸式小林果采收裝置進(jìn)行氣吸采收[31]。這些方法可在一定程度上提高工效、改善采收條件，但采收效率低、果樹(shù)損傷嚴(yán)重。

圖3　USDA樹(shù)冠振動(dòng)收獲機(jī)

近幾年，我國(guó)開(kāi)始對(duì)新疆林果進(jìn)行機(jī)械化收獲的研究。2009 年，石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院針對(duì)新疆棗農(nóng)間作、矮化密植兩種模式(占新疆紅棗種植面積的90%以上，且樹(shù)高在3m 以下)，研制了基于樹(shù)冠振動(dòng)的自走式紅棗收獲機(jī)(見(jiàn)圖4)，采用雙撥桿滾筒對(duì)稱布置樹(shù)冠兩側(cè)；通過(guò)3 個(gè)采收期的采收試驗(yàn)，初步獲得振動(dòng)撥桿的振幅為15～20mm，激振頻率為15～20Hz，采收率>90%[32-33]。

1.機(jī)架　2.座椅　3.振蕩馬達(dá)　4.風(fēng)機(jī)　5.集果箱　6.激振裝置

2009 年，新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制4YS-24 型紅棗收獲機(jī)(見(jiàn)圖5)，與東方紅400 型拖拉機(jī)配套使用，采用抱搖式收獲方法。通過(guò)在新疆哈密農(nóng)十三師進(jìn)行的田間試驗(yàn)以及性能測(cè)試表明：該機(jī)生產(chǎn)率和采收率都達(dá)到較高水平，機(jī)械收獲的生產(chǎn)效率與人工相比約提高了4～11倍，能達(dá)到50～80棵樹(shù)/h，可搖落全樹(shù)83%～98%的果實(shí)；但僅適于收獲樹(shù)干直徑大于100mm、樹(shù)高3m 以上的棗樹(shù)，與新疆當(dāng)前的矮化密植紅棗種植模式不匹配，限制了該機(jī)器的適用范圍[11,34]。

1.鉗式振動(dòng)頭　2.振動(dòng)頭懸掛叉　3.橫向液壓油缸　4.支臂套管

2011年，南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院王長(zhǎng)勤、許林云針對(duì)我國(guó)密植果園模式下采收作業(yè)空間小、機(jī)械化作業(yè)條件差的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出基于樹(shù)干振搖的偏心式林果振動(dòng)采收機(jī)(見(jiàn)圖6)，在新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣木本糧油林場(chǎng)核桃林場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：激振頻率對(duì)樹(shù)干全振幅和果實(shí)采凈率具有顯著性影響(P=0.05)，激振頻率20 Hz時(shí)樹(shù)干全振幅和采凈率達(dá)到最大值，分別為8.83mm和92.6%，但振幅過(guò)大會(huì)對(duì)果樹(shù)樹(shù)干造成損傷[35]。

1.操作觸摸屏　2.空壓機(jī)　3.履帶車　4.電氣控制柜

2014年，史高昆等人研制出一種氣吸式紅棗收獲機(jī)(見(jiàn)圖7)，主要由吸管、風(fēng)機(jī)、3 通管道、分選管道、收集框、機(jī)架和集雜袋等部件組成，并采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)紅棗收獲機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了吸拾性能試驗(yàn)，測(cè)定了收獲機(jī)吸口處在不同氣流流速下的拾凈率、損失率及含雜率。結(jié)果表明：氣吸式紅棗撿拾機(jī)吸管口的吸附風(fēng)速為23m/s 時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)較優(yōu)，平均撿拾效率為185.4kg/h[36]。

圖7　氣吸式紅棗收獲機(jī)

綜上所述，從國(guó)內(nèi)外關(guān)于林果機(jī)械采收的研究來(lái)看，國(guó)外對(duì)林果機(jī)械采收的研發(fā)較早，機(jī)型種類較多，而且許多機(jī)型己被大量推廣應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，但是并不適用于國(guó)內(nèi)果園的種植模式。國(guó)內(nèi)目前的研究尚處于起步階段，研發(fā)的機(jī)型較少，主要設(shè)計(jì)了一些小型機(jī)具，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)含量較低，而且應(yīng)用到實(shí)際采摘過(guò)程中的機(jī)型非常少。

2總結(jié)及展望

1)國(guó)內(nèi)林果種類及種植模式的多樣性決定了林果采收機(jī)械的多樣性，因此僅靠引進(jìn)國(guó)外林果采收機(jī)械難以解決國(guó)內(nèi)的林果機(jī)械化采收存在的問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)林果采收技術(shù)的相關(guān)研究，為林果收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)與研究提供理論依據(jù)。

2)目前，林果收獲機(jī)多采用振動(dòng)式收獲，在一定程度上提高了采摘效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，但由于大多的振動(dòng)采收裝置多采用強(qiáng)制性振動(dòng)對(duì)樹(shù)干進(jìn)行搖振或?qū)M(jìn)行敲擊，以實(shí)現(xiàn)果實(shí)的脫落。這種方式對(duì)果樹(shù)與果品損傷較大，可以考慮將將強(qiáng)制振動(dòng)轉(zhuǎn)化為自激振動(dòng)，或?qū)⒄駝?dòng)收獲與氣力式收獲相結(jié)合，以減少果枝的摩擦損傷和果品的擊打損傷，以降低功耗、提高采收效果。

3)林果收集過(guò)程中會(huì)發(fā)生果實(shí)間相互的碰撞和摩擦，將造成一部分的果實(shí)損傷，為減少果實(shí)損傷，應(yīng)對(duì)接收平面材料進(jìn)行合理的選取，選擇緩沖效果較好的材料可以減少果實(shí)的機(jī)械損傷。

4)我國(guó)大部分果園的規(guī)?；耙?guī)范化程度較低， 因此應(yīng)大力推廣建立適于機(jī)采的標(biāo)準(zhǔn)化果園，以降低收獲機(jī)械設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，達(dá)到農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合，使其適用范圍更加廣泛。

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The Research and Development of Mechanization Harvesting Technology for Forest Fruit

Fu Wei, Cui Jian, Zhang Huiming, Kan Za, Wang Lihong, Li Jingbin

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

Abstract：Mechanization harvesting is a key part of the entire mechanization in forest fruit harvest, it plays an important role in promoting the development of forestry fruit industry and improving the planting benefit of farmers. In recent years, it has been carried out research and technical exploration in different fruit harvest technology at home and abroad. This paper first introduced the present situation of different fruit mechanization harvesting in foreign countries, then introduced the research progress of mechanized harvesting technology for forest fruit in China, and emphatically introduced the mechanized harvesting technology for local special forest fruit in Xinjiang, and summarized the further study of mechanized harvesting technology at last.

Key words：forest fruit; mechanized harvesting; vibration harvesting

中圖分類號(hào)：S233.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)12-0264-05

作者簡(jiǎn)介：付威(1977-)，男(滿族)，黑龍江五常人，副教授，碩士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，(E-mail)fuwei001@126.com。通訊作者：李景彬(1980-)，男，河南淮陽(yáng)人，副教授，碩士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，(E-mail)ljb8095@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目(E050601)

收稿日期：2016-01-04