新疆紅棗收獲機械的研究現狀與發(fā)展對策

王 靜

（新疆農業(yè)職業(yè)技術學院 農業(yè)工程分院，新疆 昌吉 831100）

全球90%的紅棗產自中國，而中國最好的紅棗產自新疆。新疆具有得天獨厚的光熱資源和多樣性氣候類型，為紅棗生產創(chuàng)造了良好的自然條件。目前，特色林果業(yè)已成為新疆農民致富的一個新的支柱產業(yè)。紅棗矮化密植是新疆乃至全國棗產區(qū)的未來發(fā)展趨勢，但在矮化密植模式下由于缺少適宜的機械采收辦法，導致紅棗收獲主要靠人工撿拾來完成，不僅采收效率低，而且采收成本高、采收周期長，因此，紅棗機械化收獲成為影響新疆紅棗產業(yè)發(fā)展的“瓶頸”之一。新疆紅棗產業(yè)化升級必須依靠機械化作業(yè)才能擴大產能，實現紅棗機械化收獲已是紅棗產業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

1 國內外紅棗收獲機械化發(fā)展現狀

1.1 國內發(fā)展現狀

我國果樹采收機械裝備研究起步較晚，實際應用很少，田間果樹收獲依然依靠人工手摘或借助簡單工具輔助采摘，包括采果刀、云梯、木桿等，其缺點是勞動強度大、用工量多等。提高林果采收生產率必須依靠機械化來完成。目前，新疆紅棗主要以干棗收獲為主，其收獲環(huán)節(jié)分為采摘和收集兩個過程。紅棗機械收獲主要有以下幾種形式，可根據需要加以選擇。

1.1.1 半機械式 主要包括梯子和采摘器。我國及世界大多數國家均采用手工方式采收果品，但這種方式只能有效采摘樹下部的果子，而中上部的果子必須上樹或借助梯子才能完成。特別是樹頂的果實因光照充分往往個大色鮮、等級上乘，但因位置較高和枝干影響，無論上樹還是借助梯子均很難采摘，只能搖落或用長桿擊落，造成嚴重損傷，影響經濟收入。采果器作為一種便捷的采摘工具，可將其舉到水果位置后摘果并直接進入采果袋中而不會損傷果實，具有操作簡單、省力方便、結構緊湊、體積小、成本低、效率高等優(yōu)點，適于人工和梯子無法采摘的水果。

1.1.2 打擊式 采用不同類型的振動方式如往復式、旋轉式或混合式擊打或梳刷植株枝條，使果實脫落，下部有接棗收集裝置，完成紅棗的采摘和收集。這種采摘方式可連續(xù)作業(yè)，效率較高，但打擊力度難以控制，會對棗樹產生一定損傷。

1.1.3 搖振式 采用夾持裝置固定樹干，使機器與果樹樹干或樹枝剛性連接，再對果樹施加一定的頻率、幅度及時間，當果實所受的慣性力大于果實與果枝結合力時果實會脫落至倒傘形的收集裝置中，進而完成收集過程。主要分為氣力式、連續(xù)式、撞擊式和接觸式4種方式，其中，氣力式收獲機是利用大功率風機產生高速氣流，直接作用于果樹樹冠進行收獲；連續(xù)式收獲機采用前端懸臂夾持果樹樹干或主枝，以一定頻率的激勵力使果樹做往復運動；撞擊式收獲機通常采用機械或電磁式激勵裝置，通過單次或幾次撞擊使果樹產生足夠慣性力而完成果實分離過程；接觸式收獲機利用小振幅振動棒直接插入樹冠使其產生振動，以達到分離果實效果。搖振式收獲方式可用于干果類喬木樹種的收獲，具有采凈率高、對果樹損傷少等優(yōu)點。

1.1.4 氣吸振動式 通過機械振動使果實脫落，并在下落過程中受到負壓作用，使紅棗進入收集框。這種收獲方式損失率較高，但避免了果實與地面的接觸，凈度較高，常用于沙棘果、枸杞、花椒等作物收獲。

1.2 國外研究現狀

通過新材料、新農藝、機電一體化、3S等技術的應用，國外果業(yè)收獲機械化逐步向智能化、高效性、舒適化發(fā)展，已形成產品系列化且針對性較強、機收水平很高。機械收獲方法主要有以下幾種形式，可根據需要加以選擇。

1.2.1 氣力式振動收獲 其原理是使用大功率風機壓縮空氣產生高強度氣流作用于果樹，并通過導向器改變氣流方向使果樹樹枝搖動。在這個過程中，盡管機器與果樹之間沒有剛性接觸，但在果實自身重力和空氣沖擊產生的外力共同作用下，會使果實脫落。氣力式振動收獲是最早用于林果收獲的收獲機械之一，由拖拉機牽引作業(yè)，適合在行間距較大的果園中移動作業(yè)，而不適合在密集果園中進行收獲。其優(yōu)點是采凈率較高，缺點是風機功率大及氣流速度高會對果樹枝葉產生一定的損傷，而且噪音大、能耗高。這種收獲機械正逐步被其他類型的機械所取代。

1.2.2 搖振式收獲 搖振式收獲機是應用最為廣泛的林果收獲機之一，由推搖器、夾持器、接果裝置、輸果裝置等主要機構組成，其中，振動夾持機構是搖振式收獲機的主要工作單元。其工作原理是通過拖拉機動力驅動液壓油箱，調節(jié)懸臂梁和夾持機構位置，從而夾緊果樹樹干或樹枝，使機器與果樹剛性連接，然后夾持機構中的偏心輪或曲柄滑塊裝置在液壓動力驅動下帶動果樹產生振動，通過改變流量控制閥控制馬達轉速可調節(jié)振動頻率，以適合不同果樹的果實收獲。此外，設有專門的收集裝置，用以收集、運輸樹上脫落的果實。這種收獲機械的相關研究主要集中在搖動機工作參數對收獲率的影響、果實收集方式及如何提高機械化收獲效率等方面。

1.2.3 撞擊式收獲 撞擊式收獲與搖振式收獲的主要區(qū)別在于撞擊式收獲不與果樹剛性連接。其工作原理是通過機械或電磁式極力裝置，單次或多次瞬時高輸入激勵對果樹產生振動，使果實快速脫離果樹，避免果實連續(xù)振動產生的損傷。這種收獲機主要用于收獲果實硬度較大的樹種如橄欖、扁桃、核桃、櫻桃等，以及不宜使用樹干搖振機采收的老弱果樹。

1.2.4 機器人采收 隨著科學技術的發(fā)展，機器人已應用到許多領域，很多國家在水果采收機器人的研制方面取得了一定成果。采收機器人采收的對象大多是蘋果和柑橘，也可用于表皮較脆的鮮食水果如香梨等。采收機器人的氣動彈性終端控制由摘果手、超聲傳感定位器、彩色視覺系統組成。美國研制的旋轉式唇狀摘果手機械裝置用于收獲柑果，可成功摘取全樹69%的果實；西班牙研制的柑果采收機器人對可見面積大于75%的果實的采收錯誤率低于3%；德國和西班牙聯合研制出摘果手帶有果梗切割器件的采收機器人，所采果實中82%～86%的果梗長度不到5 mm，采果質量相當好。但從目前看，采收機器人仍有許多難題需要解決，如被樹葉擋住的水果很難被采收、機器人采收速度較慢、鮮食水果損傷較大等。

2 典型紅棗收獲機械

2.1 4YS－24型紅棗收獲機

4YS－24型紅棗收獲機由機架、果樹振搖裝置和液壓控制系統組成。果樹振搖裝置包括伸縮支臂、支撐套管、軸套、振動頭懸掛架和鉗式振動頭等，安裝于機架后部并通過鉸接與機架相連，其夾持和振搖果樹的動作由液壓控制系統操作，能進行橫向采果作業(yè)（相對于拖拉機前進方向），并收起支撐腿。

機具準備進地作業(yè)時，應將機具升起，并把收獲機支撐腿收起，以免影響機具通行性。夾持樹干時，需要調整拖拉機相對果樹的前后、左右位置，使收獲機的振動頭正對著樹干。拖拉機動力輸出軸將動力傳遞給液壓泵，操縱液壓控制閥，調整伸縮臂上下位置，根據樹徑大小及樹干分枝情況選擇振動頭合適夾持高度，一般夾持位置離地面應不小于80 cm。

操作過程：①張開振動頭夾持臂，調整振動頭夾持面使其與樹干垂直。伸長伸縮臂使振動頭移向樹干，當樹干處于夾持臂中間部位時停止，合攏夾持臂使振動頭將樹干緊緊夾??；②振動果樹，降低伸縮臂使振動頭懸掛索松弛，振動頭完全靠夾持臂的夾持力固定在樹干上；③加大拖拉機油門，提高拖拉機動力輸出軸轉速，打開液壓馬達控制閥，驅動振動頭振動果樹；④縮回振動頭，提升伸收縮臂使振動頭懸掛索張緊，松開夾持臂使振動頭脫離果樹，縮回并降低伸縮臂，將振動頭調整到水平位置。

4YS－24型紅棗收獲機對種植行距4 m以上、樹干直徑范圍為8～20 cm的棗樹有較好的適應性。

由于紅棗收獲機的工作質量主要由振動效果決定，而振動效果的影響因素與多種因素有關。例如：果樹種類不同，其果實與樹枝的連接力也不同，不同振動力大小和振幅高低對抖落效果具有很大的影響，但振幅不能設計太大，否則對果樹有一定損傷。此外，樹木高度、直徑、樹冠大小、振動點高度、氣候條件、果實成熟度等均會影響抖落效果，振動次數和持續(xù)時間是影響抖落效果的重要因素。

2.2 4ZZ－4自走式紅棗收獲機

該機由自走式底盤、機架、采摘裝置、集果裝置、輸送系統、驅動裝置、液壓系統、轉向機構、集果箱等組成，采用全液壓后輪驅動，轉向機構由液壓系統控制，機架與自走式底盤連接，采摘裝置放置在集果裝置上方，對稱固裝在機架兩側，集果裝置與連接在機架上的輸送系統相連。

工作時收獲機騎跨在果樹上，采摘滾筒從果樹兩側通過；立軸采摘滾筒在驅動馬達作用下做旋轉運動，并與收獲機前進速度相協調，避免果樹損傷；轉動過程中撥桿插入樹冠并以高頻小振幅振動，同時撥桿將其振動傳遞給樹冠；果實在振動過程中運動加劇，當慣性力大于果實與果枝結合力時果實掉落，完成果實采摘；采摘后的果實落入集果裝置，并經輸送帶運輸至集果箱，完成整個收獲過程。

該機使用時要求果園行距在2.5 m以上，果樹樹形呈筒狀，成熟期集中，同一行內品種一致，果樹高度在2.2 m以下，最低結果枝位置不低于0.4 m，采收對象為含水率在60%以下且表皮不宜破損的鮮果 （紅棗等）及表皮較堅硬的干果（核桃等）。

2.3 落地紅棗收獲機

該機由清掃裝置、仿形鏟棗裝置、紅棗輸送裝置、柴油機、傳動系統、電啟動裝置、集棗箱、手推扶桿、行走輪及機架等部分構成。

工作過程中，手推扶桿在電動機作用下推動機具向前行進作業(yè)，機具最前方的清掃裝置通過清掃輥刷將棗行間的“紅棗帶”清掃聚攏成壟狀。機具向前行進時，仿形鏟棗裝置將形成壟狀的紅棗鏟起，紅棗中的土塊、石子等雜質從仿形鏟棗裝置的去雜縫隙中漏出，實現雜質與紅棗分離。紅棗不斷向仿形鏟棗裝置尾部移動，沿紅棗輸送裝置輸送到篩條上實現進一步分離，最終落到集棗箱，完成紅棗收獲。

除行走以外的動力均由柴油機提供，通過調整輪調節(jié)手輪可實現清掃裝置最下端清掃刷絲的變形量控制和清掃輥刷對地壓力的控制。

2.4 氣吸式紅棗收獲機

該機由風機、吸管、管道、集棗箱、柴油機、排雜門、轉向把手、行走輪、分選箱及機架等部分構成。

工作過程中，風機在柴油機作用下轉動產生足夠的風速，在管道作用下使吸管產生足夠負壓用以撿拾紅棗與雜物。當紅棗與雜物經吸管進入管道時，因氣流方向改變，管道出口處為正壓值。當紅棗與雜物進入分離箱內，因流速減慢，質量較重的紅棗沿著分離箱壁落入集棗箱中，質量較輕的棗葉等雜物被氣流吹送到排雜門、吹出分選箱，進而完成整個紅棗撿拾與雜物分離過程。

3 新疆紅棗收獲機械化發(fā)展對策

3.1 規(guī)范紅棗種植模式，加強農機農藝結合

新疆紅棗等林果種植模式應充分考慮機械化作業(yè)的實現，推行適于機采的寬窄行種植模式。將等行距種植改為寬窄行種植，既能保證機具進入果樹寬行作業(yè)，又可保證果樹有效收獲株數，在不損失產量的情況下實現紅棗機采。

3.2 引進消化國外先進紅棗收獲技術

引進國外先進成熟紅棗收獲技術設備，利于加快紅棗收獲技術裝備國產化產業(yè)化進程，這是新疆建設兵團紅棗規(guī)?；a的現實和未來需要，具有良好的產業(yè)化前景，社會效益和經濟效益顯著。建議在引進國外紅棗收獲技術裝備基礎上，通過試驗示范和消化吸收，調動各方創(chuàng)新力量協同攻關，實現紅棗收獲機械設備國產化，為我國紅棗機械化發(fā)展提供先進適用的裝備。

3.3 對現有紅棗收獲機加以改進優(yōu)化

結合新疆紅棗種植特點，對現有的紅棗收獲機械進行改進完善。從目前我國研制的紅棗收獲機械來看，仍存在不少缺陷。例如：搖振式紅棗收獲方式雖然收獲效率較高，但紅棗損傷率較大、拾凈率低，無法實現落地紅棗的收獲；氣吸式紅棗收獲方式能較好地回收落地紅棗，但回收效率較低，不適宜大規(guī)模生產應用。基于新疆紅棗矮化密植的種植特點，加之落地紅棗收獲是新疆紅棗收獲的重點，科研部門應在現有紅棗收獲機基礎上，結合新疆紅棗種植特點，對現有機型進行結構改進與參數優(yōu)化，提升收獲作業(yè)性能，例如提升氣吸式紅棗收獲機的工作效率、改進搖振式紅棗收獲機的結構等。

4 結論

國內外科研機構對紅棗收獲機研究較少，目前應用的機械實用性不強。搖振式紅棗收獲機械采收效果較高但損傷率高，且不能收獲落地紅棗，新疆矮化密植模式下紅棗收獲效果一般；氣吸式收獲機采收效果較好但效率不高，不適宜大規(guī)模紅棗收獲；機器人采摘結構復雜且難以實現紅棗采摘與撿拾。結合新疆矮化密植模式種植特點，有必要加強農藝農機結合，注重紅棗低損收獲技術研究應用，并在現有研究基礎上，借鑒國內外先進林果業(yè)收獲技術，研究適合落地紅棗的收獲機械，提升紅棗收獲機械化水平。

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