果樹枝條修剪機(jī)械裝置設(shè)備研究進(jìn)展

楊振 李建平 楊欣

摘要 枝條修剪是保持果樹樹形、調(diào)整冠層分布、調(diào)節(jié)果品品質(zhì)的重要農(nóng)事作業(yè)環(huán)節(jié)。通過分析國內(nèi)外人工修剪輔助設(shè)備、懸掛式枝條修剪機(jī)、自動(dòng)化修剪設(shè)備在果園的應(yīng)用及技術(shù)研究狀況，指出隨著栽培制度變革國內(nèi)果樹枝條修剪裝置具有向智能、輕簡、機(jī)械化方向發(fā)展的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 果樹；人工修剪；機(jī)械修剪；自動(dòng)化修剪

中圖分類號(hào) S605.1；S23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）19-0226-03

果樹樹形是影響果樹負(fù)載量的重要因素之一，通過冬剪、春剪、夏剪等不同時(shí)期的修剪去除老枝條或損傷枝條等方法合理控制果樹樹形，使果樹冠層分布均勻合理，實(shí)現(xiàn)果園通風(fēng)透光、便于機(jī)械化管理，對(duì)于提高水果的品質(zhì)和產(chǎn)量具有重要的作用[1]。目前，我國以手工修剪枝條作業(yè)為主，機(jī)械化水平低，勞務(wù)用工成本高，且存在剪枝后切口不涂藥保護(hù)傷口而引起腐爛病等風(fēng)險(xiǎn)。修剪方式主要有人工修剪、機(jī)械修剪和自動(dòng)化修剪等，多種形式并存，根據(jù)果園規(guī)模、種植模式、勞動(dòng)力等因素綜合考慮選擇不同的修剪方式進(jìn)行果樹樹形管理。

1 人工修剪輔助設(shè)備

1.1 人力修剪

采用果樹剪、果樹修枝鋸以及加長手柄的輔助修枝剪和鋸對(duì)果樹進(jìn)行樹形管理是果園常用的技術(shù)措施。按照植物園藝學(xué)上的要求進(jìn)行人力手工修剪，不僅便于控制果樹枝條的生長，還便于人為控制果樹樹形、培育飽滿的果樹花芽，使果樹達(dá)到最優(yōu)產(chǎn)量。規(guī)?；麍@的人力修剪是一項(xiàng)短期集中高強(qiáng)度作業(yè)，歐美國家將從事果樹修剪的職業(yè)納入職業(yè)病檢查領(lǐng)域[2]。

日本愛麗斯（ARS）公司開發(fā)了通過手柄轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)移剪枝力的VS-8R手動(dòng)修枝剪；意大利CAMPAGNOLA公司根據(jù)樹種和環(huán)境不同，開發(fā)了Star35氣動(dòng)修枝剪，作業(yè)時(shí)剪切力可達(dá)2.12 kN，可剪切3次/s，適合剪枝難度較高場(chǎng)合[3]。

1.2 電動(dòng)修剪

電動(dòng)修剪機(jī)主要由蓄電池、控制電路、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、刀頭等部分組成；電動(dòng)修剪機(jī)通過蓄電池供電，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)剪刀內(nèi)部的傳動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)剪刀的開閉運(yùn)動(dòng)。1929年美國LOB Lindstrom[4]提交了一款用電磁線圈驅(qū)動(dòng)剪刀頭修剪的專利，1984年法國丹尼爾·德爾馬斯發(fā)明了電動(dòng)修剪刀ELECTROCOUP并且創(chuàng)建了INFACO的品牌[5]。

楊 洲等[6]研究了果園電動(dòng)修剪機(jī)具與技術(shù)，并對(duì)國內(nèi)外電動(dòng)果樹修剪機(jī)進(jìn)行了對(duì)比和分析，歸納了電動(dòng)修剪機(jī)的種類，總結(jié)了國內(nèi)外電動(dòng)修剪刀的優(yōu)缺點(diǎn)。孫健峰等[7]采用HT-500高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)果園電動(dòng)修剪刀片進(jìn)行了摩擦試驗(yàn)，得出了電動(dòng)修剪刀片最優(yōu)的摩擦值。電池續(xù)航時(shí)間、修剪動(dòng)力等是影響電動(dòng)修剪機(jī)使用性能的重要因素。歐美國家銷售的電動(dòng)修剪機(jī)型號(hào)等參數(shù)見表1。

1.3 氣動(dòng)修剪

氣動(dòng)修剪機(jī)由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、氣動(dòng)剪、快速接頭和氣管等組成[8]。當(dāng)按下手柄上的單相閥門時(shí)，壓縮空氣進(jìn)入氣缸，高壓氣體推動(dòng)氣缸內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞推動(dòng)氣動(dòng)剪動(dòng)刀做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)刀和定刀完成嚙合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)剪切運(yùn)動(dòng)，隨后復(fù)位彈簧將活塞頂回初始位置。

FELCO公司70型號(hào)氣動(dòng)剪的氣壓值為7～15×105 Pa，切割24～50次/min，切割直徑為30 mm；Corbins Agricul-tural Technology公司的POD308 SERIES型號(hào)氣動(dòng)剪可以修剪50 mm的樹枝。歐美地區(qū)氣動(dòng)修剪機(jī)見表2。

氣動(dòng)修剪機(jī)采用動(dòng)力源有交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、車載式拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)、汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)等，設(shè)備選型時(shí)應(yīng)考慮氣泵維修和電源線路鋪設(shè)的方便性。郭 輝等[9]對(duì)氣動(dòng)果樹剪枝機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和理論研究，實(shí)現(xiàn)了25 mm以內(nèi)各種果樹枝條的修剪。楊宛章完成了QJG-4Q氣動(dòng)果樹剪枝機(jī)成果鑒定，設(shè)計(jì)的氣動(dòng)果樹修剪機(jī)最大修剪高度達(dá)到4 m，最大修剪直徑49 mm[10]。李鳳鳴等[11]設(shè)計(jì)研制了與微耕機(jī)配套的氣動(dòng)剪枝機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊，但存在多人操作輸氣管道易發(fā)生纏繞問題。烏日?qǐng)D等[12]對(duì)移動(dòng)式氣動(dòng)剪枝機(jī)的氣缸進(jìn)行了仿真計(jì)算，驗(yàn)證了氣缸的安全性。曹慧鵬[13]設(shè)計(jì)研制了3QDJ-30型號(hào)的園林氣動(dòng)剪枝機(jī)，增加了修剪的高度，提高了剪枝效率。吳良軍等[14]分析了國內(nèi)外的氣動(dòng)剪枝機(jī)的性能，優(yōu)化了剪刀片的參數(shù)和表面涂層，設(shè)計(jì)了薄壁鋁桿剪切桿，實(shí)現(xiàn)了修剪的輕便化操作，提高了作業(yè)效率。圖1為西班牙Corbins magnum POD206氣動(dòng)修剪機(jī)。

2 懸掛式枝條修剪機(jī)

將枝條修剪機(jī)懸掛在拖拉機(jī)上，通過拖拉機(jī)液壓輸出軸等動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)修剪刀具做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)、操作員操縱控制桿或按鈕等調(diào)整修剪機(jī)架位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)剪枝作業(yè)，有效解決了人力修剪勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低問題。

2.1 回轉(zhuǎn)式修剪機(jī)

2.1.1 鋸盤式修剪機(jī)。1955年美國Paul W.Moore[15]在拖拉機(jī)的拖車上安裝了12個(gè)355.6 mm的鋸盤，由1臺(tái)18 kW的風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)檸檬、橘子或者葡萄柚單側(cè)的修剪，作業(yè)效率0.4 hm2/h。蔣連瓊[16]對(duì)鋸盤式綠籬修剪機(jī)的刀具進(jìn)行了失效分析，采用ANSYS/LS_DYNA對(duì)鋸切過程和鋸片的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)進(jìn)行了仿真，為鋸片的失效提供了理論研究。圖2為鋸盤式修剪機(jī)械。

2.1.2 飛鏢刀式修剪機(jī)。張德學(xué)等[17]研制的PJS-1 型兩翼式葡萄剪枝機(jī)，通過液壓馬達(dá)帶動(dòng)飛鏢刀對(duì)葡萄進(jìn)行修剪，一次作業(yè)實(shí)現(xiàn)了雙行葡萄藤頂部和側(cè)部的修剪，解決了葡萄園人工修剪作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗費(fèi)時(shí)間長、作業(yè)成本高等問題。圖3為B.M.V公司的飛鏢刀式修剪機(jī)械。

2.2 往復(fù)式修剪機(jī)

意大利20世紀(jì)70年代葡萄作物引入了適合機(jī)械化修剪的日內(nèi)瓦雙簾式種植模式，將自支撐臂安裝在拖拉機(jī)的切割單元上，在切割線周圍形成一個(gè)C形切割或“盒子”切割。意大利Stefano Poni[18]將簾式修剪機(jī)安裝在拖拉機(jī)上，修剪鉛線為警戒線以上的直立生長枝條，提高了修剪效率且適用于葡萄、蘋果、梨等果樹。陳魁研發(fā)3PJ-1型龍門葡萄剪枝機(jī)，采用液壓器伸縮支撐臂調(diào)節(jié)切割器，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)幅度和角度的無極調(diào)節(jié)。圖4為往復(fù)式修剪機(jī)械。

2.3 藤蔓剝離修剪機(jī)

藤蔓剝離修剪方式適用于葡萄冬剪，采用一對(duì)轉(zhuǎn)向相反的夾持輥?zhàn)痈咚傩D(zhuǎn)，將枝條快速嚙合到2個(gè)輪子之間，枝條被快速拔斷，隨后枝條被拋送到地面。圖5為藤蔓剝離機(jī)。

3 自動(dòng)化修剪機(jī)

進(jìn)行果樹自動(dòng)化修剪，首先應(yīng)采集果樹樹枝特性，了解果樹冠層形狀，建立果樹三維模型，經(jīng)算法計(jì)算后計(jì)算機(jī)篩選需要修剪的枝條，枝條修剪機(jī)械臂將枝條剪去。

3.1 果樹虛擬模型構(gòu)建

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，可視化的虛擬植物建模，計(jì)算和分析為新型的果園人員培訓(xùn)提供了虛擬修剪的技術(shù)平臺(tái)。為得到比較準(zhǔn)確的果樹三維模型，采用A系統(tǒng)、分支技術(shù)、粒子系統(tǒng)、蕾變化、分布生長、L系統(tǒng)等方法搭建模擬系統(tǒng)，應(yīng)用于對(duì)果園修剪人員的技術(shù)培訓(xùn)。

3.2 果樹圖像識(shí)別

果樹株間距較小、每個(gè)分支不需要更多的二級(jí)及三級(jí)分支的果樹高紡錘體籬笆墻式種植模式為自動(dòng)化修剪提供了便利條件。通過機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)果樹枝條的自動(dòng)定位和選擇是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化修剪的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Naugle[19]、Ochs等[20]、Mcf-arlane[21]、Gao[22]采用了2D相機(jī)和圖像識(shí)別技術(shù)識(shí)別葡萄樹的剪切位置，由于缺少另一維度的位置信息，從二維生成三維的圖形比較困難。采用3D機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測(cè)和識(shí)別果樹需要修剪的枝條，模擬人的選擇性修剪是自動(dòng)化修剪的核心及關(guān)鍵（圖6、7）。

4 發(fā)展趨勢(shì)

目前，國內(nèi)對(duì)于果樹枝條的修剪主要以人工作業(yè)為主，而機(jī)械化、智能化修剪技術(shù)及其機(jī)械設(shè)備研究較少；國外與栽培模式相配套的果樹枝條修剪機(jī)械化技術(shù)較成熟且機(jī)械裝備類型較多[23]，為國內(nèi)栽培模式變革下的新型果園果樹枝條修剪機(jī)械配套提供了技術(shù)參考。一是刀具材料性能提升。刀具的材料性能關(guān)系到修剪刀的鋒利度、使用壽命及性價(jià)比，通過研發(fā)果樹枝條修剪專用的刀具材料，提升國產(chǎn)枝條修剪刀具的市場(chǎng)占有率。二是智能化修剪技術(shù)不斷提升。隨著人工智能等技術(shù)向農(nóng)業(yè)工程的延展，果樹冠層的識(shí)別與枝條空間分布定位技術(shù)不斷完善，果樹枝條智能化修剪技術(shù)及機(jī)械裝備愈來愈成熟。

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