我國林果振動采收機(jī)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

林歡　孫磊厚　王二化

摘要：林果產(chǎn)業(yè)是我國林業(yè)發(fā)展的重要組成部分，林果采收又是林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)志。國外對林果振動采收的研究較早，相關(guān)采收裝置早已進(jìn)入應(yīng)用階段，國內(nèi)的振動采收機(jī)發(fā)展較晚，相關(guān)研究比較缺乏。在采收機(jī)應(yīng)用研究方面，國外研制了樹干、樹枝和樹冠式振動采收機(jī)，并已形成種類廣泛的林果采收機(jī)體系;國內(nèi)針對干果類、鮮果類、漿果類林果研究開發(fā)了便攜式、履帶偏心式、液壓式等多種林果振動采收機(jī)，但仍處于試驗研究階段未獲得廣泛應(yīng)用。隨著果園種植面積不斷擴(kuò)大，機(jī)械化作業(yè)成為必然趨勢，為了給機(jī)械化作業(yè)創(chuàng)造條件，我國急需推廣果園標(biāo)準(zhǔn)化種植及撫育模式，開發(fā)新型可靠的果實催熟技術(shù)，推行振動采收機(jī)模塊化組合模式和集成采收技術(shù)。

關(guān)鍵詞：林果;干果;鮮果;漿果;振動采收機(jī)

中圖分類號：S225.93文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）01-0036-07

作者簡介：林歡（1991—），女，江蘇徐州人，博士，講師，主要從事現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論與方法研究。E-mail：huanlinphd@163.com。

我國是林果第一大生產(chǎn)國，林果種類豐富，主要分為干果和鮮果。林果采收作業(yè)是一項勞動密集型和季節(jié)依賴性較強(qiáng)的工作，具有費時、費力等特點，收獲作業(yè)中須要使用大量勞動力和資金[1-2]。如果不能及時采收成熟的果實，果實的品質(zhì)就會得不到保證，造成不必要的損失，機(jī)械采收逐漸成為最有效的林果采收方式。目前常用的林果采收設(shè)備多采用振動的方式使果實掉落，能夠有效地解決人工采收成本過高等問題，適合我國的林果生產(chǎn)方式。

國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)利用機(jī)械化設(shè)備來采收林果，主要有氣力振動采收機(jī)、撞擊振動采收機(jī)、機(jī)械振動采收機(jī)等，以機(jī)械振動采收應(yīng)用最為廣泛，其收獲效率增加了4～9倍[3]。而我國大多數(shù)果園采用密植化種植模式，作業(yè)空間小，國外大型高效采收機(jī)具難以直接應(yīng)用于我國現(xiàn)有果園。因此，我國主要還是依靠人工的敲打、撿拾來進(jìn)行林果的采收，其費用已經(jīng)占到了成本的一半以上[4-5]。林果的機(jī)械化采收作業(yè)已迫在眉睫，本研究針對干果類、鮮果類和漿果類中具有代表性的采收機(jī)進(jìn)行應(yīng)用現(xiàn)狀分析，以期為推廣林果的機(jī)械化采收提供一定的理論依據(jù)。

1振動采收機(jī)制的研究

國外很早就對機(jī)械振動采收機(jī)制進(jìn)行了研究，通過對曲柄滑塊式和偏心塊式振動采收機(jī)的能量方程進(jìn)行研究，建立了由動力阻尼系數(shù)、彈性系數(shù)、折算質(zhì)量組成的振動系統(tǒng)，得到了激振高度與振幅之間的關(guān)系[6]。Castro-Garcia等對受迫振動下果樹自身所固有的參數(shù)特征進(jìn)行了研究，成為了機(jī)械振動采收機(jī)的設(shè)計基礎(chǔ)。同時，他們發(fā)現(xiàn)采收機(jī)的激振參數(shù)、機(jī)器的功率和冠層的尺寸參數(shù)均影響著振動能量的傳遞和果實的采收效率[7-9]。

國內(nèi)進(jìn)行振動采收機(jī)械理論方面的研究相對較遲，南京林業(yè)大學(xué)從2010年至今一直針對銀杏、棗、核桃等干果類果樹進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)樹干全振幅與激振頻率成線性增大的趨勢，并且初步建立了整個系統(tǒng)的動力學(xué)模型[10-11]。通過高速攝影儀研究發(fā)現(xiàn)，激振能量在杏果樹各個分枝之間進(jìn)行傳遞的過程中，果枝的直徑大小、樹枝與樹干的夾角、分叉點位置等因素均影響能量波的傳遞特性[12]。近年來，針對海棠和葡萄果實采收效率和采收質(zhì)量的試驗相繼探究了果樹機(jī)械采收的影響因素[13-14]。目前，利用高速旋轉(zhuǎn)的撥棒敲打沙棘、枸杞等小林果，使其從枝頭脫落的小林果采收機(jī)的機(jī)制研究日益成熟[15]。

針對振動采收機(jī)制，國外從構(gòu)建振動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，到振動采收機(jī)、激振參數(shù)對果樹振動響應(yīng)的關(guān)系均進(jìn)行了細(xì)致深入的研究與分析。國內(nèi)在國外研究的基礎(chǔ)上，對果枝果實振動響應(yīng)、激振參數(shù)動態(tài)傳遞特性等進(jìn)行了初步研究，基于振動采摘機(jī)制設(shè)計了干果類、鮮果類和漿果類等不同類型的林果收獲機(jī)。

2干果類振動采收機(jī)

2.1核桃采收機(jī)

國外很少針對核桃機(jī)械采收進(jìn)行專項研究，美國、加拿大等西方國家通過振動落果機(jī)、清掃集條機(jī)和撿拾清選機(jī)的有效配合，能夠?qū)崿F(xiàn)核桃的振落、清掃、集中、撿拾、清選以及最后的裝箱運輸[16]。

目前，國內(nèi)研究的核桃收獲機(jī)械主要有履帶式偏心核桃振動采收機(jī)[17]、單軸單偏心和雙軸對稱偏心便攜式核桃收獲機(jī)[18]、曲柄連桿機(jī)械振動式核桃采收裝置[19]、樹冠振動式核桃采收裝置[20]和液壓驅(qū)動偏心塊式核桃采摘機(jī)[21]。其中，履帶式偏心核桃振動采收機(jī)的采凈率最高可達(dá)92.6%，但是需要人工進(jìn)行夾持伸縮（圖1）。單軸單偏心激振裝置的激振效果高于雙軸對稱偏心激振裝置，當(dāng)夾持高度約120cm，激振力為300～400kg時，采凈率為85.2%～92.5%，采摘效率約為10棵/h。曲柄連桿機(jī)械振動式核桃采收裝置具有振動頻率高振幅低的特點，樹冠振動式核桃采收裝置對核桃的最大激振力為134N，此時振動頻率為2Hz，所受最大慣性力為8.69N。液壓驅(qū)動偏心塊式核桃采摘機(jī)的夾持高度可達(dá)120cm，當(dāng)液壓泵壓力高于4MPa時，馬達(dá)轉(zhuǎn)動速度可達(dá)700r/min，采收效率最高可達(dá)30棵/h。

2.2紅棗采收機(jī)

國外針對紅棗收獲機(jī)械的研究鮮見報道，韓國研制了一款全液壓自走式紅棗收獲機(jī)，通過振動樹冠來進(jìn)行紅棗采收，落果率可以高達(dá)95.8%[22]。但是，我國新疆紅棗采用矮化密植的種植模式，所以國外研制的機(jī)械并不能滿足我國紅棗的收獲需求。

國內(nèi)研制的4YS-24型紅棗收獲機(jī)具有振幅小、頻率高、作業(yè)效率高的特點，果實收獲率為85%～98%，可滿足空間較大稀疏果園的采收作業(yè)[23-24]。曲柄滑塊式紅棗采收裝置采用高頻、小振幅的樹冠振動式進(jìn)行采收，利用倒傘狀裝置收集果實，當(dāng)紅棗的含水率低于60%時，以低于25Hz的頻率和0.014m的振幅進(jìn)行激振，果實的收獲率可達(dá)到93%[25]。針對新疆棗農(nóng)矮化密植和間作這2種種植模式，國內(nèi)還研制了4ZZ-4型基于樹冠振動的自走式紅棗收獲機(jī)，該收獲機(jī)采用斗式提升機(jī)作為傾斜輸送器，實現(xiàn)了紅棗的向上輸送[26-28]，具體如圖2所示。

將以上干果類林果采收機(jī)的類型和性能參數(shù)匯總至表1，可以看出，國內(nèi)主要采用樹冠接觸式和樹干振動式對干果類林果進(jìn)行采收，激振方式主要分為曲柄連桿式和偏心塊式，但與國外相比我國的采收機(jī)還處于試驗研究階段，還不能實現(xiàn)集振動采摘、運輸、集果裝置于一體的機(jī)械化水平較高的集成采收技術(shù)。

3柑橘類振動采收機(jī)

國外很早就對柑橘的機(jī)械化采收進(jìn)行了研究，通過振動樹枝、樹干和樹冠進(jìn)行柑橘的收獲。其中，樹冠振動式采收機(jī)又分為氣動非接觸式和振動桿接觸式，氣動非接觸式采收機(jī)噪音大、能耗高，不適用于大規(guī)模的生產(chǎn)作業(yè)。美國Oxbo國際公司開發(fā)的振動桿接觸式柑橘采收機(jī)采收效率高，已實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用[29-30]。

國內(nèi)基于接觸式原理研制了簡易的樹冠振動收獲試驗機(jī)和旋轉(zhuǎn)式柑橘采摘機(jī)，簡易的樹冠振動收獲試驗機(jī)利用液壓馬達(dá)驅(qū)動激振機(jī)構(gòu)，當(dāng)激振頻率在4～7Hz范圍內(nèi)時機(jī)器運行平穩(wěn)，采收效果較好[31]。旋轉(zhuǎn)式柑橘采摘機(jī)利用主軸和采摘指棒對柑橘樹冠進(jìn)行攪動從而使果實脫落，但是主要應(yīng)用于兩廣地區(qū)的砂糖橘采摘[32]。此外，我國還對柑橘采摘機(jī)器人進(jìn)行了研究，采摘速度可以達(dá)到5.4s/個，最大采摘高度可達(dá)1.85m[33]，具體如圖3所示。針對采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器我國主要設(shè)計了梳剪采收末端執(zhí)行器和咬合式末端執(zhí)行器，二者均能有效地在切斷果柄的同時減少對果實的損傷，將果實采摘成功率提高至85%以上[34-36]。

將以上柑橘類采收機(jī)的類型和性能參數(shù)匯總至表2，可以看出柑橘類林果主要采用樹冠振動式進(jìn)行收獲，國外的采收機(jī)能夠按照地形高低隨動，實現(xiàn)果實的分揀、清潔和收集，并且已實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。而我國的采收機(jī)還沒有獲得廣泛有效的應(yīng)用，同一種采收機(jī)只能采收特定的果實，不能實現(xiàn)一機(jī)多用。此外，基于傳感器技術(shù)、機(jī)器視覺、圖像識別等技術(shù)的采摘機(jī)器人已經(jīng)被應(yīng)用到鮮果的采收作業(yè)中，但是采摘機(jī)器人的導(dǎo)航避障能力、作物信息篩選能力、爬坡行走能力、采摘效率等都有待提升。

4漿果類振動采收機(jī)

4.1藍(lán)莓類采收機(jī)

美國的藍(lán)莓機(jī)械化采收水平最高，主要研制牽引式與自走式的采收機(jī)，生產(chǎn)廠商主要有BEI、Littau、Korvan、AGHarvester和Oxbo[37-41]等公司。加拿大DBE公司生產(chǎn)的藍(lán)莓采收機(jī)，由一個卷軸型式的采收頭安裝在拖拉機(jī)一則，并按照地形高低隨動，能夠?qū)崿F(xiàn)藍(lán)莓的分揀、清潔和收集[42]。

國內(nèi)針對藍(lán)莓機(jī)械化采收方面的研究相對較晚，目前處于發(fā)展階段，與發(fā)達(dá)國家相比有比較大的差距[43]。我國研制了梳齒式藍(lán)莓采摘機(jī)械手[44]、手推式藍(lán)莓采收機(jī)[45-46]、牽引式藍(lán)莓采收機(jī)[47-50]、自走式藍(lán)莓采收機(jī)[51]。手推式藍(lán)莓采收機(jī)適用于矮叢藍(lán)莓的機(jī)械化采收，操作簡單且制造成本較低，但是采摘機(jī)械的行走機(jī)構(gòu)還需要改進(jìn)，故還處于試驗階段，大規(guī)模批量生產(chǎn)仍需時日;牽引式藍(lán)莓采收機(jī)適合收獲半高叢、高叢的藍(lán)莓，GYL062牽引振動式藍(lán)莓采摘機(jī)的龍門框架能夠跨過藍(lán)莓樹叢，片式梳刷以一定頻率和幅值反復(fù)擊打藍(lán)莓樹枝，使之產(chǎn)生相應(yīng)的受迫振動（圖4）。機(jī)器的工作效率可以達(dá)到7.17kg/min，是人工采摘的10倍，未成熟果實的脫落率約為5.6%;自走式藍(lán)莓采收機(jī)的整機(jī)行駛速度范圍為0～11km/h，車架具有良好的升降性能，最高可達(dá)420mm的高度;極限越障高度為350～400mm，可滿足國內(nèi)機(jī)械采收藍(lán)莓使用要求。4.2沙棘和枸杞振動采收機(jī)

沙棘可以用氣力式或振動式進(jìn)行采收，俄羅斯研制了MⅡ70-6型氣吸式和后懸掛式沙棘采果機(jī)，其日采收效率分別可達(dá)1000kg和1200kg左右，加拿大研制的自走式沙棘果振動采收機(jī)采凈率高達(dá)90%以上，但均只適用于人工種植的大果沙棘園[52]。國外很少對枸杞的收獲機(jī)械進(jìn)行研究，僅有韓國設(shè)計了1款采收效率是人工采收4.2倍的枸杞振動采收裝置，但并不適用于我國枸杞的種植模式和生長特性[53]。

國內(nèi)研制的機(jī)械振動式沙棘采收機(jī)小巧輕便、工作適應(yīng)性強(qiáng)，果實采凈率可達(dá)93%[54-55]，具體如圖5所示。盧勇濤等改進(jìn)了沙棘采收機(jī)的振動頭和果實收集裝置，其工作性能得到很大提高，果實采凈率提高至96%以上[56]。根據(jù)采收原理的不同，國內(nèi)主要有振動式[57-58]、梳刷式[59]、剪切式[60]和氣流式[61]枸杞采收機(jī)。經(jīng)田間試驗可知，振動式采收機(jī)效率高損傷大，剪切式和梳刷式采收機(jī)效率低損傷小，氣流式采收機(jī)的氣源得不到穩(wěn)定的供應(yīng)導(dǎo)致其效率低下[62]。

由于我國枸杞種植模式大多為矮化密植，便攜梳刷振動式枸杞采收機(jī)（圖6）成為枸杞機(jī)械化采收的趨勢，其熟果采收率可以達(dá)到89.12%，青果錯采率與熟果破損率均小于10%[63-64]。

將以上漿果類林果采收機(jī)的類型和性能參數(shù)匯總至表3，可以看出，國外的漿果大多為人工果園種植，能夠利用自走式采收機(jī)對其進(jìn)行采收。而我國漿果以野生為主，分布在荒山、沙區(qū)等地形條件復(fù)雜的地區(qū)，采收條件惡劣，且漿果果柄短容易損傷，現(xiàn)有采收機(jī)械大多為手持式工具，采收作業(yè)處于半手工、半機(jī)械化狀態(tài)。

5存在問題

5.1種植模式

為了實現(xiàn)果園的機(jī)械化作業(yè)，國外果樹從種植至扶育修枝整個過程均為機(jī)械化作業(yè)，留有足夠的作業(yè)空間，適合于采用大型作業(yè)設(shè)備。而矮化密植模式是我國一些林果的種植現(xiàn)狀，這樣的種植模式根本沒有給機(jī)械化采收留有空間。

5.2果實成熟度

林果振動采收機(jī)進(jìn)行采收的關(guān)鍵技術(shù)是確定合適的振動參數(shù)，在獲得最大采凈率的同時減少對果樹的損傷。而同一棵果樹上果實成熟的時間存在一定差異，采用機(jī)械化采收時多批次采收會對果樹帶來損傷。

5.3振動及采收裝置

干果類果實主要采用樹干振動式進(jìn)行機(jī)械采收，與國外相比我國的林果采收機(jī)還處于試驗研究階段，還不能實現(xiàn)集成采收作業(yè)，商業(yè)化水平較低。

鮮果類果實無法直接采用高效的振動式機(jī)械采收方法，主要利用樹冠振動式和采摘機(jī)器人進(jìn)行采收作業(yè)，采摘機(jī)器人的導(dǎo)航避障能力、作物信息篩選能力、爬坡行走能力、采摘效率等都有待提升。同時，同一種采收機(jī)只能采收特定的果實，不能實現(xiàn)一機(jī)多用。

針對漿果類林果，現(xiàn)有采收機(jī)械大多為手持式工具，采收作業(yè)處于半手工、半機(jī)械化狀態(tài)。

6發(fā)展展望

6.1標(biāo)準(zhǔn)化種植模式

無論是高枝株行距分明還是密植化種植，應(yīng)在全國推廣果園標(biāo)準(zhǔn)化種植模式，使果樹栽培標(biāo)準(zhǔn)化，為機(jī)械化采收提供條件，推動林果采收機(jī)械的發(fā)展。

6.2果實催熟技術(shù)

為了提高采凈率，應(yīng)研究安全可靠的果實催熟技術(shù)對未成熟而又即將成熟的果實進(jìn)行催熟，促進(jìn)果實成熟的一致性，從而提高一次采凈率。

6.3集成采收技術(shù)

林果采收過程中振動落果機(jī)、清掃集條機(jī)和撿拾清選機(jī)等機(jī)具協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)振動采摘、運輸、集果等功能于一體的機(jī)械化水平較高的集成采收技術(shù)。

6.4一機(jī)多用采收裝置

針對林果種類多樣、果樹生長形態(tài)各異的特點，可以模塊化設(shè)計激振裝置、夾持裝置及接載裝置來適應(yīng)不同果樹的需求。只需根據(jù)相應(yīng)的果樹類型，更換合適的模塊即可提高采收設(shè)備的利用率，降低成本，實現(xiàn)一機(jī)多用。

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