葡萄葉幕機(jī)械化修剪技術(shù)及裝置研究進(jìn)展

薛春林，杜亞光，邊永亮，李建平，王鵬飛，馮曉靜

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000；2.滄縣自然資源和規(guī)劃局，河北 滄縣 061000）

0 引言

葡萄作為世界第二大栽培水果，在意大利、中國(guó)、美國(guó)和阿根廷等國(guó)家廣泛種植[1]。截止到2017年，中國(guó)葡萄總產(chǎn)量占世界葡萄總產(chǎn)量的11%[2]。作為農(nóng)村農(nóng)民脫貧致富、鄉(xiāng)村振興的產(chǎn)業(yè)之一，同時(shí)由于人民對(duì)餐后水果消費(fèi)量的上升，我國(guó)葡萄栽培面積在逐步擴(kuò)大，對(duì)葡萄園生產(chǎn)的機(jī)械化配套設(shè)備需求日漸旺盛。

葡萄葉幕整形修剪是一個(gè)季節(jié)性強(qiáng)且需要大量勞動(dòng)力的工作。近些年，農(nóng)村老齡化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，勞動(dòng)力成本正在逐年上漲，對(duì)葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成了巨大沖擊[3]。目前葡萄葉幕人工修剪效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度較大、修剪質(zhì)量難以保證等諸多問(wèn)題正嚴(yán)重阻礙葡萄產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

1 葡萄葉幕整形修剪的意義

葡萄通過(guò)光合作用合成生長(zhǎng)所需的淀粉、脂肪和纖維素等物質(zhì)，因而光合作用的強(qiáng)弱直接導(dǎo)致葡萄的品質(zhì)與產(chǎn)量。葡萄葉片是進(jìn)行光合作用的主要部位，葉片數(shù)量、結(jié)構(gòu)的變化直接影響葡萄對(duì)光能的吸收、轉(zhuǎn)化與利用。改善葡萄葉幕光路是提高葡萄生產(chǎn)力的有效途徑[4]。

葡萄為多年蔓生植物，能纏繞它物攀附上升，葡萄葉幕枝條雖然能接受更多的風(fēng)和光，但葡萄枝條過(guò)于濃密會(huì)使葡萄樹(shù)枝底部接受風(fēng)和光的能力大大減少[5]，從而導(dǎo)致葡萄樹(shù)枝營(yíng)養(yǎng)跟不上，直接影響到葡萄的品質(zhì)和產(chǎn)量[6]。葡萄葉幕枝條過(guò)多，影響葡萄葉幕通風(fēng)透光性，導(dǎo)致葡萄樹(shù)體嚴(yán)重郁閉。同時(shí)，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)于旺盛，會(huì)抑制生殖生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致葡萄品質(zhì)和產(chǎn)量的降低[7]。葡萄葉幕厚度過(guò)低，光合作用制造的能量不能滿足葡萄本身正常的生長(zhǎng)，會(huì)影響葡萄果實(shí)的形成[8]。當(dāng)葡萄葉幕修剪厚度保留在50 cm 時(shí)，葡萄果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)效果最好[7]，因此通過(guò)葉幕修剪、修剪老葉及疏花疏穗等措施[4]，可以使葡萄形成不同的葉幕結(jié)構(gòu)從而改變葡萄樹(shù)體微氣候，實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)之間的均衡[9]，最終達(dá)到提高葡萄產(chǎn)量及品質(zhì)的目的。

葡萄葉幕整形修剪要根據(jù)新梢長(zhǎng)勢(shì)、樹(shù)勢(shì)等因素，對(duì)葡萄進(jìn)行合理的葉幕整形修剪[10]；使葡萄能合理地分配營(yíng)養(yǎng)的供應(yīng)，避免營(yíng)養(yǎng)流失[11]；使光照更充足，使果實(shí)充分著色，增強(qiáng)葡萄的外觀和品質(zhì)；能夠減少病蟲(chóng)害的發(fā)生，增強(qiáng)葡萄的抗逆能力[12]；減少施藥量，利于葡萄園機(jī)械化管理，降低生產(chǎn)成本。目前葡萄葉幕整形修剪的主要方式為人工修剪，存在勞動(dòng)強(qiáng)度較大、修剪效率較低、修剪成本高等問(wèn)題。因此，迫切需要研發(fā)葡萄葉幕修剪裝置以提高修剪作業(yè)效率并實(shí)現(xiàn)葡萄園規(guī)范化和輕簡(jiǎn)化生產(chǎn)。

2 單枝選擇修剪機(jī)械化技術(shù)

葡萄葉幕機(jī)械化修剪技術(shù)主要以單枝選擇修剪和整株幾何修剪為主。單枝選擇修剪是根據(jù)當(dāng)?shù)氐臉?shù)種和自然條件等特點(diǎn)，按一定原則進(jìn)行選擇性修剪。這種修剪方式條件復(fù)雜、技術(shù)性強(qiáng)，目前只能通過(guò)人工操作來(lái)完成[13]。單枝選擇修剪機(jī)械主要類型有手動(dòng)修枝剪、電動(dòng)修枝剪、氣動(dòng)修枝剪、液壓修枝剪、果園多功能作業(yè)機(jī)的剪枝裝置和智能化修剪機(jī)械。

2.1 手動(dòng)修枝剪

ARS 公司設(shè)計(jì)了VS-8R 手動(dòng)剪枝機(jī)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄來(lái)傳遞剪枝力[14]，達(dá)到修剪枝條效果，僅適用于枝條直徑在20 cm 以內(nèi)的枝條修剪作業(yè)。CAMPAGNOLA 公司設(shè)計(jì)了Star35 氣動(dòng)剪枝機(jī)，進(jìn)行修剪作業(yè)時(shí)剪枝力為2.12 kN[15]，適用于枝條直徑30 cm 以內(nèi)的枝條修剪作業(yè)。BULENT CAKMAK 等[16]研究了不同類型的手動(dòng)修枝剪對(duì)剪枝人員的工作時(shí)間和握力值的影響，人工修剪直徑在4 cm 以上枝條時(shí)，作業(yè)比較費(fèi)力，且修剪質(zhì)量差。

2.2 電動(dòng)剪枝機(jī)

楊乾華等[17]設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)綠籬修枝機(jī)，由蓄電池提供直流電源，通過(guò)直流電機(jī)和傳動(dòng)減速裝置將動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)和刀具組，最后進(jìn)行剪枝作業(yè)。在環(huán)保、節(jié)能和降噪方面為新型剪枝機(jī)的改進(jìn)提供了一定的借鑒。方麗珍[18]設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)修枝機(jī)，以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)凸輪和減速齒輪帶動(dòng)刀片進(jìn)行修剪樹(shù)枝。孫健峰等[19]利用HT-500 高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了摩擦試驗(yàn)研究，得出了電動(dòng)修剪刀片最優(yōu)的摩擦值。學(xué)者研究和實(shí)際生產(chǎn)表明：修剪動(dòng)力、蓄電池續(xù)航時(shí)間是影響電動(dòng)修枝剪性能的重要因素。

2.3 氣動(dòng)、液壓剪枝機(jī)

周波等[20]利用ANSYS/LS-DYNA 軟件對(duì)果樹(shù)剪枝的剪切部位進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析研究，當(dāng)枝條直徑為25 mm 時(shí)，修剪部位最大應(yīng)力為218.67 MPa，最大應(yīng)力在定刀片刀刃附近，為改進(jìn)果樹(shù)剪枝機(jī)結(jié)構(gòu)、工作性能和改善其受力狀況提供了依據(jù)。郭輝等[21]設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)果樹(shù)修剪機(jī)，適用于25 mm 以內(nèi)的枝條修剪作業(yè)。范修文等[22]設(shè)計(jì)了一種低矮密植棗園手持氣動(dòng)式修剪機(jī)，從整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)回路系統(tǒng)及動(dòng)力選擇進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)剪切機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析，適當(dāng)加大剪刀頭的張角，以增大剪切力，利于修剪作業(yè)。孫坤龍等[23]設(shè)計(jì)了一種便攜式液壓剪枝機(jī)，通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)剪枝機(jī)構(gòu)，詳細(xì)分析了液壓系統(tǒng)及控制原理，為液壓技術(shù)應(yīng)用于便攜式剪枝機(jī)械提供參考。

2.4 果園多功能作業(yè)機(jī)的剪枝裝置

華南熱帶作物機(jī)械研究所設(shè)計(jì)了3GS-8 型全液壓修枝整形機(jī)[24]，其升降、伸縮、擺轉(zhuǎn)和剪枝動(dòng)作均用液壓控制，用以滿足對(duì)樹(shù)木進(jìn)行多種高空作業(yè)修剪作業(yè)需要。劉西寧等[25]設(shè)計(jì)了一種LG-1 型多功能果園作業(yè)機(jī)，由空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣設(shè)備為升降機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)剪枝機(jī)提供動(dòng)力源，通過(guò)操縱開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)1.5 m范圍內(nèi)任意高度位置的升降作業(yè)和高空修剪作業(yè)。

2.5 智能化修剪機(jī)械

NI 等[26]利用雙目視覺(jué)原理對(duì)果樹(shù)冠層進(jìn)行三維建模，保證圖像中相應(yīng)特征點(diǎn)放置在同一水平線上，通過(guò)高效大規(guī)模立體匹配（ELAS）算法找到視差圖，終基于校準(zhǔn)相機(jī)矩陣以及三角測(cè)量方法獲得視差圖建立果樹(shù)樹(shù)冠。BIETRESATO 等[27]利用激光雷達(dá)3D立體視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)植物冠層，通過(guò)放射激光獲取果樹(shù)枝干方向、直徑、距離等空間信息，根據(jù)空間信息對(duì)果樹(shù)冠層進(jìn)行三維重建。BOTTERILL 等[28]研究葡萄修剪機(jī)器系統(tǒng)，利用三目相機(jī)建立葡萄葉幕結(jié)構(gòu)的三維模型、通過(guò)人工智能系統(tǒng)精確識(shí)別需要修剪的葡萄枝條，控制六自由度機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)葡萄葉幕整形的修剪作業(yè)。當(dāng)修剪作業(yè)速度為0.25 m/s 時(shí)，修剪錯(cuò)誤率≤1%，每棵葡萄葉幕整形修剪作業(yè)時(shí)間為2 min，基本與人工修剪工作效率持平，可實(shí)現(xiàn)葡萄修剪的智能化作業(yè)。

傳統(tǒng)的手工修剪因效率低、成本高，逐漸被高效、輕便的機(jī)械化作業(yè)替代。單純的葡萄葉幕整形修剪機(jī)械不能滿足現(xiàn)代規(guī)?；咸褕@生產(chǎn)需要，集剪枝、噴藥、果實(shí)采摘和運(yùn)輸于一體的多功能修剪機(jī)械將在葡萄未來(lái)生產(chǎn)中占據(jù)著主要地位。隨著5G技術(shù)的應(yīng)用[29]，農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)將更加精準(zhǔn)化、智能化、高效化[30]；5G 與傳感器技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、3S技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、設(shè)施設(shè)備等融入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[31]，為果樹(shù)智能化修剪提供技術(shù)保障。

3 整株幾何修剪機(jī)械化技術(shù)

整株幾何修剪是在拖拉機(jī)上裝配垂直升降、左右移動(dòng)的液壓伸縮裝置，臂端裝有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的切割器，對(duì)葡萄葉幕按照一定的幾何形狀進(jìn)行修剪。

3.1 圓盤(pán)鋸式修剪機(jī)

李常營(yíng)等[32]利用圓盤(pán)鋸秸稈切割試驗(yàn)臺(tái)對(duì)仿生圓盤(pán)鋸片和普通圓盤(pán)鋸片的切割速度、切割傾角和切割牽引速度等因素進(jìn)行了研究，得出仿生鋸齒鋸片（鋸條）相對(duì)于普通鋸齒鋸片（鋸條）能減小切割力15.87%，降低切割的功耗12.85%。邱述金等[33]利用ADAMS 對(duì)切割部件進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析研究，驗(yàn)證了圓盤(pán)鋸切割過(guò)程不漏割的條件，為檸條收割機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。劉學(xué)串等[34]設(shè)計(jì)了新型果園寬幅聯(lián)合仿形修剪機(jī)，對(duì)修剪機(jī)的切割裝置機(jī)構(gòu)和機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，切割裝置長(zhǎng)度為3.26 m，切割裝置與樹(shù)的主干線最大夾角為15°，圓盤(pán)鋸的最低轉(zhuǎn)速為1 911 r/min 時(shí)，枝條剪漏割率為7.3%，枝條修剪撕碎率為9%，修剪形狀和切割斷面質(zhì)量滿足園藝要求，能滿足多種果園修剪樹(shù)形的需求。

意大利BMV 公司設(shè)計(jì)一種前置式Fl800p 型修剪機(jī)，通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)安裝在機(jī)架側(cè)部和頂部的圓盤(pán)鋸高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行果樹(shù)頂部修剪和側(cè)部修剪，并通過(guò)伸縮裝置控制修剪的高度和寬度。MARTI 等[35]設(shè)計(jì)了一種圓盤(pán)鋸修剪機(jī)，修剪裝置側(cè)懸掛于拖拉機(jī)上，交錯(cuò)布置的圓盤(pán)鋸避免了枝條漏割，可完成對(duì)不同錐度的果樹(shù)樹(shù)型進(jìn)行修剪，提高了修剪效率。

3.2 轉(zhuǎn)刀式修剪機(jī)

張德學(xué)等[36]設(shè)計(jì)了PJS-1 型兩翼式葡萄剪枝機(jī)，并對(duì)切削裝置進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，確定了轉(zhuǎn)刀式切割器切割葡萄枝條的最佳轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，完成對(duì)兩行葡萄藤的頂部和側(cè)部的修剪工作。

意大利BMV 公司設(shè)計(jì)了一種拖拉機(jī)前懸掛式的E 系列修剪機(jī)，可以完成頂部和單側(cè)的修剪工作；修剪機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)液壓伸縮裝置，進(jìn)行切割器的位置調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)不同高度的修剪作業(yè)，切割裝置由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)來(lái)完成修剪作業(yè)。

3.3 圓盤(pán)刀式修剪機(jī)

林茂等[37]利用ADAMS 軟件對(duì)3 種不同形狀（矩形、梯形、彎形）圓盤(pán)刀片進(jìn)行了甘蔗切割運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析研究，當(dāng)?shù)侗P(pán)的轉(zhuǎn)速為619.727 r/min、機(jī)車的前進(jìn)速度為0.5 m/s、刀片數(shù)量為4 片、刀盤(pán)的前傾角度為6°時(shí)，甘蔗破頭率最低，并且彎形刀片的切割器結(jié)構(gòu)相對(duì)于矩形和梯形刀片的切割器結(jié)構(gòu)效果更好，為以后甘蔗切割器的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。李玉道等[38]利用圓盤(pán)刀式棉桿切割試驗(yàn)臺(tái)對(duì)棉桿切割的刀片速度、刀片傾角和輸送速度等因素進(jìn)行了研究，通過(guò)正交試驗(yàn)驗(yàn)證了影響切割功率的順序?yàn)檩斔退俣取⒌镀俣?、切割傾角，并優(yōu)化了棉稈切割試驗(yàn)臺(tái)的相關(guān)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)等參數(shù)，為設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)式棉花秸稈圓盤(pán)式切割機(jī)提供了理論依據(jù)。李景彬等[39]利用自制的圓盤(pán)刀莖稈切割性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了莖稈切割性能試驗(yàn)研究，得出了錘片刀最適合切割棉稈和圓盤(pán)刀切割棉桿的最佳刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，為設(shè)計(jì)圓盤(pán)刀式修剪機(jī)提供了理論依據(jù)。王哲[40]設(shè)計(jì)了釀酒葡萄葉幕整形修剪裝置，對(duì)釀酒葡萄枝條進(jìn)行了切割性能試驗(yàn)研究，當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)速為1 085.72 r/min、刀盤(pán)半徑為200 mm、前進(jìn)速度為1.63 m/s、刀片傾角為9.62°時(shí)，修剪效果最好，為釀酒葡萄葉幕整形修剪裝置的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

SPENCER[41,42]設(shè)計(jì)了一種拖拉機(jī)側(cè)懸掛圓盤(pán)刀式修剪機(jī)，采用鋸齒形圓盤(pán)刀大大提高了切割的穩(wěn)定性，刀片交措布置避免了果樹(shù)枝條漏剪。FRED 設(shè)計(jì)了一種拖拉機(jī)前懸掛式、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)刀片的葡萄藤修剪機(jī)，修剪機(jī)上部與機(jī)架之間通過(guò)鉸接形式連接，通過(guò)彈簧彈力進(jìn)行復(fù)位；當(dāng)修剪機(jī)頂部修剪裝置觸碰到水泥立柱等障礙物時(shí)，可以通過(guò)鉸接部位轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)達(dá)到避障效果。修剪機(jī)側(cè)部在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下繞中心部位進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而能夠適應(yīng)不同高度的葡萄葉幕修剪[43]。

3.4 往復(fù)式修剪機(jī)

杜現(xiàn)軍等[44]利用自制的往復(fù)式棉稈切割試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)棉稈進(jìn)行了切割性能試驗(yàn)研究，影響切割性能指標(biāo)為：切割速度＞刀片型式＞含水率＞割臺(tái)傾角。當(dāng)切割的速度為0.6 m/s、刀片采用標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ型、含水率為30.2%、割臺(tái)的傾角為13°時(shí)，棉桿切割試驗(yàn)效果最佳，為以后棉稈的高效收獲機(jī)械及棉稈切割刀具等裝備的研發(fā)提供理論依據(jù)。胡洋洋等[45]設(shè)計(jì)了一種往復(fù)式葡萄剪稍機(jī)，并對(duì)葡萄莖稈進(jìn)行了切割性能試驗(yàn)研究，得出隨著切割速度提高，單位切割力減少；隨著刀片安裝角增加，單位切割力先減小后增大；葡萄彈性模量隨著含水率增加而減小。龍魁等[46]利用往復(fù)式葡萄藤枝切割試驗(yàn)臺(tái)對(duì)葡萄藤進(jìn)行了切割性能試驗(yàn)研究，得出切割葡萄藤枝最佳參數(shù)為割刀曲柄轉(zhuǎn)速493 r/min、切割器行程100 mm、割刀的曲柄半徑50 mm、修剪幅寬為1.4 m、切割的前進(jìn)速度0.9 m/s，為以后設(shè)計(jì)往復(fù)式葡萄修剪機(jī)械提供了理論依據(jù)。陳魁等[47]設(shè)計(jì)了一種3PJ-1 型龍門(mén)葡萄修剪機(jī)，通過(guò)液壓伸縮裝置控制切割器切割高度的升降，實(shí)現(xiàn)修剪作業(yè)角度和幅寬的調(diào)節(jié)，解決了葡萄葉幕整形修剪用機(jī)械代替人工修剪的難題。RINIER公司[48]設(shè)計(jì)了一種雙側(cè)往復(fù)式修剪機(jī)，往復(fù)式切割器分別安裝在機(jī)架側(cè)面和頂部，通過(guò)液壓伸縮裝置調(diào)整葉幕修剪的高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄葉幕的修剪。

機(jī)械式修剪不僅可以降低成本，而且作業(yè)效率很高，便于葡萄園的機(jī)械化管理[49]。目前國(guó)內(nèi)修剪機(jī)械的發(fā)展比較緩慢，修剪機(jī)械與拖拉機(jī)組成作業(yè)機(jī)組，對(duì)葡萄園的規(guī)范化要求也較高[50]。雖然國(guó)外葡萄生產(chǎn)管理機(jī)械化程度較高，但由于國(guó)外露地葡萄栽培與管理模式與國(guó)內(nèi)不同，且國(guó)外葡萄修剪機(jī)價(jià)格昂貴，在國(guó)內(nèi)葡萄種植的家庭戶、合作社及農(nóng)業(yè)公司推廣應(yīng)用存在較大困難，所以需要根據(jù)國(guó)內(nèi)的葡萄種植模式研發(fā)相應(yīng)的機(jī)械裝備，實(shí)現(xiàn)葡萄園規(guī)范化和輕簡(jiǎn)化生產(chǎn)。

4 趨勢(shì)與展望

1）葡萄葉幕機(jī)械化修剪是葡萄園生產(chǎn)管理中實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、輕簡(jiǎn)化作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是果園節(jié)本增效的重要途徑之一。

2）集剪枝、收集、粉碎于一體，附加噴藥、割草等功能的果園多功能聯(lián)合作業(yè)機(jī)將成為葡萄園草體處理、病蟲(chóng)害防治、葉幕修剪等夏季農(nóng)事綜合管理的重要研發(fā)方向。

3）“5G”技術(shù)結(jié)合“3S”技術(shù)以及圖像識(shí)別技術(shù)等不斷應(yīng)用到葡萄園機(jī)械化生產(chǎn)中，將有力促進(jìn)果園機(jī)械化、智能化的快速發(fā)展。