核桃采收機械的研究進展*

龔赟輝 ，劉義漢 ，孫宇杰 ，谷潤潤 ，李利芳 ，吳業(yè)北

（新疆理工學院，新疆 阿克蘇 843100）

0 引言

我國是林果第一生產大國，林果種類豐富，其中，核桃種植分布較廣。《中國統(tǒng)計年鑒2022》顯示，2019年核桃產量近468.92萬t，2020年核桃產量近479.59萬t，2021年核桃產量近540.35萬t，2016—2021年中國核桃產量及增速如圖1所示，其中，核桃第二生產大省新疆的核桃年產量近120萬t[1]。

圖1 2016—2021年中國核桃產量及增速

近年來，核桃產業(yè)快速發(fā)展，新疆南疆地區(qū)作為新疆核桃的主要生產力，每年的核桃種植面積以30萬畝的速度增長，核桃產業(yè)面積已達600萬畝[2]。目前，我國核桃生產總值和核桃種植面積均位居世界第一，但是我國核桃產業(yè)的發(fā)展起步晚，機械化采收不成熟。新疆南疆土地遼闊，氣候和自然條件獨特，為核桃種植提供了廣闊的土地資源和生態(tài)環(huán)境，但當地核桃撿拾基本依靠人力，撿拾核桃的人工成本占近50%的核桃生產過程成本，人工撿拾不僅成本高、周期長，如果撿拾不及時，會嚴重影響核桃的產量，因此，機械化采收核桃是核桃采收的發(fā)展趨勢。

1 核桃的采收現狀

1.1 傳統(tǒng)的核桃采收方式

傳統(tǒng)的核桃采收一般采用人工的方式，如圖2所示，但用竹竿等工具敲打果實所在的枝條，會損壞核桃樹的枝芽和枝干，并且費時又費工。

圖2 人工采摘

1.2 當前的核桃采收方式

目前核桃采收主要依賴人工完成，主要的采收方式有自然落果法、人工采摘、機械式采收等，人工與機械相結合的方式只在部分地區(qū)被采用。

呂燕翔[3]研究的核桃自然落果法需核桃自然脫落，然后順著事先安裝好的網兜滾動到山腳的收集桶中，省去了上山撿拾的步驟，減少了人工勞動成本，降低了安全事故的發(fā)生率，很好地保障了山核桃的質量。但該方法只適用在山區(qū)和丘陵，且種植環(huán)境需成階梯式，平原不適合這種方式。

目前最常見的采摘方法依然是人工采摘，低處的核桃靠人工可直接摘取，較高的果實可使用工具采摘，但會增加人員摔傷的風險，并且會有部分果實掉落在地上，核桃雖然能夠在外殼和果皮的保護下完好無損，但需要人工撿拾，從而增加了人工成本。隨著中國城市化的發(fā)展，外出務工的人數增多，務農人數減少，務農人員老齡化嚴重，人工采收會出現人工不足、人工成本增加的情況，因而在大面積產業(yè)化的核桃種植園中采用人工采摘方式是不可取的，可以應用機械采收核桃。

我國目前使用多種機械采摘核桃，包括振動式、平臺式、拍打式、旋轉切割式等。振動式核桃采摘裝置是利用夾持機構夾住樹干，通過振動機構對樹干進行搖晃振動，使得樹枝與果實在最弱處斷裂，落在地上再進行撿拾，具體如圖3所示。

圖3 機械采摘

采摘平臺式的核桃采摘機可實現采摘、修剪、噴藥、運輸等作業(yè)，工作時升降臂展開，升降支架帶動車廂升高，人站在平臺上進行工作。拍打式核桃采摘機是擬人使用木棍或竹竿拍打的一種裝置，這是人工采摘的延伸，拍打動作由機器完成，降低了人工采摘強度，加快了采摘速度。旋轉切割式采摘機械是將裝置伸長到合適高度并鎖死，然后啟動切割電機，再由刀片將果實切下完成采收[4]。

1.3 核桃機械化采收裝置的國外研究現狀

針對核桃機械化采收裝置存在的問題，目前國內外學者已經做了許多相關的研究。國外針對林果類機械化的理論研究開展比較早，也較成熟，普遍認為通過機械方式給樹施加外力，能使得果實與樹枝斷裂，實現采摘。其中，振動式采收是國內外使用最廣泛的一種，主要通過機器振搖樹干使得核桃掉落，工作原理是利用來回旋轉運動的振動方式使樹干產生振動，樹受外力振動后會以一定頻率和振幅振動，果實也會加速振動，當受到的力大于與樹枝的結合力時，果實脫落，實現果實與樹枝分離[5]。在機械振動采摘中，激振頻率對采收率的影響很顯著[6]，這種采摘技術在美國、英國、德國等國家的應用較為普遍，主要適用于核桃、銀杏等林果的采摘。

意大利生產了SR-1搖樹機，當夾持器夾住樹干時，振動裝置會以一定的頻率振動，使得果實脫落，并掉入下方收集器中，其可用于堅果果實的采摘[7]。Orchard公司設計的沖擊波式采摘機主要使用液壓鉗夾住果樹的樹干，產生振動促使果實脫落，以方便進行采摘[8]。

Lang[9]研究了多種果樹在振動采收時的動力學模型，并建立了偏心塊式和曲柄滑塊式振動采收機的能量方程，得出調節(jié)振動頻率、振幅、采收機質量等因素來優(yōu)化采收機的設計，找到了最合適的振動點，從而產生位移運動，以獲得最高的果實分離率。

Chen等[10]通過對核桃外表進行研究，對裂紋、發(fā)霉、黑胚粒識別方法的準確率分別達到了98.5%、96.7%和95.6%。通過對核桃外表的研究準確判斷出適宜進行機械采收的時間，進而提高采凈率。

美國Energid公司研究的柑橘采摘機，采用視覺導引與蛙舌式末端執(zhí)行器結合的方式進行采摘，采摘成功率高達98%[11]。Vidson開發(fā)了具有8個自由度的機器人揀選系統(tǒng)，采用水果采集雙機器人協(xié)同工作的概念，平均采摘周期縮短了50%以上，但增加了果實的損傷率[12]。

1.4 核桃機械化采收裝置的國內研究現狀

國內外學者對樹冠振動式采收方式進行了大量研究，充分證明了樹冠振動式的采收裝置在林果采收方面的可行性。但目前國內外學者對樹冠振動式采收裝置的研究主要集中在非干果上，在新疆核桃采收方面的研究較少。核桃機械化采收的研究方向主要集中在通過調節(jié)振動頻率、振幅等實現采收，存在采收的自動化程度低、易損傷核桃樹干及樹枝、采收效率低、采收不干凈等問題。

國內機械化采摘起步晚，2011年姚文斌設計出了一種便攜式振動山核桃采摘裝置，由汽油機為振動機提供動力，振動機工作使得果實與樹枝脫離[13]。

曹東安[14]設計了一款拍打式山核桃采摘機，其工作原理是將作為自由段的敲擊頭升到適當位置，液壓缸敲擊棒的頭端進行來回運動從而敲擊帶有果的枝條，該裝置模擬人工的敲打動作，結構緊湊，使用和攜帶方便。

仰時威[15]設計了一款便攜式山核桃采摘裝置，采摘桿頂端連接電機，電機控制旋轉刀片，刀片固定在支撐架上，電機啟動時，刀片運動使得核桃與枝條分離，還配備了集果裝置，被剪落的核桃會經過滑道進入收集裝置。采用采摘裝置采集核桃，不僅避免了人工攀爬采摘的風險，并且提高了采摘的效率。王利[16]設計了一種核桃采摘裝置，通過地面的控制箱可控制兩桿的長度和方向，桿末端的采摘器采用剪切刀的結構，能夠實現高處核桃的采摘。

張永成等[17]設計了一種適用于新鮮果園的核桃采摘收集裝置，包括收集斗、箱體、驅動輪、振動采摘裝置、吸入式收集裝置、分揀裝置和儲料箱，通過機械振動的方式給樹施加外力，能使得果實與樹枝斷裂，實現采摘；果實落下，再通過吸入式收集裝置收集核桃，并將雜物從中分離出，從而實現采摘收集一體化。

郭江等[18]設計了一款基于無人機的山核桃采摘收集裝置，根據識別定位系統(tǒng)控制采摘無人機飛行到指定位置，固定裝置為兩個伸出的自動可伸縮夾爪，用于夾取兩個樹枝固定機身。采摘裝置通過伺服電機實現玻璃纖維桿的偏心變速旋轉擊打，進一步實現對山核桃樹枝的變力、變位置、變角度擊打，確保山核桃被擊落，擊打過程中采摘無人機停止工作。收集無人機與收集網連接，擊落的山核桃會落入收集網內，實現采摘收集一體化。

朱惠斌等[19]研究了一種新型山地核桃振動采摘機，采摘機主要由夾持爪、振動部件、汽油機等組成，其工作原理為：將夾持爪卡在樹枝上，旋轉主桿使夾持爪抱緊樹枝；振動部件中偏心輪開始旋轉，產生合適的轉速使連桿做往復直線運動，產生的力將果實晃落實現核桃的采摘。

2 核桃機械化采收裝置存在的主要問題

近年來，我國核桃機械化采收裝置在應用中還存在著諸多的技術和使用問題，例如：林果類振動采收機械的理論研究較少，振動式林果采摘方式需要采摘機與果樹剛性連接，如果振動頻率過低，采凈率會降低；如果振動頻率過高，會對果樹造成損害，甚至會導致果樹死亡。機械化采收裝置的結構較為單一，無法實現一機多用，一臺機器僅對核桃進行采摘；機械化采摘機不能實現采摘、收集、運輸一體化，從而導致成本增加[20]。這些問題使得我國核桃作物的采收工作質量難以大幅提升，無法發(fā)揮先進科學技術的指引和改善作用，甚至會直接影響到我國未來農業(yè)生產力的提高。

3 結論與展望

我國核桃種植面積快速增長，人工采收已經不能滿足當前核桃產業(yè)發(fā)展的需求。目前的采收技術可以減少社會資源的消耗，節(jié)省大量勞動力，降低核桃生產的成本，也可以降低核桃損傷率，做到及時采收，避免果實浪費，從而提高核桃產量。本文通過對果園核桃采收裝置進行國內外研究綜述，得出了以下結論：1）在此后的研究過程中，可以從振動頻率和振幅等諸多方面進行研究，使得采凈率和效率提高，避免二次采摘，減少對核桃樹的傷害；2）研究果實催熟技術，保證所有樹的果實成熟度相同，進而提高采凈率；3）推行全國統(tǒng)一種植標志，在不減少產量的前提下，盡可能地給機械化裝備留有活動空間，為機械化采摘模式提供條件，進而推動全國機械化采收的發(fā)展。