河北省梨園機械可靠性與適應性分析與展望

王洪森 張秀花 魏華杰 黃征 于洋

(河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，河北 保定 071001)

梨果富含多種對身體有益的營養(yǎng)成分，有助于促進腸胃健康和提高免疫力；其水分豐富，可以制作成梨湯，有助于滋潤喉嚨，緩解咳嗽；此外，梨果含有人體所需的礦物質，有助于改善血壓[1]，因此，梨果備受消費者青睞。梨產(chǎn)業(yè)作為河北省的特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，栽培面積約占全國的1/4[2]，梨園機械化是促進梨果產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展的重要手段，機械可靠性與適應性是影響梨園機械化水平發(fā)展的重要因素[3]，直接影響梨園機械的推廣和機械化水平提升。因此，針對河北省梨園各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械可靠性與適應性情況及存在問題進行調查研究，并提出改進方法，具有重要的理論意義和實踐價值。

1 河北省梨園基本特點

河北省梨產(chǎn)業(yè)在全省占有重要地位，產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的30%以上[4]，是地方農(nóng)民增收和貧困地區(qū)村民脫貧致富重要產(chǎn)業(yè)[5]，2021年種植面積115000hm2[6]，梨果產(chǎn)量366.58萬t，如圖1所示。河北省大部分梨園正處于老式梨園(大冠寬行稀植)向現(xiàn)代梨園(小冠寬行密植)轉型階段，老式梨園地頭所留距離短，梨樹平均高度高和樹冠范圍大，不適宜現(xiàn)代機械作業(yè)；現(xiàn)代梨園地頭所留距離長，梨樹平均高度低和樹冠范圍小，適宜現(xiàn)代機械作業(yè)。

圖1 近10年河北省梨園種植面積及梨果產(chǎn)量

2 河北省梨園不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械使用分布概況

本次主要針對規(guī)模大的梨園，對工量大的7個環(huán)節(jié)進行分析，包括割草、深松、施肥、旋耕、植保、剪枝和采收環(huán)節(jié)。梨園調研總戶數(shù)為142戶，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械化情況如表1所示。

表1 各生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械化情況

由表1可知，旋耕、植保和割草環(huán)節(jié)機械使用戶數(shù)為107戶、97戶和93戶，占總戶數(shù)比分別為75.34%、68.31%和65.49%，3個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中機械使用占比大，說明機械使用情況良好，適應梨園復雜環(huán)境和可靠的程度大；施肥、深松、采收和剪枝環(huán)節(jié)機械使用戶數(shù)為48戶、21戶、12戶和10戶，占總戶數(shù)比分別為33.80%、14.49%、8.45%和7.04%，生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械使用占比小，說明機械適用性差和可靠程度低，難以適應梨園復雜環(huán)境，導致在梨園使用與推廣困難。

3 河北省梨園機械可靠性與適應性現(xiàn)狀

可靠性與適應性直接影響著農(nóng)業(yè)機械的推廣應用[7，8]。本文主要研究河北省梨園各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械的可靠性與適應性情況。機械的可靠性調研包括年使用次數(shù)與年維修次數(shù)統(tǒng)計，易損壞零件統(tǒng)計，故障維修花費計算與故障維修方式統(tǒng)計；機械的適應性調研包括調查機械復雜程度，天氣條件適應性與地理環(huán)境適應性，其中機械復雜程度統(tǒng)計機械無需長時間培訓即可操作比例，天氣條件適應性統(tǒng)計不良天氣下可正常工作機械比例，地理環(huán)境適應性統(tǒng)計復雜地理環(huán)境下可正常工作機械比例。

3.1 梨園不同種植模式下機械作業(yè)場景概況

梨園分為老式梨園、現(xiàn)代梨園和升級改造梨園。不同種植模式下機械工作的梨園場景不同，作業(yè)空間尺寸有差異，直接影響機械的適應能力和梨園機械推廣應用。河北省不同栽培模式梨園情況如表2所示。

表2 河北省不同栽培模式梨園情況

由表2可知，現(xiàn)代梨園的單戶種植規(guī)模平均在28.18hm2，地頭所留距離平均約4.2m，梨樹行距平均約4m，梨樹株距平均約1.5m，梨樹高度平均在3.3m，樹冠大小多在1～2m，小冠寬行密植，地頭所留距離大，適合機械進入作業(yè)。老式梨園的單戶種植規(guī)模平均在9.94hm2，地頭所留距離平均約3m，梨樹行距平均約5m，梨樹株距平均在3m，梨樹高度平均約3.6m，樹冠大小多在3m之上，大冠寬行稀植，地頭所留距離小，機械進入作業(yè)困難。升級改造梨園的單戶種植規(guī)模平均在11.91hm2，地頭所留距離平均約4m，梨樹行距平均在4.5m，梨樹株距平均約3.6m，梨樹高度平均約2.8m，樹冠大小多在3～4m，相對老式梨園，升級改造梨園降低了梨樹平均高度與樹冠大小，適合機械進入作業(yè)。

3.2 梨園機械使用可靠性與適應性現(xiàn)狀

近年來，果園各生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械化水平持續(xù)增長[9]，機械可靠性與適應性穩(wěn)步提高，果園專用機械受到歡迎，果農(nóng)也了解更多果園機械使用和維修知識，推進了梨園機械化的發(fā)展。但是梨園機械使用可靠性與適應性仍有很大的提升空間。2023年調研河北省梨園機械中常用的機械使用情況如表3所示。

表3 河北省梨園常用機械使用情況

3.2.1 可靠性分析

由表3可知，在梨園7個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，除草機、深松機、施肥機、旋耕機、打藥機、修剪機和采收機的年使用次數(shù)分別為25、10、6、7、30、3和11，年維修次數(shù)分別為7、3、3、3、8、1和4，可見除草和打藥使用頻率最高，維修頻率也最高。頻繁維修是影響果農(nóng)購買和使用機械的重要因素，維修造成了人力、物力和時間的浪費，對于時效性較強的作業(yè)環(huán)節(jié)，機械維修導致無法在相應時間窗口完成工作，影響梨果質量和果農(nóng)收益，直接影響梨園機械推廣。各生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械仍處于研發(fā)初期，部分零件設計技術不成熟，引起平均維修次數(shù)較多，說明機械容易出現(xiàn)故障，可靠的程度低，機械故障造成生產(chǎn)效率降低，影響果農(nóng)對機械的使用。

除草機、深松機、施肥機、旋耕機、打藥機、修剪機和采收機的年維修花費分別為1750元、1950元、1200元、1250元、1600元、150元和1200元，果園各生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械經(jīng)國家補貼后平均購買價格在5000元上下[10]，除修剪機使用次數(shù)少，6個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的梨園機械年維修花費均在1000元以上，約占購買機械的1/5，維修成本高導致梨園機械難以在大部分梨園推廣。在7個梨園生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，有5個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機械出現(xiàn)故障通過果農(nóng)自修來解決，大部分果園的周圍缺乏維修點，維修點集中在城鎮(zhèn)附近，距離果園較遠，機械運輸與維修困難，維修機械需要專業(yè)知識，果農(nóng)自己很難進行專業(yè)維修。

除草機、深松機、旋耕機和修剪機的重要零部件是刀片，施肥機、打藥機和采收機械的重要零部件是施肥口、噴頭和采摘頭。重要零部件的損壞導致機械整體無法作業(yè)，機械重要零部件的可靠性是研發(fā)人員的重要內容，也是果農(nóng)購買機械時考慮的重要因素。由表3可知，7個生產(chǎn)環(huán)節(jié)所使用機械的重要零部件均為故障部位，可見梨園機械的重要零部件設計、材料選擇與熱處理均需重點關注。

3.2.2 適應性分析

為進一步優(yōu)化機械適應性，農(nóng)業(yè)機械的操作性、環(huán)境適應性[11]需進一步研究。機械易操作是設計時考慮的重要因素，也是大部分果農(nóng)購買考慮的因素，操作簡單可以有效減少果農(nóng)學習時間。機械系統(tǒng)的環(huán)境適應性是指系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的適應能力[10]，河北省是多氣候省份，梨園各生產(chǎn)環(huán)節(jié)具有時效性，不同氣候對于果農(nóng)年收入造成不同程度影響，研發(fā)適應不同氣候，實現(xiàn)梨園各生產(chǎn)環(huán)節(jié)在相應時間窗口完成作業(yè)的機械尤為重要。地理環(huán)境是梨園機械設計考慮的主要因素之一，復雜地況影響機械能否進園和工作效率，設計適應復雜地況的梨園機械是提高梨園機械適應性的重要途徑。

由表3可知，填寫除草機、深松機、施肥機、旋耕機、打藥機、修剪機和采收機適應性問卷人數(shù)分別為93人、11人、33人、68人、88人、10人和13人，認為易操作的分別有82人、10人、32人、59人、74人、9人和10人，占比分別為88.17%、90.91%、96.97%、86.76%、84.09%、90%和84.62%，這些數(shù)據(jù)說明各生產(chǎn)環(huán)節(jié)梨園機械的操作性簡單，大部分果農(nóng)經(jīng)過商家培訓后可以直接操作。各生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械的天氣適應性調查中，認為適應性好的人數(shù)分別為12人、1人、1人、6人、8人、2人和4人，占比分別為12.90%、9.09%、3.03%、8.82%、9.09%、20%和30.77%，說明在多氣候環(huán)境下，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)梨園機械的適應能力低，部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械在多氣候環(huán)境中的適應能力低于10%，造成機械不能在合適的時間窗口工作，影響果園生產(chǎn)。各生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械的地理適應性調研中，認為適應性好的人數(shù)分別為54人、7人、17人、33人、60人、6人和7人，占比分別為58.06%、63.64%、51.52%、48.53%、68.18%、60%和53.85%，說明各生產(chǎn)環(huán)節(jié)梨園機械部分在復雜地況中正常作業(yè)困難，主要原因是動力機械和動力底盤設計時未考慮土壤粘性與機械越埂能力。

4 梨園機械可靠性與適應性問題剖析

4.1 老式梨園機械進入果園作業(yè)困難

老式梨園存在地頭所留距離小和大冠寬行稀植等問題，機械進入作業(yè)困難，大部分生產(chǎn)機械主要針對現(xiàn)代果園設計，現(xiàn)代梨園種植模式具有地頭所留距離大和小冠寬行密植等特點，是目前機械設計時考慮的主要因素，老式梨園種植模式影響果園現(xiàn)代化機械的使用與推廣。

4.2 重要零部件容易發(fā)生故障

梨園機械重要零部件使用的頻率更高，導致重要零部件更容易受到損傷[12]，果園復雜的環(huán)境使機械作業(yè)時重要零部件的負荷大，壽命減短，直接影響機械的工作效率，甚至機械無法運行。

4.3 維修不便成本高

梨園使用的機械大多自行維修，因為維修點距離較遠，需要進行機械運輸，導致機械維修時間長和運送成本高，以及自修機械成本低。但是果農(nóng)自修需要專業(yè)知識，對機械出現(xiàn)的故障難以辨別，可能出現(xiàn)無效維修或二次損傷，增加了設備的安全隱患。

4.4 復雜地況與多氣候環(huán)境影響機械工作效能

生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各類機械對不同氣候與不同地況的適應性能不同。動力底盤的選型直接影響地況和天氣的適應性，難以做到針對不同地況和不同氣候進行更換，會對果農(nóng)的生產(chǎn)效益造成嚴重影響。

5 梨園機械可靠性與適應性發(fā)展建議

5.1 加快老式梨園升級改造，提高機械工作效能

加快老式梨園向現(xiàn)代梨園轉型，老式梨園具有種植模式不一和機械作業(yè)困難等問題，加快老式梨園升級改造，使生產(chǎn)機械作業(yè)時效率提高和成本降低，梨園種植模式管理可以提高機械工作效能與機械適應性，為梨園機械可靠性與適應性發(fā)展提供基礎。

5.2 定期更換重要零部件，提高機械使用壽命

梨園機械重要零部件損壞會嚴重影響機械的工作效率，因此需定期更換重要零部件，減少工作維修時間，延長整機的工作壽命。還可以進行結構和材料的優(yōu)化，如對梨園機械關鍵部分進行材料與涂層的優(yōu)化，增加機械表面的防護層等。

5.3 優(yōu)化機械維修點布置，提高機械維修質量和效率優(yōu)化

梨園周圍維修點布置，可以為果農(nóng)提供更便捷、經(jīng)濟的機械維修服務，減少維修時間，接受專業(yè)維修服務，避免機械二次損壞的可能性，提高機械維修質量和效率，降低機械每年的維修次數(shù)，進而將整體維修成本降到最低。

5.4 加大梨園機械科技投入，補齊梨園機械短板

大部分梨園機械在多氣候環(huán)境與復雜地況下難以正常工作，應該充分利用各大高校、科研院所的技術優(yōu)勢，加大科研的投入，研發(fā)出適應各種氣候環(huán)境與各種地況的梨園機械，補齊梨園機械短板，避免因為梨園各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的時效性導致果農(nóng)生產(chǎn)收益的降低。