林果機械化采收技術研究及進展

付　威，崔　健，張慧明，坎　雜，王麗紅，李景彬

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　832003)

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林果機械化采收技術研究及進展

付威，崔健，張慧明，坎雜，王麗紅，李景彬

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子832003)

摘要：機械化采收是林果全程機械化作業中的重要一環，對促進林果產業健康發展和果農種植效益起到了重要作用。近年來，國內外已經對不同林果采收技術開展相關研究和技術探索。首先對國外不同林果機械化收獲現狀進行介紹，隨后介紹了國內林果和機械化收獲研究進展，且著重介紹了新疆特色林果采收技術，并對林果采收技術的后續研究方向進行了概述。

關鍵詞：林果；機械化采收；振動收獲

0引言

目前，我國果品總種植面積和產量均占世界第1位，已成為種植業中位列糧食、蔬菜之后的第三大產業[1]。截止2013 年底，我國林果種植總面積已突破1 237萬hm2，水果總產量已超過2.5億t[2-3]，林果產業的迅猛發展提升了果園機械的市場需求。

林果收獲作業是林果生產全過程中最重要的環節，季節性強，勞動密集，所用勞動力占整個生產過程所用勞動力的35%～45%[4]。20世紀60年代，國外開始林果業機械化收獲研究，根據收獲機械采收部件的動力方式不同可分為氣力式和機械式。氣力式收獲機適于收獲柑橘、沙棘及黑加侖等；機械式收獲機多采用振動、切割、梳下、刷下和刮下等多種方法，適于收獲蘋果、柑橘、黑莓、沙棘、杏及葡萄等多種林果[5-6]。目前，林果收獲機多采用振動式收獲，根據激振位置不同可分為樹干振動(抱搖)式、樹枝振動式和樹冠振動式。

1國內外發展現狀

1.1　國外林果機械化收獲研究現狀

1.1.1氣力式(氣吹、氣吸)振動收獲研究

氣力式收獲有氣吹式和氣吸式兩種，主要適于收獲柑橘、沙棘及黑加侖等林果。氣吹式收獲是通過大功率風機吹出高速氣流作用于果樹樹冠，并由導向裝置的頻率改變氣流的方向，使果實振搖產生慣性力，從而使果實脫落。氣吸式是利用負壓將果實吸入采果裝置，果實被負壓產生氣流脫拽下后經采吸口、吸風道進入沉降室，落到輸送帶上，樹葉等輕小雜物經風機吹送由出風口排除。

Whitney J D和Wheaton T A通過氣力式振動采收機對噴灑落果劑的Valencia柑橘進行5個收獲季節的試驗，結果表明：該方法采收率很低，且氣力式振動采收機相對于人工采摘柑橘減產16%。Hutton 和 Lill使用自制的氣力式振動收獲機和落果劑進行5個收獲季節的試驗，當柑橘與枝干的連接力小于19.6 N時，采收率超過80%[7-9]。Coppoc 和Donhaiser 研制了一種錐形掃描式風機(Conical Scan Air Shaker)收獲柑橘，如圖1所示。試驗結果表明：當使用化學藥劑使果實與樹枝的連接力小于22.2N時，收獲機能夠達到97%的分離率，收獲效率可以達到170棵/h[10]。

圖1　錐形掃描式柑橘收獲機

1.1.2機械式振動收獲研究

機械式收獲機多采用振動、切割、梳刷等多種方法，適于收獲蘋果、柑橘、黑莓、沙棘、杏及葡萄等多種林果[7-8]，是國外應用最多、適用性很好的機型。

1.1.2.1樹干振動(抱搖、撞擊)式收獲研究

基于果樹樹干振動的收獲機主要有抱搖式和撞擊式。樹干振動采摘機主要是利用偏心塊回轉運動或者是曲柄連桿機構的往復運動，對果樹樹干施加激振力，使得果樹產生受迫振動，達到分離果實的目的。

Whitney 和 Wheaton 使用FMC-4000抱搖式振動收獲機對噴灑落果劑的柑橘進行5個收獲季節的試驗，振動時間3～7s，收獲率在90%以上。經研究發現：機采比人工采摘的柑橘減產10%[8]。Hedden等人使用4臺不同抱搖式試驗樣機對Hamlin和Valencia柑橘進行5個采收期的試驗，4種試驗樣機振動模式分別采用線性和多方位振動，收獲時噴灑落果劑，每棵果樹振動時間為7s。Hamlin柑橘的收獲率從64%增加到90%，Valencia柑橘收獲率從74%增加到91%[11]。G.L. anco-Roldán對油橄欖進行振動收獲時，將油橄欖成熟度(MFI)分為4個等級，在采收中期時，振動時間20s，采收率達到90%以上[12]。D. L. Peterson利用抱搖式振動收獲機對櫻桃進行收獲試驗時(見圖2)，通過噴灑乙烯，果柄連接力200～300g，單側振動，果實采收率達到85%；多方位振動，果實采收率在90%[13]。Pacheco和Rehkugler設計了撞擊式蘋果收獲機，采用彈簧激振，撞擊速度可以達到5.16m/s，輸出能量1151J，可適于采收中等大小的果樹[14]。

1.集果箱　2.清雜風機　3.輸送鏈

1.1.2.2樹枝振動式收獲研究

樹枝振動式收獲主要用于手持式林果振動采收機。手持式樹枝振動采摘機主要是利用拖拉機、柴油機及電機等作為動力源，驅動曲柄連桿機構作往復運動，達到振動樹枝的目的；針對不同直徑的樹枝，夾持機構可進行人工調節。

Coppock使用樹枝振動式采收機對沒有噴灑落果劑的Valencia柑橘進行3個收獲季節的試驗，振動時間56s，成熟柑橘落果率76%[15]。Coppock和Sumne等人使用3種樹枝振動式采收機進行采收試驗， 這3種采收機都會導致減產，但使用落果劑能夠降低減產[16]。D.Mann和D.S.Petkau等人通過對沙棘進行振動收獲試驗，得出在頻率25Hz和振幅32mm時收獲效果最好[17]。D Erdoan采用慣性激振裝置對杏進行收獲，采收時間5s、頻率15Hz、振幅40mm，獲得較佳的采收效果，沒發現側枝和樹皮損傷[18]。MateevL.M等人認為采收工作部件撞擊櫻桃樹枝的沖擊力為隨機函數，在不同工作參數下建立了櫻桃振動采收數學模型，在櫻桃田間采收試驗中，試驗結果與該模型預測結果的相關系數約為0.99[19]。S. W. Lee對枸杞(Lycium chinense Mill)進行果柄拉斷力測試，不成熟枸杞的拉斷力比成熟的枸杞高2.7倍，成熟的枸杞果柄拉斷力0.7～1.3N；通過采收試驗，確定最佳工作參數區間，激振頻率94.7～125.7Hz和振幅25～35mm[20]。

1.1.2.3樹冠振動式收獲研究

樹冠振動采摘機被廣泛應用與采摘藤木類的水果，如藍莓、黑莓及葡萄等水果。樹冠振動采收主要是利用梳齒機構對樹冠的振動和梳刷作用，使果樹枝條振動，從而達到分離果實的目的。

Sumner對Valencia柑橘進行2個收獲季節的收獲試驗，激振器的振幅分別為150、230、300mm， 激振頻率1.7～5.8Hz，激振時間10～18s。試驗研究結果表明：振幅150mm為最優選擇，振幅300mm 為效果最差[21-22]。Peterson使用USDA樹冠振動收獲機(見圖3)，每分鐘可采7～9棵樹，工作速度1.6～3.2km/h， 收獲Valencia柑橘時不用落果劑，收獲率80%～90%[23]。2003年，韓國忠南國立大學S. W. Lee et al.對紅棗的物理力學特性進行研究，研制一種基于樹冠振動的全液壓自走式紅棗收獲機，采收部件下部連接柔性輸送管；收獲時，液壓油缸提升，將采收部件對準樹干進行采收，激振頻率7.7Hz，試驗時間3s，成熟紅棗采收率達到95.8%[24]。Jung D.So，Ph.D等研究一種全液壓自走式收獲機，采用鋁制振動撥桿插入樹冠上部，進行往復性振動，能夠對成熟的覆盆子完成收獲作業[25-26]。

1.2　國內林果機械化收獲研究現狀

我國在20世紀80年代開始林果收獲研究，東北農學院張克孝教授先后采用梳刷和振動的原理對黑加侖進行機械采收的試驗研究[27]。東北農業大學王業成采用振動采收裝置對黑加侖進行收獲試驗，并對兩個品種的漿果進行物理力學特性研究[28-29]。北京林業大學沈瑞珍進行銀杏振動落果試驗，研究振幅、激振頻率和時間與落果率之間的關系，得出銀杏側枝最優激振頻率應在1.00～5.25Hz之間，振動時間不應超過11s[30]。寧夏固原地區農機所研制了手工沙棘采收器。寧夏農林科學院研制的枸杞采摘機，也適用于沙棘收獲。內蒙古自治區園藝科學研究所研究了噴灑1 000×10-6的40%乙烯利溶劑的沙棘化學采收法。內蒙古林業研究院應用氣吸式小林果采收裝置進行氣吸采收[31]。這些方法可在一定程度上提高工效、改善采收條件，但采收效率低、果樹損傷嚴重。

圖3　USDA樹冠振動收獲機

近幾年，我國開始對新疆林果進行機械化收獲的研究。2009 年，石河子大學機械電氣工程學院針對新疆棗農間作、矮化密植兩種模式(占新疆紅棗種植面積的90%以上，且樹高在3m 以下)，研制了基于樹冠振動的自走式紅棗收獲機(見圖4)，采用雙撥桿滾筒對稱布置樹冠兩側；通過3 個采收期的采收試驗，初步獲得振動撥桿的振幅為15～20mm，激振頻率為15～20Hz，采收率>90%[32-33]。

1.機架　2.座椅　3.振蕩馬達　4.風機　5.集果箱　6.激振裝置

2009 年，新疆農墾科學院機械裝備研究所研制4YS-24 型紅棗收獲機(見圖5)，與東方紅400 型拖拉機配套使用，采用抱搖式收獲方法。通過在新疆哈密農十三師進行的田間試驗以及性能測試表明：該機生產率和采收率都達到較高水平，機械收獲的生產效率與人工相比約提高了4～11倍，能達到50～80棵樹/h，可搖落全樹83%～98%的果實；但僅適于收獲樹干直徑大于100mm、樹高3m 以上的棗樹，與新疆當前的矮化密植紅棗種植模式不匹配，限制了該機器的適用范圍[11,34]。

1.鉗式振動頭　2.振動頭懸掛叉　3.橫向液壓油缸　4.支臂套管

2011年，南京林業大學機械電子工程學院王長勤、許林云針對我國密植果園模式下采收作業空間小、機械化作業條件差的特點設計出基于樹干振搖的偏心式林果振動采收機(見圖6)，在新疆阿克蘇地區溫宿縣木本糧油林場核桃林場進行試驗。試驗結果表明：激振頻率對樹干全振幅和果實采凈率具有顯著性影響(P=0.05)，激振頻率20 Hz時樹干全振幅和采凈率達到最大值，分別為8.83mm和92.6%，但振幅過大會對果樹樹干造成損傷[35]。

1.操作觸摸屏　2.空壓機　3.履帶車　4.電氣控制柜

2014年，史高昆等人研制出一種氣吸式紅棗收獲機(見圖7)，主要由吸管、風機、3 通管道、分選管道、收集框、機架和集雜袋等部件組成，并采用正交試驗設計方法對紅棗收獲機樣機進行了吸拾性能試驗，測定了收獲機吸口處在不同氣流流速下的拾凈率、損失率及含雜率。結果表明：氣吸式紅棗撿拾機吸管口的吸附風速為23m/s 時，各項指標較優，平均撿拾效率為185.4kg/h[36]。

圖7　氣吸式紅棗收獲機

綜上所述，從國內外關于林果機械采收的研究來看，國外對林果機械采收的研發較早，機型種類較多，而且許多機型己被大量推廣應用到實際生產中，但是并不適用于國內果園的種植模式。國內目前的研究尚處于起步階段，研發的機型較少，主要設計了一些小型機具，結構簡單，技術含量較低，而且應用到實際采摘過程中的機型非常少。

2總結及展望

1)國內林果種類及種植模式的多樣性決定了林果采收機械的多樣性，因此僅靠引進國外林果采收機械難以解決國內的林果機械化采收存在的問題，應加強林果采收技術的相關研究，為林果收獲機械的設計與研究提供理論依據。

2)目前，林果收獲機多采用振動式收獲，在一定程度上提高了采摘效率，減輕了勞動強度，但由于大多的振動采收裝置多采用強制性振動對樹干進行搖振或對果枝進行敲擊，以實現果實的脫落。這種方式對果樹與果品損傷較大，可以考慮將將強制振動轉化為自激振動，或將振動收獲與氣力式收獲相結合，以減少果枝的摩擦損傷和果品的擊打損傷，以降低功耗、提高采收效果。

3)林果收集過程中會發生果實間相互的碰撞和摩擦，將造成一部分的果實損傷，為減少果實損傷，應對接收平面材料進行合理的選取，選擇緩沖效果較好的材料可以減少果實的機械損傷。

4)我國大部分果園的規模化及規范化程度較低， 因此應大力推廣建立適于機采的標準化果園，以降低收獲機械設計的復雜程度，達到農機與農藝相結合，使其適用范圍更加廣泛。

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The Research and Development of Mechanization Harvesting Technology for Forest Fruit

Fu Wei, Cui Jian, Zhang Huiming, Kan Za, Wang Lihong, Li Jingbin

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

Abstract：Mechanization harvesting is a key part of the entire mechanization in forest fruit harvest, it plays an important role in promoting the development of forestry fruit industry and improving the planting benefit of farmers. In recent years, it has been carried out research and technical exploration in different fruit harvest technology at home and abroad. This paper first introduced the present situation of different fruit mechanization harvesting in foreign countries, then introduced the research progress of mechanized harvesting technology for forest fruit in China, and emphatically introduced the mechanized harvesting technology for local special forest fruit in Xinjiang, and summarized the further study of mechanized harvesting technology at last.

Key words：forest fruit; mechanized harvesting; vibration harvesting

中圖分類號：S233.4

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0264-05

作者簡介：付威(1977-)，男(滿族)，黑龍江五常人，副教授，碩士生導師，工學博士，(E-mail)fuwei001@126.com。通訊作者：李景彬(1980-)，男，河南淮陽人，副教授，碩士生導師，工學博士，(E-mail)ljb8095@163.com。

基金項目：國家自然科學基金地區項目(E050601)

收稿日期：2016-01-04