落地林果集果撿拾技術研究及進展

周遠航，坎 雜，李成松，張慧明，付 威，崔 健

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003)

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落地林果集果撿拾技術研究及進展

周遠航，坎 雜，李成松，張慧明，付 威，崔 健

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003)

林果收獲是果園生產全過程中重要的環節之一，對促進林果產業發展、增加效益起著重要作用。近年來，隨著勞動力成本提高和林果種植面積增加，部分科研院所對林果收獲機械進行了相關研究。由于部分林果(干堅果)成熟后落在地面，因此對落地林果進行集果撿拾作業。目前，國內外針對落地林果收獲技術進行了大量的研究工作，介紹了不同種類落地林果集果撿拾機械的組成、工作原理及特點，對其結構參數、集果撿拾方式、工作效率、集果撿拾效率和機械損傷等關鍵技術參數進行了綜合分析。最后，針對我國林果種植模式，結合國外成熟的集果撿拾技術，提出一種適合我國落地林果機械化收獲的新技術、新方法，為我國落地林果集果撿拾機械的研究提供技術參考。

林果；集果；撿拾；收獲機械；損傷

0 引言

中國是世界各類林果的生產和消費大國，從1993年至今，中國各類林果栽植總面積和總產量一直穩居世界第一。因此，我國林果產業已經成為種植業中位列糧食、蔬菜之后的第三大產業[1]。近年來，我國林果種植面積迅猛增加，2013年我國各類林果種植面積突破1 300萬hm2[2]，林果產業的迅速發展促進了果園機械的市場需求[3]。

林果收獲作業是林果生產全過程中最重要的環節，其季節性強、勞動密集，所用勞動力占整個生產過程所用勞動力的35%～45%[4-5]。由于勞動力成本增加，促使林果收獲機械被應用到林果收獲作業[6-7]。從20 世紀60 年代起，隨著勞動力成本的日益上漲，國外林果收獲機械越來越廣泛地應用于林果采收過程中；我國從20 世紀70 年代就開始研究果品輔助采收裝置，先后研制出氣囊式采果器、手持振搖式采果器及切割型采果器。目前，林果收獲方式主要有兩種，樹上果品一次性聯合收獲和樹上果品搖落—集果撿拾的分段收獲。由于同一果品成熟期不一致，果實成熟后會自然脫落，采用一次性收獲作業時，需要借助化學催熟劑和脫落劑[8]。分段收獲作業是采用集果機械將搖落在地面的果實聚集在果樹行間或作業機械側面，再通過撿拾機械進行撿拾作業。由于我國果園種植密度大，果園地表情況復雜多樣，大型林果收獲機和接果裝置無法在果園靈活作業[9]，所以分段收獲比較適用于我國果園的收獲作業。分段收獲中的集果和撿拾作業質量，直接影響果實的品質，因此本文重點介紹分段作業方式中的集果及撿拾作業機械。

1 國內外發展現狀

1.1 國外發展現狀

20世紀60年代，國外已經開始對林果收獲機械進行研究，目前已基本實現了林果收獲的機械化。在分段收獲作業機械方面，集果撿拾機械技術成熟，美國采用集果撿拾機械進行收獲作業面積占總種植面積的70%以上[10]。Harold R.Summer和Scott L.Hedden設計的由拖拉機帶動的全液壓集果機械，利用旋轉式集果器，將落地的柑橘聚集至果樹行間，有利于撿拾作業。果園集果試驗時，機器前進速度為0.12m/s，平均集果效率為185kg/min，最大集果效率為272kg/min，集果率為99%；集果作業后，平均果實堆積密度為22kg/m2。機械化收獲的柑橘平均有4%被扎破，3%產生開裂。果園雜物較多時，機器容易產生堵塞現象，雜物中的樹枝對柑橘的損傷影響較大[11-12]。試驗發現：當螺旋葉片卷角為15°、俯仰角為30°時，機器運轉效果好，除去機器轉彎、停機和卸載果實的時間，整機的有效工作時間占其在果園總時間的75%[6,13]。1967年，美國農業部工作人員設計了一臺柑橘收獲機[14-15]，集果裝置采用雙螺旋機構。螺旋集果器直徑為860mm、長2 100mm，位于機器前進方向70°的位置，由直徑25mm的橡膠齒和13個附著在與螺旋器外圍焊接的扁平金屬條組成；撿拾裝置采用臥式滾筒毛刷將收集成條的柑橘掃至集果平臺，再由傳送裝置輸送至果實收集箱。在沙土果園進行試驗時，集果率達95%，撿拾率達93%；試驗過程中出現柑橘堵塞的情況，損傷率較高。

1972年，E.L.Jones設計了一臺堅果收獲機，通過拖拉機前方懸掛的橫向仿形絞龍進行集果作業，橫向旋轉軸上的彈性鋼齒進行撿拾作業，如圖1所示。果園試驗時拖拉機前進速度為0.5m/s，試驗結果表明：該堅果收獲機的集果率為97%，撿拾率為95%，損傷率為2%[15]。由于集果裝置采用直徑較大的仿形絞龍，仿形效果差，且無法在果樹下方作業，整機的有效工作面積和適用范圍小。

(a) 堅果收獲機總體結構

(b) 堅果收獲機集果裝置

Howard E. Flory于1973年發明了一種自走式林果收獲機，將落地的果實收集成行。收獲機采用前置的類似于扶禾器結構的滾筒毛刷集果器進行集果(見圖2)，其每排毛刷可以在20°的角度范圍內進行手動調節，以適應不同表皮硬度的果實和不同土質的果園地表。整個集果器可以在機器前進方向通過液壓油缸的伸縮進行角度調節，其角度調節范圍為0°～28°，以適應落地林果量和行距不同的果園，收獲機在果實堆積行的另一側布置了風機出口，通過氣流將樹下果實和雜質吹至果樹行中央。根據不同果實的比重、外形尺寸和果園地表情況，可調節出風口的風速[16]。

圖2 林果收獲機

1974年，D.B.Churchill和H.R.Sumner設計了從果樹行間進行集果和撿拾的全液壓林果收獲機械[17-18]，采用拖拉機懸掛和牽引及傾斜的旋轉式集果器進行集果作業，側面的滾筒毛刷將收集成條的果實掃至收集板上完成撿拾作業(見圖3)，整機寬4 200mm、長8 230mm。在果樹株距為7 600mm，行間距為9 100mm、平均產量為204kg/株的果園進行試驗時，機器前進速度為0.44m/s，平均集果效率為300kg/min，撿拾效率為372kg/min，集果率為93%，撿拾率為92%，損傷率為4%。在高產果園進行工作時，落地柑橘較多，損傷率上升。1980年，D.B.Churchill和S.L.Hedden改進了原有的機器，將單個旋轉式集果器改為對稱布置的兩個旋轉式集果器，V字形排列(見圖4)，整機展開之后長度為11 600mm，在株距為7 600mm，行距為13 000mm的果園進行試驗時，前進速度為0.13m/s，集果效率為490kg/min，撿拾效率為512kg/min，集果率為92%，撿拾率為95%。由于增加了機器整體尺寸，果園地頭轉彎時，轉彎半徑增大，機器作業不靈活，效率提高不明顯，且整機增加一個旋轉式集果器后，結構復雜，機器的故障率增大[19]。

圖3 單旋轉式集果器收獲機

圖4 雙旋轉式集果器收獲機

1974年，W. Jack Croft Wichita發明了一種自走式山核桃收獲機(見圖5)，采用鋼板將落在地面的山核桃梳刷成統一的厚度，在采用錯位對置的撿拾輥(見圖6)(彈性鋼齒和橡膠齒分列布置，既保證了撿拾輥齒剛性的要求，也減小了由于剛性碰撞而造成的果實損傷)將梳刷平整的山核桃進行撿拾，拾起的山核桃在慣性的作用下落入振動篩行清雜和輸送，進入輸送帶和輸送輥，最終進入集果箱[20]。整機結構緊湊，一次可完成山核桃的撿拾、除雜、簡單分選和儲運，減少勞動力的投入，降低了收獲成本。

圖5 自走式山核桃收獲機

圖6 自走式山核桃收獲機關鍵工作部件及工作原理

澳大利亞醫學管理人員協會會員公司設計制造的SEMEK自走式榛子收獲機，通過機器前方安裝的兩個大型圓盤橡膠集果器進行集果(見圖7)；然后采用滾筒毛刷撿拾裝置將榛子拾起，通過輸送裝置將榛子輸送至柵格板上進行清雜，后被進入集果箱(見圖8)。M.Fedrizzi等對自走式榛子收獲機進行研究，當機器前進速度為0.42m/s、90%地面榛子(10%的雜質包含樹枝、樹葉和雜草等)時，機器工作效率為0.64hm2/h(1.25t/h)，集果率為93%，撿拾率為94%，榛子的損傷率為1%。機器設計運輸寬度為2 800mm，果園試驗工作幅寬為4 500mm。由于集果圓盤直徑較大，不適用于地面情況復雜的果園作業。

1977年，H.R.Sumner和D.B.Churchill針對旋轉式集果器和圓盤毛刷集果器的工作效果進行了對比試驗[21]。旋轉式集果裝置由1～3個旋轉集果器組成，其與前進方向的夾角為64.7°，機器前進速度為0.57m/s；圓盤毛刷集果器選用長150mm，直徑為9×10-4mm的聚丙烯材料，圓盤毛刷直徑的重疊率為30%，圓盤毛刷與前進方向的夾角為44.7°，轉速為100r/min。試驗結果表明:旋轉式集果器的長度和質量較大，不易控制，在平坦地面進行集果時，集果效率高，損傷率小。圓盤毛刷適用范圍較廣，在地面不平整的情況下集果率優于旋轉式集果器；但其損傷率高，工作效率低，果實較多時，無法正常完成集果作業。

圖7 自走式榛子收獲機

圖8 自走式榛子收獲機清雜部分

1988年，Whitney等人設計的AMI林果收獲機，在行間距為600mm的果園進行試驗時，在工作速度為0.28m/s、地面散落果實密度為20～30個/m2、機器的工作效率為15～20t/h時，集果率為97%，撿拾率為95%，果實的損傷率為4%[13,22]。果園地面不平整時，該收獲機的工作效率、集果率會降低，損傷率會升高，整機可靠性降低，以至于不能正常工作。

阿爾斯波(Oxbo)國際特種作物農機公司研制的大型柑橘收獲機，采用多個旋轉式集果器將樹下和行間的柑橘收集在機器前方，通過撿拾裝置將柑橘輸送至螺旋輸送器，然后輸送至集果箱，如圖9所示。試驗結果表明：在丘陵地、平地和低洼地的收獲效率分別為161、97、94kg/min，平均收獲率分別為97%、91%和80%，收獲速度為0.14hm2/h時，其損傷率分別為小于1%、8.7%和9.4%；在丘陵地和低洼地試驗效果較好，最大收獲率分別為181.9kg/min和193.4kg/min。剛性集果器在平地工作時，性能良好，地面低洼不平時，對柑橘的損傷嚴重，損傷率會增長5～7倍[23-24]。

圖9 大型柑橘收獲機

阿爾斯波(Oxbo)國際特種作物農機公司對原有的收獲機進行了改進，將原來剛性集果器表面包裹了一層橡膠，機器正前方兩側的剛性集果器也換為滾筒毛刷，有效地減小了果實損傷率；增加了一套圖像分析系統，對霉病果實和雜質進行了剔除[25-26]。機器分別在丘陵地、平坦地和低洼地進行試驗，試驗結果顯示，其收獲效率分別為160、97、94kg/min，集果率達98%以上，撿拾率96%以上，在丘陵地試驗時，損傷率為0.53%。

2005年，Galen K.Brown針對加工果汁的柑橘的收獲作業，設計了一種收獲機械。該收獲機采用長度較大的旋轉式集果器進行集果作業，采用臥式滾筒毛刷進行撿拾作業[27]，其工作速度為0.8～0.44m/s，工作效率為3～5棵/min，整機工作幅寬為3 000mm。在層狀樹叢的果園進行試驗時，集果率達到95%～99%，撿拾率達到95%～97%，損傷率為2%，收集起來的柑橘品質好。該機器在雜質較少和地表干燥的果園工作時，性能穩定，當雜質較多或雨天、雨后工作時，旋轉式集果器容易出現故障，工作效果差。

1.2 國內發展現狀

2007年，歐陽鋒等人設計了第一代百香果收獲試驗樣機，采用回轉毛刷將百香果掃至機器前部中間位置后，輸送鏈撿拾百香果送往后方集果箱中，整機長度為1 400mm，寬度為2 100mm。樣機在長25 000mm、寬500mm、密度為4.4個/m2和9.9個/m2(百香果盛產期平均密度為2.9個/m2)、百香果平均質量為90g的果園進行試驗時，結果顯示：回轉毛刷集果與鏈式輸送的撿拾方式可成功地將百香果從地面收獲，收獲率達94%，并且百香果表面無明顯損傷[28]。

為了更好地適應田間收獲作業，歐陽鋒等人2008年研制了百香果集果、撿拾二代試驗樣機，如圖10所示。試驗樣機采用左右兩側的橡膠板旋轉刷將兩側的百香果向中間收集，再采用中間的橡膠板旋轉刷將百香果掃入傾斜撿果板后，被輸送鏈條帶往后方集果箱中；左右兩側的橡膠板旋轉刷展開后，整機寬度為行距的一半，每行的集果作業需要往返兩次。樣機在行距為3600mm、株距為1300mm及地面具有少許雜草和石塊的果園進行試驗時，機器前進速度為0.36m/s，集果率在90%以上，撿拾率在76%以上，果品損傷率為11%[29]；機器在0.36m/s的速度下進行工作時，收獲效率為20hm2/h，人工收獲效率為為1.2hm2/h，機器的收獲效率大約是人工收獲效率的16倍。

圖10 第二代百香果收獲機

歐陽鋒等人于2008年研制了百香果集果撿拾三代試驗樣機，改進了第二代樣機缺點，研制完成一臺全液壓百香果集果撿拾樣機，具有集果撿拾與行走功能。在作業速度為0.3 m/s、回轉毛刷轉速為50 r/min時，其集果率在98%以上，撿拾率在97%以上，集果、撿拾成功率可達96%以上，百香果的破損率在0.94%以下[30]。

2013年，塔里木大學史高昆等人設計了一臺氣吸式紅棗收獲機，該機主要由吸管、風機、分選管道、三通管道、機架、集果箱及集雜袋等組成，如圖11所示。機器工作時，利用風機產生高速氣流，使吸管通道內產生負壓，將地面的紅棗和雜物等吸起；當紅棗和雜物進入三通管道時，由于氣流方向的改變，三通管道的出口處氣壓值為正，紅棗和雜物被氣流吹送至分選管道；進入分選管道后，氣流管道直徑變大，氣流速度減小，密度較大的紅棗落入收集框中，棗樹葉子等比重較小的雜質被氣流帶至集雜袋中，完成紅棗的撿拾和清雜工作[31]。機器在新疆建設生產兵團一師十團七連矮化密植紅棗園進行田間試驗時，單個紅棗平均質量30g，棗樹行距1 500mm，分別改變吸管口的風速得到相應的撿拾率、損傷率和含雜率等指標；當吸管口風速為23m/s時，各項指標較優，其平均收獲效率為3.05kg/min，與同期人工收獲相比，其收獲效率是人工收獲效率的5.2倍[32-33]。

圖11 氣吸式紅棗收獲機

新疆阿克蘇市的阿布拉·艾拉發明的一種牽引式氣吸紅棗收獲機(見圖12)，利用汽油發動機帶動風機高速旋轉，在吸棗口產生負高壓真空，將落在地面的紅棗和枝葉吸進管道中，在收集箱內實現紅棗和雜質的分離；除雜后的紅棗落入集果箱中，枝葉隨氣體流動進入風機，高速旋轉的扇葉將雜質粉碎后隨氣流在出風口處吹出[34]。整機結構簡單，操作方便，但其能耗高、噪音大，工作時具有一定的危險性。張一帆發明的一種便于分離雜物的紅棗撿拾機，其工作原理和主要結構與阿布拉·艾拉發明的收獲機基本一致，只是設計有沉淀室和傾斜安裝的帶有慮孔的下滑板，可實現紅棗的兩次除雜，降低了收獲果實的含雜率[35]。

塔里木大學的胡燦等人設計了一種牽引清掃式落地紅棗撿拾收獲裝置(見圖13)，前方采用V字形臥式布置的滾筒毛刷將落在地面的紅棗收集成一行，通過撿拾鏟的抖動和紅棗的慣性將紅棗與地面分離；然后采用風機產生負壓氣流將紅棗吸起，后落入輸送帶，輸送至分級器，將紅棗按照幾何尺寸進行分級，分級后的紅棗落入不同的收集筐中[36]。

圖12 牽引式氣吸紅棗收獲機

圖13 一種清掃式落地紅棗撿拾收獲裝置

集果撿拾機械除單獨作業以外，還被運用到大型自走式林果收獲機上，用以將落地的林果進行集果或撿拾作業。中國農業機械化科學研究院楊學軍等人研制的自走式全自動紅棗收獲機[37-38]，在前行走輪前方安裝圓盤毛刷集果機構，將輪子前方的紅棗清掃至收獲機兩側，防止收獲機輪子對落地紅棗造成碾壓。圓盤毛刷和收獲機之間采用四桿機構進行連接，其中四桿機構的上連桿采用長度可調的桿件，可實現對圓盤毛刷前后俯仰角度在一定范圍的調節；通過液壓油缸的伸縮實現圓盤毛刷上下位置的控制，圓盤毛刷采用液壓馬達驅動，轉速可以隨落地紅棗的量和地表狀況進行調節。果園試驗顯示，其防碾壓的效果明顯，如圖14所示。

圖14 自走式全自動紅棗收獲機集果機構

石河子大學機械電氣工程學院與武漢威明德股份有限公司聯合研制的4ZZ-2Y型紅棗收獲機[39-40]，在前輪內側安裝轉向相反的雙向集果裝置，采用安裝在旋轉軸上的樹脂片將落在地面的紅棗進行集條，然后利用入土的彎形鋼齒進行撿拾作業；由于樹脂片安裝缺少自由度，彎形鋼齒不具備仿形功能，作業效果并不理想，如圖15所示。2015年，武漢威明德股份有限公司馮冰等人發明了一種具有果實撿拾機構的林果收獲機[41-43]，如圖16所示。該撿拾機構通過圓盤毛刷將落在地面的果實收集成一行，采用抖動式拾果器利用振動和慣性原理將收集成行的果實拾起，落入抖動式拾果器后方；通過彈齒摟果器的旋轉，將果實帶到輸送帶上，完成果實的收獲作業。

圖15 4ZZ-2Y型紅棗收獲機集果撿拾機構

圖16 4ZZ-2Y型紅棗收獲機集果撿拾裝置

目前，國內針對林果集果撿拾機械的研究，歐陽鋒等人研究較多，針對百香果的集果撿拾作業，技術成熟；其余林果集果撿拾技術研究基本還處于起步階段，文獻報道很少。集果撿拾機械除了單獨進行收獲作業以外，還可運用到大型的林果收獲機上[44]。

2 總結及展望

1)我國果園分布廣泛，地表狀況復雜多樣，集果撿拾機械應具有仿形功能，以適應我國不同區域地表復雜的現狀，使其適用范圍廣。

2)針對表面硬度不同的林果、表面雜質不同的地表和多樣的土質土壤，集果撿拾機械的轉速應該具有可調性，以適用于不同品種的林果、不同含雜情況的地表和不同的土質土壤的果園的收獲作業。

3)林果在集果運動過程產生滾動，容易出現碰撞損傷和摩擦損傷，應減小林果運動的路程，以降低林果的機械損傷率。

4)集果所采用的毛刷材料需要進行合理選取，以降低集果過程中林果的機械損傷率；毛刷硬度需要進行多種配置，以適應不同表皮硬度的林果的收獲作業。

5)在種植密度較大的果園作業，機具應具備輕便靈活的特點，還應具有繞樹過障功能，以提高工作效率和經濟性能。

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[39] 付威,何榮,曲金麗,等.自走式矮化密植紅棗收獲機的設計[J].農機化研究,2014,36(4):106-109.

[40] 馮冰,陳霽,柯望來,等.一種自走式全液壓紅棗收獲機：中國，CN104737713A[P].2015-07-01.

[41] 馮冰,陳霽,柯望來,等.一種果實撿拾機構及具有該機構的紅棗收獲機：中國，CN204443159U[P].2015-07-08.

[42] 馮冰,馮曉,李全紅,等.一種果實撿拾裝置及撿拾方法：中國，CN103814695A[P].2014-05-28.

[43] 湯智輝,孟祥金,沈從舉,等.機械振動式林果采收機的設計與試驗研究[J].農機化研究,2010,32(8):65-69.

[44] 王長勤,許林云,周宏平,等.基于PLC和MCGS的偏心式林果振動采收機控制系統設計[J].農機化研究,2013,35(3):79-83.

The Research and Development of The Falling Tree Fruits and Nuts Collect and Pick-up Technology

Zhou Yuanhang, Kan Za, Li Chengsong, Zhang Huiming, Fu Wei, Cui Jian

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

Mechanized harvesting is one of the most important taches in the full mechanization of fruit harvest, which plays an important role in promoting the development of forestry fruit industry and increasing economic efficiency. In recent years, with labor cost raising and the fruit cultivation area increasing, the fruit harvesting machinery technologies were intensively in part of academy. some mature fruit (dry nuts) fell on the ground，so to collect and pick the land fruit. At present, a great deal of research work has been done on collecting land fruit technology at home and abroad. Firstly, this paper briefly introduces the varieties of landing fruit set mechanical composition, working principle and feature. Then , The structure parameters, setting fruit collecting way, working efficiency, set fruit collecting efficiency and key technical parameters of mechanical damage were analyzed. Fruit planting patterns in China, combined with foreign mature fruit collecting technology. Finally, we put forward a new technology and method that it is suitable for landing fruit harvest mechanization in our country. The study provides for technology suggestion about collecting landing fruit technology in China.

forestry fruit; the fruit collecting; pick-up; harvest machinery; damage

2015-12-22

國家自然科學基金地區項目(E050601)

周遠航(1991-)，男，河南臨潁人，碩士研究生，(E-mail)9807909942qq.com。

付 威(1977-)，男(滿)，黑龍江五常人，副教授，博士，碩士生導師，(E-mail)fuwei001@126.com。

S225.93

A

1003-188X(2017)01-0256-08