果樹枝條修剪機械裝置設備研究進展

楊振 李建平 楊欣

摘要 枝條修剪是保持果樹樹形、調整冠層分布、調節果品品質的重要農事作業環節。通過分析國內外人工修剪輔助設備、懸掛式枝條修剪機、自動化修剪設備在果園的應用及技術研究狀況，指出隨著栽培制度變革國內果樹枝條修剪裝置具有向智能、輕簡、機械化方向發展的趨勢。

關鍵詞 果樹；人工修剪；機械修剪；自動化修剪

中圖分類號 S605.1；S23 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）19-0226-03

果樹樹形是影響果樹負載量的重要因素之一，通過冬剪、春剪、夏剪等不同時期的修剪去除老枝條或損傷枝條等方法合理控制果樹樹形，使果樹冠層分布均勻合理，實現果園通風透光、便于機械化管理，對于提高水果的品質和產量具有重要的作用[1]。目前，我國以手工修剪枝條作業為主，機械化水平低，勞務用工成本高，且存在剪枝后切口不涂藥保護傷口而引起腐爛病等風險。修剪方式主要有人工修剪、機械修剪和自動化修剪等，多種形式并存，根據果園規模、種植模式、勞動力等因素綜合考慮選擇不同的修剪方式進行果樹樹形管理。

1 人工修剪輔助設備

1.1 人力修剪

采用果樹剪、果樹修枝鋸以及加長手柄的輔助修枝剪和鋸對果樹進行樹形管理是果園常用的技術措施。按照植物園藝學上的要求進行人力手工修剪，不僅便于控制果樹枝條的生長，還便于人為控制果樹樹形、培育飽滿的果樹花芽，使果樹達到最優產量。規模化果園的人力修剪是一項短期集中高強度作業，歐美國家將從事果樹修剪的職業納入職業病檢查領域[2]。

日本愛麗斯（ARS）公司開發了通過手柄轉動轉移剪枝力的VS-8R手動修枝剪；意大利CAMPAGNOLA公司根據樹種和環境不同，開發了Star35氣動修枝剪，作業時剪切力可達2.12 kN，可剪切3次/s，適合剪枝難度較高場合[3]。

1.2 電動修剪

電動修剪機主要由蓄電池、控制電路、驅動機構、傳動機構、刀頭等部分組成；電動修剪機通過蓄電池供電，電動機驅動剪刀內部的傳動系統，經過傳動系統實現剪刀的開閉運動。1929年美國LOB Lindstrom[4]提交了一款用電磁線圈驅動剪刀頭修剪的專利，1984年法國丹尼爾·德爾馬斯發明了電動修剪刀ELECTROCOUP并且創建了INFACO的品牌[5]。

楊 洲等[6]研究了果園電動修剪機具與技術，并對國內外電動果樹修剪機進行了對比和分析，歸納了電動修剪機的種類，總結了國內外電動修剪刀的優缺點。孫健峰等[7]采用HT-500高溫摩擦磨損試驗機對果園電動修剪刀片進行了摩擦試驗，得出了電動修剪刀片最優的摩擦值。電池續航時間、修剪動力等是影響電動修剪機使用性能的重要因素。歐美國家銷售的電動修剪機型號等參數見表1。

1.3 氣動修剪

氣動修剪機由空氣壓縮機、儲氣罐、氣動剪、快速接頭和氣管等組成[8]。當按下手柄上的單相閥門時，壓縮空氣進入氣缸，高壓氣體推動氣缸內活塞運動，活塞推動氣動剪動刀做旋轉運動，動刀和定刀完成嚙合運動，實現剪切運動，隨后復位彈簧將活塞頂回初始位置。

FELCO公司70型號氣動剪的氣壓值為7～15×105 Pa，切割24～50次/min，切割直徑為30 mm；Corbins Agricul-tural Technology公司的POD308 SERIES型號氣動剪可以修剪50 mm的樹枝。歐美地區氣動修剪機見表2。

氣動修剪機采用動力源有交流電動機驅動、車載式拖拉機驅動、汽油機驅動等，設備選型時應考慮氣泵維修和電源線路鋪設的方便性。郭 輝等[9]對氣動果樹剪枝機進行了設計和理論研究，實現了25 mm以內各種果樹枝條的修剪。楊宛章完成了QJG-4Q氣動果樹剪枝機成果鑒定，設計的氣動果樹修剪機最大修剪高度達到4 m，最大修剪直徑49 mm[10]。李鳳鳴等[11]設計研制了與微耕機配套的氣動剪枝機，結構緊湊，但存在多人操作輸氣管道易發生纏繞問題。烏日圖等[12]對移動式氣動剪枝機的氣缸進行了仿真計算，驗證了氣缸的安全性。曹慧鵬[13]設計研制了3QDJ-30型號的園林氣動剪枝機，增加了修剪的高度，提高了剪枝效率。吳良軍等[14]分析了國內外的氣動剪枝機的性能，優化了剪刀片的參數和表面涂層，設計了薄壁鋁桿剪切桿，實現了修剪的輕便化操作，提高了作業效率。圖1為西班牙Corbins magnum POD206氣動修剪機。

2 懸掛式枝條修剪機

將枝條修剪機懸掛在拖拉機上，通過拖拉機液壓輸出軸等動力系統驅動修剪刀具做回轉運動或往復直線運動、操作員操縱控制桿或按鈕等調整修剪機架位置和姿態，實現剪枝作業，有效解決了人力修剪勞動強度大、效率低問題。

2.1 回轉式修剪機

2.1.1 鋸盤式修剪機。1955年美國Paul W.Moore[15]在拖拉機的拖車上安裝了12個355.6 mm的鋸盤，由1臺18 kW的風冷發動機驅動，實現對檸檬、橘子或者葡萄柚單側的修剪，作業效率0.4 hm2/h。蔣連瓊[16]對鋸盤式綠籬修剪機的刀具進行了失效分析，采用ANSYS/LS_DYNA對鋸切過程和鋸片的動態失穩進行了仿真，為鋸片的失效提供了理論研究。圖2為鋸盤式修剪機械。

2.1.2 飛鏢刀式修剪機。張德學等[17]研制的PJS-1 型兩翼式葡萄剪枝機，通過液壓馬達帶動飛鏢刀對葡萄進行修剪，一次作業實現了雙行葡萄藤頂部和側部的修剪，解決了葡萄園人工修剪作業勞動強度大、耗費時間長、作業成本高等問題。圖3為B.M.V公司的飛鏢刀式修剪機械。

2.2 往復式修剪機

意大利20世紀70年代葡萄作物引入了適合機械化修剪的日內瓦雙簾式種植模式，將自支撐臂安裝在拖拉機的切割單元上，在切割線周圍形成一個C形切割或“盒子”切割。意大利Stefano Poni[18]將簾式修剪機安裝在拖拉機上，修剪鉛線為警戒線以上的直立生長枝條，提高了修剪效率且適用于葡萄、蘋果、梨等果樹。陳魁研發3PJ-1型龍門葡萄剪枝機，采用液壓器伸縮支撐臂調節切割器，實現了作業幅度和角度的無極調節。圖4為往復式修剪機械。

2.3 藤蔓剝離修剪機

藤蔓剝離修剪方式適用于葡萄冬剪，采用一對轉向相反的夾持輥子高速旋轉，將枝條快速嚙合到2個輪子之間，枝條被快速拔斷，隨后枝條被拋送到地面。圖5為藤蔓剝離機。

3 自動化修剪機

進行果樹自動化修剪，首先應采集果樹樹枝特性，了解果樹冠層形狀，建立果樹三維模型，經算法計算后計算機篩選需要修剪的枝條，枝條修剪機械臂將枝條剪去。

3.1 果樹虛擬模型構建

隨著信息技術的發展，可視化的虛擬植物建模，計算和分析為新型的果園人員培訓提供了虛擬修剪的技術平臺。為得到比較準確的果樹三維模型，采用A系統、分支技術、粒子系統、蕾變化、分布生長、L系統等方法搭建模擬系統，應用于對果園修剪人員的技術培訓。

3.2 果樹圖像識別

果樹株間距較小、每個分支不需要更多的二級及三級分支的果樹高紡錘體籬笆墻式種植模式為自動化修剪提供了便利條件。通過機器視覺技術實現果樹枝條的自動定位和選擇是實現自動化修剪的關鍵環節。Naugle[19]、Ochs等[20]、Mcf-arlane[21]、Gao[22]采用了2D相機和圖像識別技術識別葡萄樹的剪切位置，由于缺少另一維度的位置信息，從二維生成三維的圖形比較困難。采用3D機器視覺系統檢測和識別果樹需要修剪的枝條，模擬人的選擇性修剪是自動化修剪的核心及關鍵（圖6、7）。

4 發展趨勢

目前，國內對于果樹枝條的修剪主要以人工作業為主，而機械化、智能化修剪技術及其機械設備研究較少；國外與栽培模式相配套的果樹枝條修剪機械化技術較成熟且機械裝備類型較多[23]，為國內栽培模式變革下的新型果園果樹枝條修剪機械配套提供了技術參考。一是刀具材料性能提升。刀具的材料性能關系到修剪刀的鋒利度、使用壽命及性價比，通過研發果樹枝條修剪專用的刀具材料，提升國產枝條修剪刀具的市場占有率。二是智能化修剪技術不斷提升。隨著人工智能等技術向農業工程的延展，果樹冠層的識別與枝條空間分布定位技術不斷完善，果樹枝條智能化修剪技術及機械裝備愈來愈成熟。

5 參考文獻

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