淺談果園機械化套袋技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用

趙 映，張健飛，金 月，韓 余，宋志禹

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇南京 210014）

1 技術(shù)背景

2015年，全世界水果種植面積約5 207.2萬hm2，總產(chǎn)量近52 463萬t。中國是水果的主要生產(chǎn)國之一，2015年水果栽培面積約976.8萬hm2，總產(chǎn)量約8 394萬t[1-2]。人工套袋每個工人每天能套袋800～1 200個。果樹的高度一般為3 m左右，人工需要借助梯子進行作業(yè)，同時還需要不斷地移動作業(yè)位置，勞動強度和危險性非常大，實現(xiàn)自動化水果套袋技術(shù)勢在必行。

果實套袋技術(shù)是20世紀70年代初由日本引入我國，后逐步應(yīng)用果園生產(chǎn)。迄今為止，梨、桃、柑橘、蘋果、葡萄等產(chǎn)業(yè)均廣泛使用水果套袋技術(shù)，其優(yōu)點在于能提高果實病蟲防治，增加果實品相。按水果套袋材質(zhì)主要為：PE塑料薄膜、紙袋二種果袋，二者均較廣泛使用。由于紙袋具有透氣、無污染等優(yōu)勢，目前使用量較PE塑料薄膜使用率高20%左右。由于果實生長分布范圍大，果實與枝葉交互干涉，常常出現(xiàn)多個果實同位置生長形成串簇，且套袋材料為紙質(zhì)材料與塑料材料，具體實施機械化套袋難度非常大。實現(xiàn)半機械化連續(xù)套袋作業(yè)，機構(gòu)需完成：送袋、撐口、套袋、封口四個環(huán)節(jié)作業(yè)；實現(xiàn)全自動機械化邊續(xù)套袋作業(yè)，機構(gòu)需完成：送袋、對靶、撐口、套袋、封口五個環(huán)節(jié)作業(yè)。

上述諸多技術(shù)難點，導(dǎo)致水果套袋作業(yè)一直依靠人工作業(yè)，水果套袋機械化作業(yè)一直是行業(yè)關(guān)注的一個熱點問題。

2 塑料袋水果套袋機具研究現(xiàn)狀

塑膜套袋技術(shù)是經(jīng)多年發(fā)展，現(xiàn)已逐漸推廣，已形成系統(tǒng)、成熟的塑料膜生產(chǎn)技術(shù)。近年也推出一些適用于PE塑料膜套袋的相應(yīng)機械，并已在局部地區(qū)開始示范。塑料膜套袋機械，其主要工作原理是利用膠棒、吸盤、掛針機構(gòu)等將塑膜袋拉開，利用塑料膜受熱熔合特點進行加熱封口，主要封口方式通過熱電阻絲加熱完成。

圖1為一種塑膜套袋器，操作時，先將塑料膜袋開口端穿于鐵釘9，有序疊放在下端手柄4。起袋作業(yè)：手動拉到控制柄13至近端，按下上部手柄1，在上膠塊10的作用下粘起果袋；撐口作業(yè)：手動推動控制柄13推到遠端，按下上部手柄1，則在上、下膠塊10和8的作用下，把果袋口拉開；對靶作業(yè)：人工將水果從透孔放入拉開的果袋；封口作業(yè)：重壓合攏上、下手柄，壓縮下膠塊的支撐彈簧7，使得上、下熱熔壓條11和5緊緊壓在一起，熔合袋口完成封袋[3]。

圖2為一種樹冠果實套袋機具如圖2所示，手柄6的一端具有開口朝上的套袋盒5，套袋盒5的四角分別裝有與之構(gòu)成垂向移動副的復(fù)位座2和具有上、下極限位置的鎖緊桿22，復(fù)位座2和鎖緊桿均在相應(yīng)的彈簧作為下趨于上極限位置，鎖緊桿的下方裝有固定于套袋盒的電磁吸盤20；復(fù)位座2上支撐有上、下疊置的一組套袋卡銷，套袋卡銷內(nèi)端的倒鉤鉤住套袋趨于彈性收攏趨勢的袋口；當電磁吸盤20失電時，鎖緊桿處于上極限位置擋住套袋卡銷，套袋處于袋口撐開狀態(tài)；當電磁吸盤20得電時，鎖緊桿吸至下極限位置，釋放最上層的套袋卡銷，相應(yīng)的最上層套袋處于袋口收攏狀態(tài)。套袋盒5的頂部兩側(cè)分別鉸支有主電機3通過傳動皮帶4驅(qū)動的驅(qū)動螺桿7和與之平行的導(dǎo)向桿12，驅(qū)動絲桿7通過自身兩端的反向螺紋與作為封口裝置的開合封膠電熱棒10的兩端構(gòu)成螺旋副。因此，操作時借助手柄將果實對靶置于撐開的套袋內(nèi)，再操控電磁吸盤得電，最上層的套袋即可自動袋口收攏將果實套住。接著，下層套袋在復(fù)位座的上升作用下，次上層變成最上層，鎖緊桿回復(fù)原上極限位置擋住套袋卡銷，使此次的最上層套袋依然處于袋口撐開狀態(tài)，待下次套袋作業(yè)；完成果實套袋后，操控電機，通過螺旋副使封膠電熱棒對合加熱加壓封閉袋口，再返回分開狀態(tài)的原位，從而高效自動實現(xiàn)手工難以完成的封袋操作[4]。

圖2 塑料膜套袋機

3 紙袋水果套袋機具研究現(xiàn)狀

由于紙袋與塑膜袋材料有本質(zhì)區(qū)別，其決定了送袋機構(gòu)、撐口機構(gòu)、封口機構(gòu)原理均截然不同，二者在工作原理、實現(xiàn)方式存在本質(zhì)區(qū)別，相對于塑膜套袋機械方式，紙袋套袋機械套袋在結(jié)構(gòu)上、實現(xiàn)方式上更為復(fù)雜。

目前，市場上還有一種針對紙袋手攜式水果套袋機，整機由送紙機構(gòu)、撐口機構(gòu)、封口機構(gòu)等組成，該機通過電機驅(qū)動輥輪送紙，氣吸盤實現(xiàn)紙袋撐口，夾持式釘針封口機構(gòu)實現(xiàn)紙袋封口，整機采用一體化設(shè)計，僅需人工對靶，具有一定的商業(yè)化前景。但實際上存在對靶中易拉傷、拉斷果柄；整機較重，少數(shù)套袋手臂無負重感，作業(yè)半小時后人明感不適。

4 發(fā)展趨勢

1）自動化。隨著工業(yè)自動化的普及與成熟，自動化控制技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中應(yīng)用成功案例越來越多，自動化技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)過程中不可替代。而水果套袋分解步驟多，各動作銜接要求高，而自動化技術(shù)能補缺機械機構(gòu)難遠程控制，機構(gòu)輕量化實現(xiàn)，控制精準化等特點，是發(fā)展必然選擇。

2）智能化。隨著信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)等普及，農(nóng)業(yè)裝備智能化是未來發(fā)展趨勢。而水果全自動套袋需完成送袋、對靶、撐口、套袋、封口等五個環(huán)節(jié)作業(yè)，其中對靶作業(yè)需具備一定的智能識別、定位功能，而隨著計算機圖像識別、光譜定位等技術(shù)應(yīng)用能解決這一瓶頸難點，實現(xiàn)水果全自動化田間套袋作業(yè)。

3）差異化。從目前研究現(xiàn)狀來看，套袋機械有兩個主要發(fā)展方向：一種是以國外、國內(nèi)內(nèi)部分高校研究所等為代表的“智能化”發(fā)展方向，主要采用底盤自行搭建，配備無人駕駛、自動導(dǎo)航、路徑規(guī)劃功能，機器手結(jié)合圖像處理功能，實現(xiàn)水果全天無人智能化套袋，其造價昂貴，應(yīng)用場景要求高，難以實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。另一種是以國內(nèi)農(nóng)民發(fā)明家、部分產(chǎn)地企業(yè)，以塑膜套袋、紙袋機械為代表的專用式、半機械化發(fā)展方向，其結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，輔助作業(yè)居多，使用效率不高，操作時間長后較不方便。

4）紙袋優(yōu)先原則。近年，生態(tài)農(nóng)業(yè)的理念已深入人心，塑膜袋相較紙袋會產(chǎn)生大量的廢舊塑料袋，造成污染；紙質(zhì)果袋經(jīng)風(fēng)吹、雨淋能自然分解，不會對環(huán)境造成污染。塑膜袋一般為白色透明材質(zhì)，不會影響水果生長光合作用，但紙袋優(yōu)果率、表面光潔度等指標優(yōu)于塑料袋。總體而言，紙袋更具有發(fā)展與應(yīng)用前景。