新疆紅棗收獲機械的研究現狀與發展建議

董云成，李 斌，劉 洋，王 濤，王士國，劉向新

（新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子 832000）

0 引言

近年，新疆地區大力發展林果產業，紅棗的產量持續增長，種植面積在增長后緩慢回落[1-2]，價格在暴漲暴跌后進入穩定狀態，人工成本不斷上升，種植收益呈持續下降趨勢[3]，部分地區出現棗農棄種現象[4]，在紅棗產業化和規模化發展的同時，人工采收已逐漸無法滿足紅棗采收的要求。近十年，為了降低收獲成本，提升收獲效率，降低勞動強度，很多科研人員對紅棗收獲機械進行了探索，研制了多種不同采收方式的樣機，但目前還沒有特別適合新疆紅棗種植模式的紅棗收獲機。

本文主要從采摘和撿拾兩種不同收獲方式的角度對新疆紅棗收獲機械研究現狀進行介紹，探究紅棗機械化收獲中存在的問題，以期為紅棗機械化收獲提供相應思路。

1 新疆紅棗種植情況

新疆紅棗主要以灰棗和駿棗為主，目前大部分棗園采用矮化密植的種植方式[5]，樹形主要有Y型、紡錘型和小冠疏層型等。紅棗樹的株行距隨棗樹樹齡變化而變化，兩年以上樹齡棗園基本采用行距株距4 m×1.5 m的種植方式，棗樹定期修剪，確保株高不超過2.5 m，部分早期的老棗園株高5 m，株距3 m左右。

2 新疆紅棗機械化收獲現狀

新疆地區紅棗收獲分為鮮棗收獲與干棗收獲，根據收獲對象的不同具有兩種不同的收獲農藝，擁有兩種不同類型的收獲機械。鮮棗收獲的農藝為機械采摘→收集→清選→裝箱，該農藝下的收獲機械可稱為采收機械，采用振動原理實現紅棗脫落，下方布有傘形裝置或收集網收集采摘的紅棗，清選后裝箱運輸，該機型適宜樹齡較大的棗園，無法收獲提前落地的紅棗。干棗收獲農藝為自然風干晾曬→打棗→集條→撿拾→除雜→裝箱，該農藝讓棗果在樹上自然成熟增加糖分的同時晾曬風干，成熟晾干后的棗果在重力和風力的作用下大部分會脫落至地表，與地表落葉形成棗葉混合物，收獲時人工用長竿將棗樹上未脫落的棗果擊落至地表，人工或機械集條后，用機械或氣吸的方式撿拾地面的棗葉混合物，除雜后收集裝箱。干棗收獲也是目前的主流收獲農藝。

新疆紅棗的成熟期集中，鮮棗在9月底10月初收獲，干棗在10月末采收，收獲期與棉花等疊加，收獲時用工量巨大、勞動強度大、雇工難、成本高、效率低，急需適宜的收獲機械來降低勞動強度和成本。

2.1 紅棗采收機

紅棗采收機收獲目標為鮮棗，主要利用振動原理實現紅棗脫落，一般通過給予棗樹樹干或棗樹樹枝固定頻率的振動來強迫棗樹振動，使紅棗果實受到的慣性力大于果實果枝的結合力從而實現紅棗脫落[6]。脫落后的鮮棗由下方傘形裝置或收集網收集，該機型1~2人即可操作，作業效率高，可極大降低人工勞動強度。

紅棗采收機按振動方式和位置的不同可分為抱搖式、騎跨式、激振式、拍振式四種。抱搖式用夾持裝置夾持棗樹樹干，固定后用偏心裝置以固定頻率振動棗樹樹干致紅棗脫落；騎跨式機具騎跨于棗樹上方，通過工作桿拍打或滾筒旋轉等方式振動棗枝擊落紅棗；激振式利用曲柄連桿裝置撞擊樹干，樹干受撞擊后產生自激振動使紅棗脫落；拍振式在樹冠頂部插入拍打桿，利用曲柄滑塊和曲柄連桿機構對樹冠進行振動拍打致紅棗脫落，四種方式均能使棗樹產生受迫振動從而實現采收目的。

2.1.1 抱搖式采收機

2009年新疆農墾科學院湯智輝[7-8]等研制了4YS-24型紅棗收獲機，該機第一次驗證了高頻小幅度振動在紅棗收獲方面的可行性。該機主要由果樹振搖裝置和液壓控制系統等組成，作業時機械手夾持棗樹樹干，由偏心裝置產生振動傳遞至棗樹實現紅棗脫落，脫落后棗果由下方傘形裝置收集，駕駛員一人即可完成所有操作。該機由拖拉機提供動力，作業效率高、機動性好、結構簡易、維修方便、適宜在行距4 m以上，樹干直徑8~20 cm的棗園收獲作業，但采收樹齡較小的棗園時易損傷棗樹。

2.1.2 騎跨式采收機

2012年石河子大學付威等[9-10]研制了4ZZ-4型自走式紅棗收獲機，該機由采摘裝置、輸送系統、自走底盤等組成，作業時騎跨于棗樹上方，撥桿插入樹冠，立軸采摘滾筒旋轉振動棗枝使紅棗脫落，撥桿高度和密度可調，可在行距2.5 m以上，樹高2.2 m以下的筒狀果園進行收獲作業，該機采凈率高，不受株距限制，駕駛員1人可操作，該機適宜樹齡較小且經過修剪的棗園，無法采收樹齡較大的老棗園。

2017年現代農裝科技股份有限公司尹素珍等[11]研制了可變地隙自走式紅棗收獲機，該機主要由采摘裝置、振動裝置、輸送除雜裝置和導流裝置等組成，作業時騎跨于棗樹上方，前部聚攏枝條，采摘柄擺動擊落紅棗，輸送紅棗的同時進行風選除雜，完成清選作業后裝箱，可在行距2 m及以上，樹高2 m以下的棗園作業，該機操作簡易，駕駛員1人可操作，行走轉向的同時底盤可升降，能采摘較低位置的紅棗，損失率小，適合樹齡較小且經過修剪的棗園，同樣無法采收樹齡較大的老棗園。

2.1.3 激振式采收機

2012年塔里木大學[12]研制了一種牽引棒桿式紅棗采收機，主要由傳動系統、擊打裝置和高度調整裝置等組成。該機工作時將動力由拖拉機輸出軸傳遞至擊打裝置，由擊打裝置水平旋轉敲擊樹干或樹枝產生自激振動實現紅棗收獲，該機具有擊打高度可調、成本低、結構簡單、無修剪要求、適宜各樹齡棗園采摘作業等優點，但該機無收集裝置，后期需人工或機械撿拾裝箱，部分被擊落的紅棗會受到車輪碾壓。

2.1.4 拍振式采收機

2018年南京農業機械化研究所梅松[13-14]等研制了拍振復合小型紅棗采收機，該機由拍振關鍵部件、傘形接果裝置和控制裝置組成，由小型挖掘機提供動力。作業時從樹冠頂部插入拍打桿對樹枝進行振動拍打，脫落的鮮棗由下方傘形接果裝置接收。該機可在行距株距不小于2.5 m×0.8 m，樹高小于1.6 m的棗園作業，該機作業效率高，作業高度和作業速度可調，適應性強、成本低，適宜樹齡較小的棗園，對棗園是否經過修剪無特殊要求，但該機難以采集位置較低的紅棗，樹冠插入的拍打桿和棗枝為硬接觸，對棗枝有一定損傷。

2.2 紅棗撿拾機

紅棗撿拾機的收獲目標是干棗，主要通過機械或氣力（氣吸、氣吹）的方式撿拾地面的棗葉混合物，可分為機械式紅棗撿拾機和氣力式紅棗撿拾機兩種。機械式通過刷子或梳齒等直接接觸手段強迫棗葉混合物位移完成撿拾作業，在撿拾完畢向后輸送的同時進行清選，清選完畢后裝箱。氣力（氣吸、氣吹）式是通過大功率風機產生壓力差將地表的棗葉混合物吸起（或氣吹至輸送裝置）清選后裝箱。部分地區會在撿拾前對棗葉混合物進行處理，一般為人工用耙子聚攏成堆或借助消防風機等將棗葉分離后聚集成1m寬的帶狀，處理后可極大提升撿拾機工作效率。

2.2.1 機械式紅棗撿拾機

機械式紅棗撿拾機按撿拾方式不同可分為梳齒式、清掃式和偏心式三種，梳齒式撿拾機作業時將梳齒斜插入地面，隨著機器前行，紅棗被梳齒篩出堆積后進入輸送裝置；清掃式為柔性接觸，采用V型滾刷將紅棗集條后掃入收集輸送裝置；偏心式則是用偏心機構鏟起紅棗向后拋送至輸送機構完成撿拾作業。

2.2.1.1 梳齒式紅棗撿拾機

石河子大學王成霄等[15]設計了一款梳齒式落地紅棗撿拾裝置，主要由集條裝置、撿拾裝置、輸送裝置、清選裝置、行走控制裝置等組成，動力源為柴油機。作業時梳齒入土且深度固定，撿拾機前進篩出紅棗，紅棗在梳齒部位堆積一定程度后可進入輸送裝置，經輸送機構輸送清選后裝箱。該機操作簡便，可在正常作業的同時撿拾低洼地面紅棗，行進速度快、撿拾率高，適宜沙土地，但是該機無法處理土地中較大的石塊及土塊，雜草和棗枝過多時作業一段時間需清理梳齒。

2.2.1.2 清掃式紅棗撿拾機

2018年塔里木大學魯兵等[16]設計了一種清掃撿拾裝置，主要由清掃裝置、仿形收集裝置、輸送裝置和集棗箱等組成，由柴油機提供動力。作業時V型滾刷清掃集條，橫向滾刷配合收集裝置收集，輸送去雜后裝箱。該機1人即可操作，作業寬度大、效率高，可撿拾低洼地面紅棗，滾刷直徑大且高度可調，具有一定防纏繞功能，但該機功耗較高，不易轉向。

2.2.1.3 偏心式紅棗撿拾機

2016年石河子大學張亞歐等[17]設計了一種偏心式紅棗撿拾機，主要由撿拾機構、輸送機構和行走機構組成。作業時撥桿在偏心輪作用下將紅棗從地面鏟起并拋送至鏈式輸送機構，鏈式輸送裝置在輸送的同時完成清選作業。該機操作簡便，作業效率高，可撿拾低洼地面紅棗，但會將較大石塊及土塊一并撿拾，且需定期清理纏繞在撿拾機構上的雜草和棗枝以避免堵塞。

2.2.2 氣力式紅棗撿拾機

氣力式紅棗撿拾機按撿拾方式的不同可分為氣吸式和氣吹式兩種，氣吸式作業時由負壓口吸入棗葉混合物，通過吸棗管后進入輸送機構或清選機構完成撿拾作業；氣吹式作業時由高壓風嘴將干棗吹起并落至輸送機構完成撿拾作業。

2.2.2.1 氣吸式紅棗收獲機

2013年北京意美德通科技發展有限公司[18]設計制造了YE3600A型手推式紅棗收獲機專門撿拾地面紅棗，該機利用高壓風機產生壓強差，在進棗口產生負壓，將掉落在地面的棗葉混合物收入收集箱內。該機需2人操作，可方便地收獲落地紅棗，但該機進棗管較細，容易堵塞，且未設置清選機構，后期需再次清選。

2014年塔里木大學孫鳴儀等[19]設計了一種氣吸式自走紅棗撿拾機，該機主要由動力裝置、行走裝置、風機、除雜裝置和分離裝置等組成，可在行距株距2 m×0.7 m，株高1.7 m的棗園內作業。小型單缸柴油機提供動力并分配送至風機和行走裝置，作業時由1～2人進行輔助，吸棗管吸入棗葉混合物后由柵條篩選除雜，該機配有雜物箱，可對枝葉等雜物進行臨時存儲，篩凈率85.4%，篩選完畢的干棗落入筐中存儲。該機穩定性好、操控便利，可顯著提高生產效率，但該機功耗高，且無法解決風機負壓口作業距離小的問題。

2014年塔里木大學史高昆等[20]研制出YE3600型氣吸式紅棗收獲機，該機主要由吸棗裝置、集棗筐、清選裝置和集塵袋等組成，由汽油機提供動力。作業時棗葉混合物由吸棗管進入，抵達分選管道后進行風選裝箱，該機風選管道獨特，通過管道截面積的大小控制風速的大小，清選效果好，揚塵少、結構簡單、體積小、成本低、可在較小株行距棗園內作業，但該機需人工推拉前行，負壓口作業距離較小。

2017年塔里木大學魯兵等[21]設計了一種氣吸和清掃相結合的新型落地紅棗收獲機，主要由清掃裝置、鏟棗裝置、動力系統和風機等組成，由柴油機提供動力，可在行距株距2.5 m×1.5 m，株高2.5 m的棗園內作業。作業前用消防風機將紅棗聚攏成寬1 m的帶狀，作業時清掃裝置V形滾刷將紅棗聚攏成壟狀，壟狀質量效果與滾刷轉速相關，轉速快則質量效果好，機器前行時，鏟棗裝置仿形鏟將紅棗鏟起后通過氣吸撿拾，仿形鏟可避免撿拾紅棗中較小的土塊和石子等雜質，清掃裝置高低可調，可解決地表紅棗散亂和風機負壓口作業距離小的難題，顯著提高生產效率。

2017年陜西農業機械研究所黨凱鋒等[22]研制了一種氣吸式紅棗撿拾收獲機，主要由雙氣流分離裝置、風機、撿拾吸管、風選機構和集棗箱等組成，汽油機為風機提供動力。該機作業時需2人合作，分別負責手持吸棗管吸棗和推動機器行進，該機吸棗后利用雙氣流分離裝置分離棗葉混合物，分離效果好，含雜率低，不受行距限制，更適宜面積小的棗園。

2.2.2.2 氣吹式紅棗收獲機

2018年石河子大學潘俊兵等[23-24]研制了一款氣吹式落地紅棗撿拾機，主要由氣吹裝置、輸送裝置和集棗箱等組成，由電動機提供動力。作業時風機產生氣流經氣流嘴吹出，將地表紅棗向后吹至輸送裝置裝箱后完成撿拾作業，該機氣流區風壓穩定，結構簡單，可適應低洼地面，解決了氣吸式易堵塞得問題，該機1人即可操作，但功耗高且無自走功能。

3 紅棗機械化收獲存在的問題與發展建議

新疆地區地勢平坦，紅棗大面積種植已成規模，適合機械化收獲，但目前紅棗收獲機械還存在一些問題，制約了紅棗收獲機械的發展與應用。

3.1 結合農藝與農機優化種植模式

除少部分標準化棗園外，大部分棗園為農戶自行種植，種植模式未嚴格統一，種植時未考慮機械化作業問題，管理不夠精細，未能與農機、農藝相結合，目前大中型機械無法進入棗園作業，小型機械在一定范圍內適用，收獲以人工為主，成本高的同時效率不高，棗果運送不方便。

因此，應結合農機與農藝優化棗園種植模式，統一樹形和樹高，在棗樹種植方式和土地規劃平整上做到與農機適應，可以建設一批標準示范性棗園，向棗農展示高效低成本的收獲方式，同時加大機械化作業種植模式的宣傳推廣力度，引領棗農更改種植模式，為紅棗產業機械化收獲奠定一定的基礎。

3.2 結合種植特點開展關鍵裝置的研究

紅棗品質對外形要求較高，碰傷和擠壓都會影響品質和價格，目前的紅棗收獲機一部分是基于蘋果收獲機等改裝而來，還有一部分是借鑒國外先進技術改裝而來，由于紅棗與蘋果等水果存在差異，導致紅棗采收機械始終無法獲得農戶的認可。

從紅棗的兩種不同農藝需求的不同收獲方式來看，機采收鮮棗可代替人工打棗和集條，工作效率高，但易損傷棗果棗枝，無法收獲落地紅棗，落地紅棗易被車輪碾壓，后期需人工再次撿拾，導致總體產量和品質下降；撿拾機撿拾干凈，可有效提升品質，不損傷棗果，但需人工打棗和集條，且機具易堵塞或被雜草纏繞，作業效率不高，增加了收獲成本和收獲時間。

因此，應在滿足紅棗機械化收獲的標準下借鑒國內外其他收獲機，結合新疆紅棗種植特點，針對現有機型的優缺點優化結構，攻關關鍵裝置，尋找不同機型的共性，設計合理的機構，模擬人工打棗和集條作業，研發機械打棗裝置和集條裝置，結合現有的撿拾機械，開發出可一次完成打棗、集條和撿拾作業的紅棗收獲機。

3.3 提高紅棗收獲機械智能程度

機械化、智能化是我國棗產業發展的趨勢，雖然很多人都對紅棗機械化收獲進行了研究，但市面上現有的紅棗收獲機械距離智能化仍有一定差距，采收機和撿拾機兩者智能化程度均不高，操控完全依靠駕駛人員自主判斷，無法做到在提升工作效率的同時降低損失，這也是目前紅棗機械化收獲亟待解決的問題之一。

因此，可以參考國內外堅果和水果機型，結合新疆實際情況，提升智能化程度，做到喂入量、作業速度、風機轉速、輸送速度和清選速度智能調控，以解決部分工作效率問題，如添加實時監測控制模塊，實時監測喂入量、根據喂入量調整作業速度；在吸棗管添加監測裝置，根據喂入量調整風機轉速，避免堵塞；添加防堵裝置或自動疏通裝置，在發生堵塞后自動疏通等。

4 結語

新疆地區的紅棗機械化收獲技術目前仍未成熟，采收機采收鮮棗和撿拾機撿拾干棗兩種不同收獲方式相比較之下，采收機效率高，但對棗枝棗果損傷大，無法采收落地紅棗；撿拾機撿拾干凈，但效率低、功耗大，不適宜大規模紅棗收獲作業，兩種機型均不能使農戶滿意。因此，可以在現有機型的基礎上借鑒國內外相關的林果業機型結構原理和成功經驗，結合新疆紅棗種植特點和目前紅棗收獲農藝，規范種植模式，研究關鍵裝置，提高機械化收獲的智能程度，研制出合適的低損高效智能化機械，推動新疆紅棗產業規模化和智能化發展。