核桃機械化收獲裝置研究現狀與展望

摘要：核桃是我國重要的經濟作物，其收獲具有采收時間短、收獲環境復雜等特點。隨著近年來我國核桃產量的快速增長，現有的收獲技術制約著核桃產業的發展，核桃機械化收獲存在的問題逐漸凸顯，核桃機械化收獲體系亟需完善。國內外現有的核桃機械收獲裝置可分為分段式與采收一體式，通過總結核桃機械化收獲裝置的結構、特點以及工作原理，指明現階段核桃機械化收獲裝置存在自動化水平不足、裝置集成化程度低、地形適應能力不足、作業效果差等問題，并對核桃機械化收獲裝置未來的發展提出建議，為核桃機械化收獲裝置的改進與創新提供方向與思路。未來核桃收獲機械的發展應全面面向自動化、智能化、集成化、擁有更強的適應性與可靠性，以滿足不斷發展的核桃產業的需求。

關鍵詞：核桃；收獲機械；自動化；智能化；集成化

中圖分類號：S223.9" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 08?0001?08

Research status and prospect of mechanized harvesting device for walnut

Li Bin1， Yang Xingyu1， 2， Liu Xiangxin1， Gao Xiaolong1， 2

（1. Machinery and Equipment Research Institute， Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Sciences， Shihezi，"832000， China； 2. College of Mechanical and Electrical Engineering， Shihezi University， Shihezi， 832000， China）

Abstract： Walnut is an important cash crop in China， its harvest is characterized by short harvesting time and complex harvest environment. With the rapid growth of walnut output in China in recent years， the existing harvest technology has gradually begun to limit the development of walnut industry， the problems of mechanized walnut harvest are gradually highlighted， and it is the general trend to improve the mechanized walnut harvest system. The existing mechanical harvesting devices of walnut at home and abroad can be divided into segmented and integrated harvesting devices. By summarizing the structure， characteristics and working principle of the mechanized harvesting device of walnut， it is pointed out that there are some problems in the mechanized harvesting device of walnut at this stage， such as insufficient automation level， low integration degree of the device， insufficient terrain adaptability and poor operation effect. Some suggestions are put forward for the future development of the mechanized harvesting device of walnut， and the direction and ideas are provided for the improvement and innovation of the mechanized harvesting device of walnut. In the future， the development of walnut harvesting machinery will be oriented to automation， intelligence， integration， with stronger adaptability and reliability， to meet the needs of the constantly developing walnut industry.

Keywords： walnut； harvesting machinery； automation； intelligence； integration

0 引言

我國的核桃產業在種植面積與產量方面均穩居世界第一。近年來我國核桃產量增長迅速，從2015年的3 331.7 kt到2022年的6 241.5 kt，以平均每年415.7 kt的增速向上攀升。核桃種植企業數量也呈現出持續增長的態勢，到2022年，全國注冊的核桃種植企業數量已經超過7萬家。由此可見，核桃已經成為我國重要的農業經濟產物[1]。

核桃的成熟期一般為9月30日—10月10日[2]，提前收獲會使得核桃不成熟，過晚收獲會導致核桃患上疾病，造成其中營養物質的流失。核桃內的營養成分達到峰值后，隨著時間的增加，口感、商用價值均會下降。核桃的適宜采收期短，只有根據核桃的不同用途在合適的時間段內迅速收獲，才能使核桃的使用價值最大化。由于核桃樹高大，種植地多為山地、丘陵復雜地形，且種植規模大，收獲的時間難以把控，核桃的品質無法得到保障。而現有的核桃收獲裝置對地形適應能力差，不同的地形需要更換不同的收獲裝置，且自動化水平不足，收獲機械在工作時對人的依賴程度大，此外，現有核桃收獲機械在收獲時，由于自身的沖擊力，收獲的核桃果實中往往含有大量的樹葉與樹枝。因此，發展自動化程度高、適應性強、功能完善、可靠性好的核桃收獲裝置尤為必要。

國外對林果類收獲機械的研究起步較早，但對核桃收獲裝置的相關研究較少，主要是針對橄欖、開心果、柑橘以及杏子等果實的收獲，并且已經形成了一套完整的采收體系。國外的先進收獲裝置由于其過大的體型以及高昂的成本，并不適宜在我國復雜的種植地形使用與普及。通過學習和借鑒，我國研發的體型多樣、工作形式多樣，具有針對性的核桃收獲裝置更能適應多樣化的種植環境，但在收獲裝置功能的完整性、自動化程度、智能化程度以及工作效果等方面，現有的收獲裝置仍有較大的進步空間。

目前國內外的核桃機械收獲裝置種類較多，大體上可以分為核桃分段式收獲裝置和采收一體化裝置。分別總結分析其研究現狀及相關特點，介紹目前這些收獲裝備的相關特點與工作原理，以期為核桃收獲裝置的改進與創新提供方向與思路。

1 分段式核桃收獲裝置結構及特點

1.1 振動式核桃采摘裝置

振動式核桃采摘機主要包括動力源裝置、液壓控制裝置、傳遞系統以及振動執行裝置等[3]，一般通過機械式裝置產生一定頻率的振動使得核桃獲得向下的加速度，突破果柄的束縛從而實現采摘。采摘裝置根據振動位置的不同分為樹干振動式、樹冠振動式以及樹枝振動式。常用的激振裝置有曲柄連桿機構、曲柄滑塊機構、曲柄搖桿機構以及由偏心塊構成的偏心振動機構。

樹冠振動式核桃采摘裝置主要由液壓馬達、聯軸器、機架、曲軸主軸、曲柄滑塊總成等組成，如圖1所示。工作時與裝載機配合，使采摘裝置靠近樹冠，液壓馬達輸送的動力帶動曲柄滑塊機構做往復運動，使得撥桿圓盤旋轉，圓盤上的撥桿不斷擊打樹冠讓核桃產生的慣性力能夠擺脫果柄的約束而掉落。該機結構簡單、采收效率高，并且其撥桿的布置形式使得該機對樹枝具有一定的梳理效果，能降低對樹枝的損傷。

鄒志勇等[4]設計了一款樹干振動式核桃采摘裝置，如圖2所示。該裝置由夾持臂、夾持液壓缸、振動偏心塊等構成。夾持臂由液壓缸驅動，工作時液壓缸提供的動力帶動最前方的夾持臂向中心收攏夾持住樹干，隨后由液壓馬達驅動的偏心塊旋轉，激振力由偏心塊傳遞到前方的夾持臂中使其產生振動，樹上的核桃受到振動后產生加速度，從而從樹上脫落。該裝置夾持臂以及其他部位分別裝有緩沖彈簧與減振彈簧，因此無論是對果樹還是對人體，裝置振動產生的損害都比較小。該機的振動裝置由6塊偏心塊組合而成，能夠通過不同的組合實現各個方向的振動，更有利于靈活方便地調節振動頻率，以適應不同林果的采摘需求。

2021年，李贊松等[5]設計了一款手動與自動結合的振動式核桃采摘機，如圖3所示。工作時，采摘高度由工作人員依據果樹進行調節，汽油機開啟后，法蘭座在減速機的驅使下向下移動，連接在法蘭座和采摘頭的鋼絲拉動采摘頭，使其夾緊樹枝。行程開關觸頭安裝在動夾緊頭上，當夾子與樹枝接觸后，擠壓開關，將信號傳遞給控制器，直流減速電機接收到控制器傳遞出的反饋信號后，逐漸降低轉速至旋轉停止。這一過程結束后，夾持動作完成。下一步需要人工調節汽油機轉速，使其提供足夠的動力給偏心機構產生振動，實現果實的采摘，這一過程主要通過離合器傳遞動力。當機構開始振動，安裝于采摘頭后端的頻率傳感器便會將頻率信號傳遞給控制器，這使得控制器可依據程序，改變汽油機轉速，對不合適的頻率進行調節。該機構體型小，效率高，適應性強，自動化水平高，但對樹枝的損傷大。對于樹體本身的損傷沒有進行深層分析，振動幅度和時間都是需要進一步考慮的因素。

1.2 剪切式核桃采摘裝置

電力驅動的旋切式核桃采摘裝置如圖4所示。該裝置在正式工作之前需要人為固定裝置的位置，通過伸縮桿將裝置調節到合適的高度。該機由蓄電池提供能源，電能通過導線傳輸到直流電機，使電機以一定的轉速轉動。進而帶動與電機相連的刀片旋轉，實現對核桃的切割。工作中，刀片的轉速可以借助安裝在桿上的驅動器進行調節。該裝置的優點是采摘效率高，只需5 min左右就能完成一顆果樹的采摘，并且結構簡單、操作方便，拆卸后容易攜帶，能適應環境復雜的山地作業。缺點是工作中刀片的旋轉和電機的振動將對果樹帶來較大的損壞，影響果樹的壽命和后續的生長發育。

2020年，吳聰等[6]針對核桃采摘機適應性不強的問題，設計了如圖5所示的一種簡易的旋切式核桃采摘機，主要由伸縮裝置、切割裝置和電動機組成。為了方便在不同環境下使用，選擇蓄電池作為動力源。為滿足伸縮桿伸長時的韌性和強度，其材料為碳素鋼。刀具是主要的工作部件，需具備高硬度、高強度的特點。而鋼材中含有的鎢元素越多，硬度越大，因此刀具材料選用的是含鎢量最多的W18Cr4V。作業時，旋轉機構帶動采摘刀具對樹上的核桃進行旋轉切割。該機結構比較簡單，適用性比較強，經濟且實惠，工作時運行噪音小，易于操控，能在核桃較難采摘的地區發揮良好的作用。但高速旋轉中的刀片易對樹枝造成永久性的損傷。

1.3 拍打式核桃采摘裝置

2017年，曹成茂等[7]依據核桃擺脫果柄的約束力的試驗結果研制了一種模仿人工作業時持棍擊打樹枝的便攜式拍打機構，如圖6所示。該機構主要由汽油機、軟軸、傳動軸、控制裝置、采摘桿以及拍打桿組成。作業時，偏心輪利用傳動軸與軟軸從汽油機傳遞來的動力帶動拍打機構工作，核桃在被拍打中產生大于果柄約束力的慣性力，進而從果樹上脫落。這款核桃采收機機型小，效率高，對果樹的高度適應性強，可以利用快接接頭連接兩根采摘桿進行高度調節，適用矮密種植條件下核桃的采摘。

同年還研發了一款便于進入山地、丘陵進行采摘的拍打裝置，如圖7所示。該裝置采用柔性設計，避免了在工作過程中對樹體造成的破壞。整個裝置主要的部件有伸縮裝置、電機驅動裝置、調速機構和采打機構。該裝置在工作時由鋰電池提供能源，通過纏繞在桿架上的電線為微型直流驅動電機供能，使采打機構做旋轉運動，從而將機構附近的核桃擊落。人工改變伸縮裝置的長度之后可實現10 m以上高度的采摘，能夠很好適應高大樹木的采摘。

核桃采摘裝置的具體形式及優缺點如表1所示。這些采摘裝置雖然都有一定的不足，但它們的出現改變了傳統人工高空采摘作業成本高、難度大、效率低、環境差、危險大的問題，提高了核桃采摘的機械化水平，為進一步實現裝備技術的升級提供條件。

1.4 收集裝置

牛長河等[8]針對新疆矮密種植環境設計的一款倒傘狀果實收集裝置，如圖8所示。該機可用來收集棗、杏、李子以及核桃等。主要由機架、果實收集篷布、導向桿、轉動桿、行走輪以及果實收集箱組成。工作時由人工推動機具前進，在導向桿的引導下使樹干靠近轉動桿支架中心。之后人為拉動轉動桿使收集篷布由向前折疊聚攏的狀態向后展開，從而形成V型的收集面。通過手持振動收集裝置或者拍打裝置讓果實掉落至收集面。果實在重力的作用下順著篷布進入收集箱。收集面直徑為3 m，能有效的對樹冠投影面進行覆蓋，降低了漏果率。該裝置結構簡單、操作方便、成本低、效率高。使用該裝置作業能將資金成本控制在人工作業所需資金成本的50%以下。在效率方面能達到人工作業的6倍。缺點是該裝置屬于純機械結構，自動化程度低，收集過程的每一步驟都對人工有較大依賴。

杜小強等[9]提出了一種小型側翼折展式林果收集裝置，如圖9所示。該裝置主要機構為移動合攏機構、升降機構、側翼折展機構。工作時通過移動合攏機構底部的萬向輪對整個裝置進行移動與定位。升降機構是在步進電機的驅動下運作的，電機的動力傳遞給絲杠，絲杠帶動螺母旋轉，最終實現裝置的升降。平行四桿機構的合攏與展開是側翼折展機構的主要工作原理，側翼折展機構通過平行四桿機構實現整個裝置的張合。通過三種機構間的配合，在果實自身重力的作用下，果實向布置在折展機構表面帆布的中心滑落，從而實現統一收集。該機構適應性強、可靠性好、對空間的利用程度高，對種植在崎嶇山地的果樹具有巨大的實用價值。但是該裝置的帆布所占面積較大，對采摘裝置的尺寸大小與有效作業距離有一定要求，因此工作時需選取合適的采摘設備。

1.側翼折展機構 2.升降機構 3.移動合攏機構

國外的收集裝置起步較早，1974年，Sumner等[10]發明了一種自走式山核桃收獲機，具體結構如圖10所示。

其主要由撿拾裝置、輸送裝置、振動除雜裝置組成。前方的撿拾輥上設置有許多安裝孔，以便將彈性鋼齒和橡膠齒的安裝。為了確保減少撿拾輥與核桃之間的剛性碰撞同時維持撿拾輥的剛度要求，彈性鋼齒和橡膠齒采用分列布置的形式。工作時，隨著機具的前進，前方的鋼板將落地的核桃梳刷成同一高度，進而在撿拾輥的作用下被拋送到后方振動除雜裝置上，清選后進入傾斜布置的輸送帶，在輸送帶的帶動下進入后方的收集箱。該裝置結構緊湊，操作簡單，實現了撿拾、篩選、除雜、收集一體化，是當時較為領先的裝置，其原理現今仍被廣泛運用。

氣吸式的收集裝置主要由清掃裝置、仿形裝置、氣吸裝置、運輸裝置、傳動裝置組成，如圖11所示。工作時依靠V型的清掃輥將散落在地面上的果實聚攏，果實隨著機具的前進被仿形鏟鏟起，在逆向氣流的直接作用下，果實經過輸送管道進入收集箱。該裝置收集效率高、整體尺寸小、適應性強，通過調整氣流的大小可以對不同的林果進行撿拾收集。

手推式核桃撿拾裝置如圖12所示。主要由扶手、機架、彈性夾持機構、導航齒和收集籃組成。夾持機構由韌性優良材料制成的彈性夾持片疊加而成。機架及導航齒均采用成本低、質量輕的材料，便于單人操作機器且能在不采用其他工具的情況下對機具進行拆卸及組裝。整機工作時，通過扶手下壓使前方收集箱的部分向上抬起，在人工的推動及彈性夾持機構的滾動作用下向前行進。分布在地面上的核桃被擠送進夾持機構中，最后通過導航齒的擠壓使核桃進入收集籃。收集籃裝滿后，可直接取出清空后重新安裝，繼續進行果實收集。通過田間試驗得出其撿拾速度為300 kg/h，撿拾率為80%以上。該機機構簡單，操作方便，成本低，效率高，能有效滿足大部分果園收集需求。

機械化收集裝置的工作原理及特點如表2所示。目前中國林果的收集還是以人工收集為主。機械化程度較國外存在較大差距。由于人工收集耗時長、成本高、對人體的損傷大，并且隨著核桃采摘機構的發展和核桃種植面積的不斷擴大，配套的收集裝置的發展成為必然趨勢。

2 核桃采收一體化裝置結構及特點

20世紀80年代，意大利生產出型號為Cimina 300的自走式核桃收獲機[11]，依靠功率為61 kW的渦輪柴油發動機提供動力。該機安裝有3個驅動輪，能在提供足夠動力的同時，減小轉向半徑，從而避免側翻。摘取核桃時，機具前方的刷子高速旋轉將核桃擊落。高度可調且可橫向移動的金屬板接住果實后將其輸送到管道中，在側風機的作用下核桃被送入沉降室。在大的雜質被排出后，另一個風機會配合旋轉篩對核桃進一步的清潔。Cimina 300在進行收獲效率一般能達到4 300～5 000 kg/h，且在采收階段只需要一個操作員，極大地節約了人工成本。

喬園園等[12]研發了一款適用于不同林果采摘的林果振動采摘機，主要由牽引架、振動夾鉗、接果帆布、行走輪、卷布軸、果實傳送帶、卷布馬達、風機、接果箱、振動箱等組成。工作時，吊架液壓缸驅動夾持臂上下運動，使其夾持到合適位置。卷布馬達帶動卷布向機身側向展開，隨后激振機構開始工作。果實在受到振動后落至帆布上，當收集的果實到達一定數量，帆布沿著卷布軸逆時針反卷，其上的果實逐漸落入下方的傳送帶中，被送入集果箱。帆布上的柔性緩沖層，能有效減少果實受到的沖擊。偏心振動機構采用對稱布置，分別安裝在主動軸與從動軸上，兩軸之間通過齒輪進行動力傳輸。該機構效率高，收獲性能好，工作流暢。但激振機構僅由一組對稱布置的偏心塊組成，因此振動方向單一，振動的變化缺少靈活性。

類成朋等[13]設計了一款核桃采收機械手，如圖13所示。其主要由汽油機、太陽能電池板、分流板、遙控剪刀組成。采用汽油與太陽能結合供能方式，適用于山地作業。整個工作部件的進給運動采用鏈傳動的形式，安裝精度要求低，對工作環境的適應性強。工作時，通過傳感器的感應，果實被喂入采摘腔，通過遙控的活動剪刀斷開果柄與果實的連接，之后經過下方的分流板，重量達標的果實直接打開分流板，在重力作用下進入收集網；重量較輕的果實無法穿過分流板，會順著傾斜的分流板從旁邊的的小口流出。該機構安裝了紅外感應裝置，可對果實進行自動搜尋、定位，減少了果實的浪費。但該機械手采摘時是單個抓取，對于一棵樹上大量的果實來說，效率較低。

劉威等[14]設計了一種通過單片機控制的自動采收機械臂，如圖14所示。該機械臂由電動機驅動，其組成主要有履帶小車、底座、大臂、小臂、手腕和抓手。每個不同的機械臂之間設置有一個由伺服電機驅動的關節，以滿足機械臂的運動需求。機械抓手由四塊機械爪構成，分為平口爪和刃口爪，采摘時平口和刃口相互切合使核桃與果柄分離。為確保機械抓手能夠成功抓取核桃進行采摘，其內部裝有接觸傳感器，當核桃被機械爪完全抓取時能夠傳出信號以便機械臂采取下一步行動。機械臂的識別定位系統由DGPS導航和雙目攝像頭組成，攝像頭和末端執行器一起運動，通過收集路面信息和果樹信息實現精確定位與障礙規避。工作時，在識別定位系統和履帶車的共同作用下，機械臂靠近果樹并采摘果實，隨即機械抓手打開，其底部的推桿推動核桃使之進入漏斗箱中。之后機械爪手按設定程序回到初始位置進行下一目標的摘取。該裝置的特點是自動化程度高、響應快，漏果率低，對果樹損傷小。缺點是制造成本高、效率低。

趙嘉輝等[15]提出了一款自動化程度較高的無人機設計方案。無人機通過雙目立體視覺數據和三角定位原理能有效地確定核桃的位置，實現精準采摘。無人機的自動伸縮桿與收納盒相連，伸縮桿可依據果實的位置調整高度和方向。無人機上的機械爪用萬向活動軸與無人機相連，機械手采用旋轉采摘的方式摘落果實，并將其放入收納盒。收納盒設置有上下自動開口，在空中作業時上開口只在機械爪靠近時打開，其余時間自動關閉，避免了空中的不規則運動導致果實被拋出。當收納盒重量達到一定限度，無人機會返航并將果實放入收集箱。這種收集方式作業優點是自動化程度高，最大程度地避免人工作業出現的安全問題，能適應任何種植地形，且果實幾乎不含有雜質。缺點是成本高，易損壞，對枝葉的損傷大。可帶動的果實少且在飛行過程中易受氣流的影響，對天氣環境有一定的要求。

采收一體式收獲裝置特點及工作方式如表3所示。

相較采摘和收集獨立的裝置，采收一體化裝置的整體性更強，自動化程度高，操作流暢性更好，能同時完成果實的采摘與收集，有效避免了分段式收獲時間沒把控好而造成的核桃質量下降的問題，但部分采收一體機還處于研究階段，還不能獲得較好的普及。

3 核桃機械化收獲存在的問題

3.1 自動化程度不足

目前來說，能用于大范圍普及的采收裝置多數是半機械化裝置。對于樹枝振動式采摘裝置以及拍打式采摘裝置來說，在進行采摘作業時，仍需要人工參與調節末端執行機構的作用位置，從而實現核桃地有效采摘。而執行機構的作用位置對果實的采摘效率、樹枝的損傷程度都有較大的影響，這些問題的所在使得對操作人員的經驗和熟練程度有著較高的要求。

3.2 收獲裝置集成化程度低

現有的核桃收獲裝置多數仍是分段收獲的形式。雖然部分裝置已經實現了采摘與收集一體化，但收集之后不能實現即時脫皮與分選。脫皮需要依靠單獨的脫皮裝置或者通過化學方法脫皮。脫皮不及時易造成核桃青果皮產生褶皺以及炭疽病，而依靠人工對核桃進行分選則會帶來成本的大幅上升，無法實現經濟效益最大化。

3.3 收獲裝置與種植環境不匹配

我國的核桃機械化收獲起步晚，不同地區多年來形成的農藝不同，現有的一些收獲裝置往往只針對某一地區特定種植模式，機械設備不能與不同種植栽培模式配套。一些陡峭、崎嶇的地勢會對大型的核桃采收設備的通過性產生較大的限制，易對設備造成損壞，使機具不能最大限度地發揮其應有的采收水準。輕小型采收裝置能夠適應復雜地形，但其工作效率低的問題較為突出。

4 提高核桃機械化收獲水平建議

4.1 提高農藝與農機裝備之間的匹配程度

加強農藝與農機的結合，找到不同種植模式之間的共性，研制能普遍適應的機械裝備，使種植模式與采收機械互相配合、相輔相成。動態地解決這一長期存在的矛盾，提高核桃的收獲質量和采摘效率。

4.2 深化對果樹物理性能分析

對不同形狀樹枝上不同點位所能承受的振動頻率和強度進行分析。利用圖像識別技術與人工智能技術讓采摘裝置的末端執行機構能自動選擇工作點位并通過計算分析產生最優的振動頻率或者旋轉轉速，提升采摘機械智能化水平，降低對高水平操作人員的依賴。

4.3 加強對裝置集成化的研究

在滿足標準的前提下，結合核桃脫皮裝置和篩選裝置的工作原理，實現不同功能裝置的兼容，完善核桃收獲機械的功能。研發集采摘、收集、脫皮、分選于一體的核桃聯合收獲機械，形成完整、及時的收獲體系，解放生產力，提高工作效率，提升工作質量。

5 結語

適用于平坦種植地形的大規模收獲設備以及用于丘陵山地的便攜式收獲裝置不斷得到開發，其應用也愈加廣泛。采用機械化裝置進行收獲使我國高強度的人工勞動慢慢得到改善，核桃收獲的效率在逐漸提高，收獲的成本也得到有效控制。但相比早在20世紀就已經形成核桃收獲全程機械化生產線的美國，還有較多的問題亟待解決。

與機器人收獲和便攜式機械裝置收獲相比，大型機械化收獲裝置的收獲效率更高，工作流暢性更好，擁有更好的發展前景。但目前機械化收獲裝置的自動化程度、集成化程度都處在一個較低的水平。未來應加強這兩方面的研究，將圖像識別技術、人工智能技術和可拆卸性設計與機械化收獲裝置相結合，打造自動化程度更高、適應性更強、功能更完善、工作性能更可靠的新型核桃收獲裝置，實現更加全面的機械化。

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