果園修剪機械的發展現狀與趨勢

付 威，劉玉冬，坎 雜，潘俊兵，崔 健，張慧明

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003)

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果園修剪機械的發展現狀與趨勢

付 威，劉玉冬，坎 雜，潘俊兵，崔 健，張慧明

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003)

新疆特色林果產業對提高當地農民收入、穩定邊疆具有重要的意義。近年來，在自治區政府的支持下，新疆特色林果種植面積迅速增加，規模化果園相繼出現，由此帶來的勞動力不足、生產成本高等問題開始凸顯。隨著果園機械需求的不斷增加，開溝、施肥、噴藥、收獲等相關機械發展迅猛，果園機械化程度不斷提高，而占果園生產工時較大的修剪機械卻被忽視。為此，論述了果園整形修剪的意義，介紹了果園修剪機械的發展現狀，闡述了相關修剪機械的工作原理，并概述了目前修剪機械存在的問題。最后，分析了林果修剪機械的發展趨勢,并對林果業的發展進行了總結。

果園機械；修剪；發展現狀

0 引言

我國是林果生產與果品消費大國，自20世紀90年代以來，我國林果栽培總面積和總產量穩居世界首位。目前，我國林果產業已經成為繼糧食作物、蔬菜之后的第三大種植產業[1]。新疆依靠優越的地理位置及特有的光熱條件，已成為我國重要林果產區。截至2014年底，新疆特色林果種植面積已突破146.7萬hm2，其中紅棗種植面積已達50.7萬hm2，位居全國第1位[2]。新疆林果種植業的迅速發展，促進了果園機械的市場需求[3]。

果園整形修剪能夠重新調節果樹營養化物質和激素的分配與運輸、積累與消化，改善果樹與周圍環境的關系，調節果樹各個部分之間的平衡關系，提高果品質量，延長果樹壽命，穩定水果產量[4-5]。果園整形修剪作業是果園生產全過程中最重要的環節，是一個季節性較強和勞動密集型的工作。果樹整形修剪每公頃所用工時約占整個生產過程所用工時的20%[6]。通過科學合理的整形修剪，有利于果樹的立體結果及標準化果園建立，可改善果園機械化作業環境，提高果園收獲機械作業效率[7-8]。

1 果園修剪機械的發展現狀

目前，果樹整形修剪主要采用以人工為主的單枝選擇修剪和以機械修剪裝置為主的整株幾何修剪[9]。前者主要依據不同果樹品種的修剪技術要求和所在地的氣候條件，進行單枝修剪，是以人工為主、機械協助的修剪方式，該方式對修剪人員技術要求高，修剪效率低；后者主要通過把修剪裝置固定在牽引機具上，依靠可以上下移動及左右回轉的作業臂，對樹冠修剪出一定的幾何形狀，其切割裝置多采用液壓驅動，作業效率高，適合規模化種植的果園。以葡萄修剪為例，機械修剪后人工修理和傳統手工修剪的葡萄園生產的葡萄有著相似的水果品質(可溶固體與總酸度)和產量[10]。

1.1 單枝選擇修剪機具

單枝選擇修剪機具主要分為無動力源的手動修剪工具和有動力源的手動修剪工具，如圖1所示。

圖1 幾種單枝選擇修剪機具

無動力源的手動修剪工具(如普通修枝剪、太平剪、修枝鋸等)一般修剪30mm以下的枝條，完全依靠人力作為修剪動力來源，勞動強度大，耗時費力，大面積的修剪作業時容易對人的關節造成損傷[11]；但由于價格便宜，操作簡便，應用最為廣泛。

有動力源的手動修剪工具(如電動剪刀、氣動剪刀和液動剪刀、太陽能修剪刀具等)大都需要外部提供動力源。修剪刀具一般受到動力源的限制，剪刀一般較笨重，不宜長時間操作[11-12]，目前沒被大規模的應用。

1.2 整株幾何修剪機械

整株幾何修剪機械多用在葡萄園的修剪中。在國外，矮化密植栽培的果園也常采用整株幾何修剪。通過整株幾何修剪后的果園，可以為后續的機械化管理創造便利條件[6]。整株幾何修剪機械根據修剪刀具運動方式的不同又分為回轉式修剪機械和往復式修剪機械等。

1995年，英國的Spencer A.Grant設計了一種拖拉機側掛圓盤刀式修剪機，如圖2所示。其液壓驅動的鋸齒刀交措布置在刀架上，刀架與豎直方向的夾角通過液壓油缸來調整，實現對不同錐度樹型的修剪。圓盤刀采用鋸齒形的邊緣，提高了切割穩定性，交措布置的刀片避免了果樹漏剪[13]。該修剪機采用非選擇性的修剪方式僅能修剪樹的一完整側面，不能做到單株整形修剪，修剪形式單一，適應性差[14]。

圖2 圓盤刀式修剪機

2001年，澳大利亞Fred Spagnolo設計了一種拖拉機前懸掛式的回轉葉片葡萄藤修剪機，旋轉葉片均采用液壓馬達驅動。修剪機整機分為上下兩個部分：上部用于修剪葡萄藤的頂部，下部分用于修剪葡萄藤的側枝。修剪機上部與機架之間采用鉸接形式，靠彈簧彈力進行復位，當修剪機上部碰到立柱等障礙物時，可以繞鉸接部位轉動來實現避障，越過障礙物時靠彈簧彈力復位。修剪機下部可以在液壓缸的作用下繞中心部位進行轉動，從而實現不同高度的葡萄藤的修剪，如圖3所示[15]。

2003年，澳大利亞Fred Spagnolo設計了SG修剪機。該修剪機采用龍門形式，通過拖拉機側向懸掛騎跨在樹上進行修剪。整機分為兩個立式修剪機構，每個機構上安裝多組回轉圓盤刀，通過液壓油缸調節，控制修剪機構的張開角度，以實現不同樹形的修剪。立式修剪機構可實現上下移動，完成對整個樹冠的修剪，如圖4所示[16]。龍門架式樹冠修剪整形機更適于修剪葡萄藤，不能修剪復雜的形狀果樹冠形。

圖3 回轉刀片式葡萄藤修剪機

圖4 龍門架式樹冠修剪機

2015年，石河子大學機械電氣工程學院研制了回轉圓盤刀式葡萄藤修剪機，該機由機架、4個刀片組成的旋轉刀及移動裝置等部分組成，由液壓馬達驅動頂部和側面的圓盤刀，對葡萄藤頂部和側面進行修剪，并通過液壓油缸移動實現修剪裝置水平與豎直位置的調整，如圖5所示[17]。該方式圓盤刀式修剪機轉速平穩，切割能力較強，高速作業容易造成枝條飛出，適于切割藤蔓較細的枝條。

中國農業大學的徐麗明等人發明了一種葡萄果實外部枝葉修剪機,如圖6所示。該修剪機由機架部分、移動旋轉部分、葉輪部分及修剪部分等組成。葡萄修剪機懸掛在拖拉機后面，通過控制水平方向的伸縮油缸與豎直方向的伸縮油缸來調整割臺的側向位置與高度，通過高速甩動的打草繩將高速旋轉葉輪吸入的葡萄枝葉打掉[18]。該機通過修剪葡萄果實外部枝葉，解決了葡萄枝葉郁閉、通風透光不足的問題，提高了果品質量。

圖5 回轉圓盤刀式葡萄藤修剪機

圖6 葡萄果實外部枝葉修剪機

1.3 往復式修剪機械

意大利Rinier公司設計了一種雙往復式切割器的修剪機，在機架頂部和側面分別安裝一個往復式切割器，可通過液壓油缸調整修剪高度，實現對葡萄的修剪，如圖7(a)所示；該修剪機械可以通過調節頂部修剪刀的角度來修剪矮化密植栽培的果園，如圖7(b)所示[19]。

圖7 雙往復切割器式修剪機

2013年，加拿大的Michel Paquette設計了一種拖拉機前懸掛式自動喬木修剪機,如圖8所示。該修剪機水平方向與豎直方向位置分別由兩個伸縮桿來控制，豎直方向的伸縮桿在液壓馬達驅動下可以完成180°的轉動，修剪裝置在兩棵樹中間時，可以一次完成兩棵樹單側修剪；往復式切割裝置在液壓馬達的驅動下可以在豎直方向上實現360°的回轉，從而可以修剪完整的樹型；修剪裝置在油缸的驅動下，在豎直平面內可以實現90°內的轉動，實現不同錐度樹型的修剪。該修剪機實現對不同高度、錐度樹型的修剪，樹型輪廓的修剪是通過控制系統來實現的[20]。此修剪機雖然實現了單株整形修剪的功能，但僅能修剪完整的幾何樹型，尤其適合修剪圣誕樹，不適于復雜樹型的修剪。

圖8 自動喬木修剪機

2014年，新疆農業大學機械交通學院龍魁等設計了一種具有手動仿形機構的單側往復式葡萄藤修剪機，在葡萄藤側面進行修剪。通過手動仿形機構調節行間大小，實現對小行距葡萄的修剪，如圖9所示[21]。該修剪機的往復式切割結構簡單，功耗小，修剪效率高[22]；對葡萄藤的不同生長狀態適應性差，易堵塞；由于往復性切割，慣性力較大，機架振動大，作業速度不宜過高。

圖9 單側往復切割器式葡萄藤修剪機

山東省農業機械科學研究院張德學等人設計了一種PJS-1型兩翼式葡萄剪枝機，如圖10所示。該機懸掛于拖拉機前部，由左右對稱的兩部分組成，每部分各由一組頂部及側面旋轉刀組成，通過液壓控制刀的轉速，一次可以完成左右兩側葡萄藤的側面及頂面的修剪工作。為了方便后續對枝葉的撿拾，該機設計的左、右兩部分頂部的切削刀都是向內旋轉，左、右兩側切削刀旋轉的方向與機器前進的方向相反。被剪下的葡萄枝葉在旋轉切削刀轉速的帶動下甩向后方，堆積于一行[23]。該機的設計極大地節約了勞動時間，提高了工作效率，并且為后續的枝葉撿拾工作做了準備。

1.左頂部切削部裝 2.左側切削部裝 3.機架總成

2014年，意大利的Alberto Dorigoni 設計了一種窗式修剪機,如圖11所示。該機在傳統的整株幾何修剪機的基礎上，配備若干個獨立的修剪部分。果樹的輪廓由傳統整形修剪機械來完成，內部枝條則由獨立的修剪部分完成，實現整個果樹的修剪[24-25]。雖然該修剪機嘗試對內部枝條修剪，但是該修剪機械僅能修剪成排種植的矮化密植型果樹，不能適應復雜樹型的修剪。

圖11 窗式修剪機

2 果園修剪機械存在的問題

1)單枝選擇修剪存在技術性強、作業條件差、勞動強度大及效率低等問題，不能適應規模化種植的果園。

2)現有整株幾何修剪機具主要應用于葡萄藤蔓的整枝修剪，不適于個體樹形的整株幾何修剪。

3)現有修剪機械的自動化程度還比較低，大部分懸掛在拖拉機上，需要通過人工操作來完成果樹的修剪，對操作人員的要求較高，對果園的規范化要求也較高[26]。

4)修剪機械通用性能低，修剪機械大多針對特定的果樹，不能做到一機多用[27]。

5)修剪機械適應性差，果園修剪機械水平低，在復雜環境及惡劣條件下無法正常工作[28]。

6)修剪機械普及應用還比較低，機械修剪的認可度、可靠性等對比人工修剪還不具備優勢。

3 果園修剪機械的發展趨勢

1)針對同種果樹不同種植模式及不同果樹的通用化修剪機械。應提高修剪機械的通用性，實現一機多用，降低使用成本。

2)針對果樹個體自適應整形修剪的修剪機械。目前，整株幾何修剪方式采用的修剪機具不能針對果樹樹冠個體特征進行修剪作業，作業參數不能連續調整，魯棒性差。因此，設計出根據樹型實現自適應整形修剪機械，降低勞動強度，提高修剪可靠性，是當務之急。

3)集多功能于一體的修剪機械。隨著修剪機械的推廣，單純的修剪機械不能滿足生產需要，集剪枝、收枝、粉碎于一體或修剪噴藥于一體的多功能修剪機械將占據主要位置。

4)智能化修剪機械。結合人工智能及相關領域的技術，實現果樹精確修剪的智能化修剪機械是未來的發展趨勢。

5)以提高果品質量為目標的修剪機械。隨著人工成本的不斷提高及機械修剪的不斷完善，機械修剪將逐步取代人工修剪。修剪機械應由目前以降低生產成本、提高生產效率為主轉為以提高果品質量為重[29]。

4 結論

果園的機械化管理對降低水果單價、提高果品質量及提升我國水果在國際水果市場的競爭具有重要意義。為此，設計出適于規模化應用的果園機械，培育出適于機械化管理的果樹品種，做到農機與農藝的有機結合，是我國果品產業的必由之路。

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The Situation and Expectation of Fruit Tree Pruning Machine

Fu Wei, Liu Yudong, Kan Za, Pan Junbin, Cui Jian, Zhang Huiming

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

Characteristics of fruit industry in Xinjiang in improving local farmers' incomes, stable frontiers is of great significance. In recent years, with the support of the Government of the autonomous region, Xinjiang characteristic fruit growing area increased rapidly,large-scale orchards appeared,the resulting labour shortages cost problems begin to emerge,Orchard machinery an increasing demand, ditching, fertilizing, spraying, harvesting and related machinery is developing rapidly, increasing mechanization in Orchard, Orchard production hours, larger trim machinery has been ignored. To that end, about the significance of training and pruning of orchards introduced Orchard pruning machine development and describes the relevant cutting machinery works,the current trim outlined problems in machinery.Finally, analyzed the trends of fruit pruning machine, and a brief summary of the development of the fruit industry.

orchard machine; pruning; the development situation

2016-09-28

國家自然科學基金項目(51365049)；新疆生產建設兵團應用基礎研究計劃項目(2016AG012)

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

張慧明(1977-)，女，新疆石河子人，實驗師，博士研究生，(E-mail)a_an_07@qq.com。

S224.9；S233.3

A

1003-188X(2017)10-0007-05