葡萄修剪機研究現狀分析

周艷 韓會敏 蔡文龍 賈首星 何磊 代亞猛 李帆

摘要：合理的葡萄修剪是使葡萄獲得穩產、高產的前提保障。人工修剪葡萄存在勞動成本高、效率低、勞動強度大、修剪質量難以保證等諸多問題，農戶急需要用機械式葡萄修剪來代替手工修剪。概括了葡萄修剪機的國內外發展現狀，分析了未來葡萄修剪機械的發展趨勢。

關鍵詞：葡萄;修剪機;現狀;趨勢

中圖分類號：S663.1? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）21-0005-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.21.001? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Status of Grape Pruning Machine

ZHOU Yan1，HAN Hui-min2，CAI Wen-long2，JIA Shou-xing1，HE Lei1，DAI Ya-meng1，LI Fan1

（1.Institute of Mechanical Equipment，Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation，Shihezi 832000，Xinjiang，China;

2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Shihezi 832003，Xinjiang，China）

Abstract： Reasonable grape pruning is the prerequisite for the stable and high yield of grapes. Artificial pruning of grapes has many problems such as large labor cost，low efficiency，high labor intensity，and difficult to guarantee pruning quality. Farmers urgently need to use mechanical grape pruning instead of manual pruning. The development status of grape pruning machine at home and abroad is summarized，and the development trend of grape pruning machinery in the future is analyzed.

Key words： grape; pruning machine; present situation; trend

葡萄生產是一個季節性強且需要大量勞動力的工作。近年來，農村“老齡化、空心化”現象日益嚴重，農村勞動力快速轉移直接導致從事葡萄生產的人手急劇短缺，再加上雇傭人工費用逐年上漲，對葡萄生產造成了很大的沖擊[1];目前人工修剪存在效率低、勞動強度大、修剪質量難以保證等諸多問題，嚴重影響了葡萄產業的健康快速發展，這已經成為制約中國葡萄產業發展的瓶頸，因此葡萄生產實現機械化迫在眉睫。

1? 葡萄修剪的目的和意義

葡萄為多年蔓生植物，因枝蔓上生有卷須，能纏繞它物攀援上升，上升枝條雖然能接受更多的風和陽光，但由于枝條稠密會使下面的枝條接受風和陽光的機會大大減少，從而導致枝蔓營養跟不上，這直接影響到葡萄的品質和產量[2]。如果任其隨意生長將嚴重影響葡萄的豐產和穩產[3]。因此及時地修剪多余的葡萄藤蔓是獲得豐收和經濟效益的前提保障。

對葡萄進行合理的修剪能確保留下強壯芽，去除一定數量弱的萌芽，從而保證每年能長出良好的新生枝蔓[1];能合理地分配結果的數量和養分的供應，減少不必要的營養流失[4];使陽光照射的更充分，使果實充分著色，提高果實的外觀和品質;減少病蟲的損害，增強果樹的抗逆能力;減少用藥量，便于機械化管理，降低生產成本。

目前，中國大部分地區葡萄修剪工作仍以人工修剪為主，機械化水平不高。相比人工修剪，機械式修剪大大提高了作業效率、減輕了勞動強度、降低了勞動成本、保證了修剪質量。

2? 中國葡萄的種植現狀

2.1? 新疆是中國葡萄的主產區

新疆占中國1/6的國土，由于其光照和地域等自然條件獨特，種植出的葡萄品質好、產量高，再加上面積廣闊，新疆成為中國葡萄主產區。

2.2? 新疆葡萄種植面積和產量穩步增長

近年來，葡萄在中國的種植面積穩步增長，2011年，中國成為居澳大利亞、智利和南非之前排名世界第六的葡萄生產大國。截至2016年，新疆生產建設兵團葡萄的總種植面積已達近5萬hm2，占新疆果樹總種植面積的31.3%[5]。新疆具有生產葡萄得天獨厚的地理優勢，適宜多種類型優質葡萄的種植。近些年新疆葡萄種植面積、單產和總產量都穩步增長。

2.3? 新疆釀酒葡萄種植模式適合機械化修剪

葡萄在每年6-9月需要修剪3～4次，工作時氣溫常常高達30 ℃，存在工作環境差、人工成本高、勞動強度大和效率低等諸多問題。機械化修剪則可以解決這些問題。新疆釀酒葡萄主要采用籬架式種植模式（圖1），立柱多為實心水泥樹樁，少數采用空心鋁制方管，埋入地下部分不少于500 mm;國外發達國家釀酒葡萄立柱多采用木質立柱樹樁。新疆釀酒葡萄栽培一般為行距2 500～4 000 mm，株距500 mm，立柱樁距6 000 mm，普通釀酒葡萄葉幕寬度大于1 000 mm，高度2 000 mm左右。新疆釀酒葡萄種植模式與國外種植模式相似，葡萄藤下部枝條較多且葡萄藤根部與水泥立柱間存在間距[6]，利于機械化修剪。

3? 葡萄機械修剪國內外研究現狀

葡萄的修剪方式主要有兩種：單枝選擇修剪和整株幾何修剪。單枝選擇修剪是根據當地的自然條件和果樹的種植特點按一定原則選擇修剪。該修剪方式技術性強、修剪條件復雜，目前只能通過人工來完成。整株幾何修剪是在拖拉機上安裝可以上下升降、左右轉動的外伸作業臂，臂端裝有液壓驅動的切割器，對樹冠按一定的幾何形狀進行修剪。

3.1? 國內研究現狀

中國對葡萄修剪機械的研究起步較晚。目前中國葡萄修剪還主要以人工修剪為主，機械化水平較低。手工修剪結構簡單、操作方便。主要分為無動力源的修剪和有動力源的修剪[7]。無動力源的修剪一般修剪20 mm以下的枝條，并完全依靠人力提供修剪動力，勞動強度大，耗時費力，長時間的作業容易對人的關節造成損傷。但由于價格便宜，操作簡單，因此還被大量使用（圖2）。

有動力源的修剪（電動剪、氣動剪和液動剪）大都需要外部提供動力（圖3）。修剪刀具一般受動力源的限制，刀具質量一般較大，不易長時間操作[8，9]。

1）電動修枝剪。采用可充電的鋰電池（或鉛酸電池）作為動力源，具有無污染、低噪聲等優點。工作時，將電池背在背上，只需輕按扳機就可完成修剪工作。其攜帶方便，也適合無電源的野外工作，適合剪切0～25 mm直徑的枝條。

2）氣動修枝剪。氣動剪枝機主要包括動力源、空氣壓縮機、氣動修剪工具以及氣動附件氣管、氣接頭等部分。工作原理：按下開關閥（單向閥）時，進入壓縮空氣，壓縮空氣推動活塞運動，活塞桿傳遞給剪刀組件中動刀動力，動刀和定刀咬合完成剪切樹枝動作，動作結束后，由回位彈簧將活塞頂回初始位置，并帶動動刀回位。

3）液動修枝剪。由液壓油缸、控制閥手柄、油管接頭、固定刀片和動刀片組成。工作時，手持把手，操縱控制閥，動刀片在活塞推動作用下繞軸轉動，從而剪斷枝條。液壓剪能剪斷直徑60～120 mm的枝條，剪斷時間2～18 s，有短柄和長柄型兩種剪刀。在作業中，動力機可以放在地上、掛在樹上或背在肩上。液壓傳動的速度和轉矩均可無級調節，振動小、切口平滑、效果好、修剪效率高、造價較高且維修、保養要求比較高，對操作人員技術要求也較高。

華南熱帶作物機械研究所設計制造的3GS-8型修剪整形自動升降臺主要由立柱、伸縮臂、工作臺、修枝剪和前支架組成，修剪工可以通過安裝在工作臺上的操縱手柄來控制工作臺的位置[10]。

山東省農業機械科學研究院張德學等[11]設計了一種PJS-1型兩冀式萄萄剪枝機械。該機采用拖拉機前掛式液壓驅動方式，主機通過機架連接安裝于拖拉機前部，液壓馬達分別驅動左、右及頂部的切削刀旋轉，一次可以完成左右兩側葡萄藤的側面及頂面的修剪工作。該機的使用不僅能夠節省大量的人力成本，降低勞動強度，提高勞動生產率，而且能夠實現葡萄剪枝的連續、高效和機械化作業。

中國農業大學的徐麗明等[12]發明了一種葡萄果實外部枝葉修剪機，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。

2014年，新疆農業大學機械交通學院龍魁[13]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，實現對小行距葡萄樹的修剪。該修剪機的往復式切割結構簡單，功耗小，修剪效率高，但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。

2017年石河子大學機械電氣工程學院研制了一種釀酒葡萄藤修剪裝置[6]。該裝置旋轉刀總成主要由軸承座、刀盤、刀片、主軸、法蘭盤及端蓋等組成。該裝置可以有效調節釀酒葡萄藤修剪的高度和寬度，從而大幅度減輕人工修剪的勞動強度，減少人工成本，顯著地提高釀酒葡萄藤修剪的效率。

2018年新疆農墾科學院機械裝備研究所研制出一種L型釀酒葡萄藤修剪裝置。該裝置采用前懸掛方式安裝在拖拉機上，通過控制開關操作，即可完成葡萄藤側面及頂面的整株幾何修剪，整機結構緊湊，方便實用，能夠滿足釀酒葡萄園的修剪作業要求，修剪效果好，修剪效率高。

3.2? 國外研究現狀

國外對葡萄藤修剪機械的研究起步較早，機型也較齊全，主要以經濟發達的歐美、日本等國家為代表。早在20世紀初期，西方國家就已開始在果園的繁重作業中應用機械，但當時主要使用的是一些簡單的機械式刀剪工具以及使用柴油機和汽油機作為動力來源的小型背負式機械[14]。從20世紀80年代開始，各種園林剪枝專用機械紛紛面世，如剪枝刀、剪枝機、智能剪枝機器手等。發展進程見表1。

國外在葡萄園和采用籬壁式矮化密植栽培的果園多采用整株幾何修剪。其優點是作業速度快，缺點是修剪質量比較粗糙。幾何修剪可以除掉阻礙機械通行的枝條，修剪后的葡萄園有利于后續的作業實現機械化。整株幾何修剪的工具根據切割器類型的不同，又分為往復割刀式修剪機、轉刀式修剪機和圓盤鋸式修剪機[15]。

1）往復割刀式修剪機由一組往復運動的動刀片和作底刃的定刀片組成修剪機的切割器。切割器的控制由液壓系統完成。特點是：割刀結構簡單，功耗小，機械效率高，割茬整齊，修剪質量好;但對不同生長環境的葡萄樹適應差、易堵塞;由于往復慣性力較大，振動大，限制了作業速度;相對于轉刀式割刀和圓盤式割刀工作方式更安全可靠。

2）轉刀式修剪機主要由液壓馬達、液壓缸和裝在機架上的3～6個鋼刀葉片組成。安裝在機架上的液壓油缸用以調整割刀的切割高度與切割方向。液壓馬達帶動刀片高速旋轉來切斷枝條。特點是：方便調整，運轉較平穩，振動小，工作可靠性強;但其功率消耗較大。由于割刀是靠高速旋轉工作的，易造成枝條飛出，引起不安全因素;切割能力較強，適于高速作業，并只適用于修剪比較細嫩的枝條;與往復式割刀和圓盤式割刀相比，其工作效率更高。

3）圓盤鋸式修剪機由兩排安裝在刀架上作回轉運動的旋轉刀盤組成切割器。利用刀盤的高速回轉，削斷枝條。液壓系統控制著刀盤的轉動和刀架位置的變動。特點是：結構緊湊，不需要慣性力平衡，也不會出現堵刀的現象;功率消耗大，割茬不整齊，破碎較多;切割能力較強，適于中、高速作業;利用圓盤刀的回轉運動，旋轉的方向拋撒枝條，可以方便收集枝條，適于條鋪，但是損失較多;比起往復式割刀和轉刀式割刀更適合聯合作業（圖4）。

2001年，澳大利亞Fred Spagnolo[16]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，從而實現對不同高度葡萄藤的修剪。

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[17]。立式修剪機構可實現上下移動，完成對整個樹冠的修剪。龍門架式樹冠修剪整形機更適于修剪葡萄藤。

2014年，意大利的Alberto Dorigoni設計了一種窗式修剪機。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[18]。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[19]。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。

綜上，傳統的手工修剪葡萄藤不僅要求工人有較高的修剪技術，而且作業效率低，長期作業還會對人的關節造成損傷;機械式修剪不僅降低成本，而且效率很高，便于葡萄園的機械化管理。

4? 葡萄樹機械修剪的發展趨勢

4.1? 農機與農藝相結合

國外的種植模式多為標準化的現代大農業，而國內多是傳統的小農經濟模式，不同國家、地區有著不同的農業機械。國外的葡萄修剪技術先進，但也存在售后服務問題，因此在國內的葡萄生產管理中應用較少。中國應該從當前的制造技術、工藝和機械的適用性上設計與制造適合本國葡萄生產管理的機械[20]。這樣不僅在經濟上節約了成本，而且在適用實用上更適合中國國情。

4.2? 高效率

傳統的手工修剪因效率低、成本高，將會慢慢退出歷史舞臺，取而代之的是高效率的機械化作業。采用自動化機械化修剪作業可以有效降低人工作業強度，節省時間，降低成本。高效率的機械不僅體現在完成作業速度快，也體現在多機一體組合的應用。修剪機可以和粉碎機、清掃、噴藥等機械聯合作業，經濟效益將進一步提高[21]。

4.3? 自動化

隨著葡萄修剪機械的不斷研發，將優化出結構更加合理、標準化工作的部件，使操作更簡便安全、維修更方便。從而實現修剪機械的自動化，進一步提高工作效率，降低操作難度，從而實現機械化作業的普及[22]。

4.4? 安全環保

任何機械都是為人類服務的，所以安全可靠、健康環保是設計機械的基本要求。修剪機械由于帶有高速運動的危險性刀具，動力機械一般又是大功率的汽油、柴油機，所以安全和環保問題事關修剪機好壞、實用推廣的成敗。從環境可持續發展的戰略上和操作人員的工作環境來看，葡萄樹修剪機械的低耗、環保是一大趨勢。

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