林果机械化采收技术研究及进展

付　威，崔　健，张慧明，坎　杂，王丽红，李景彬

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832003)



林果机械化采收技术研究及进展

付威，崔健，张慧明，坎杂，王丽红，李景彬

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832003)

摘要：机械化采收是林果全程机械化作业中的重要一环，对促进林果产业健康发展和果农种植效益起到了重要作用。近年来，国内外已经对不同林果采收技术开展相关研究和技术探索。首先对国外不同林果机械化收获现状进行介绍，随后介绍了国内林果和机械化收获研究进展，且着重介绍了新疆特色林果采收技术，并对林果采收技术的后续研究方向进行了概述。

关键词：林果；机械化采收；振动收获

0引言

目前，我国果品总种植面积和产量均占世界第1位，已成为种植业中位列粮食、蔬菜之后的第三大产业[1]。截止2013 年底，我国林果种植总面积已突破1 237万hm2，水果总产量已超过2.5亿t[2-3]，林果产业的迅猛发展提升了果园机械的市场需求。

林果收获作业是林果生产全过程中最重要的环节，季节性强，劳动密集，所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的35%～45%[4]。20世纪60年代，国外开始林果业机械化收获研究，根据收获机械采收部件的动力方式不同可分为气力式和机械式。气力式收获机适于收获柑橘、沙棘及黑加仑等；机械式收获机多采用振动、切割、梳下、刷下和刮下等多种方法，适于收获苹果、柑橘、黑莓、沙棘、杏及葡萄等多种林果[5-6]。目前，林果收获机多采用振动式收获，根据激振位置不同可分为树干振动(抱摇)式、树枝振动式和树冠振动式。

1国内外发展现状

1.1　国外林果机械化收获研究现状

1.1.1气力式(气吹、气吸)振动收获研究

气力式收获有气吹式和气吸式两种，主要适于收获柑橘、沙棘及黑加仑等林果。气吹式收获是通过大功率风机吹出高速气流作用于果树树冠，并由导向装置的频率改变气流的方向，使果实振摇产生惯性力，从而使果实脱落。气吸式是利用负压将果实吸入采果装置，果实被负压产生气流脱拽下后经采吸口、吸风道进入沉降室，落到输送带上，树叶等轻小杂物经风机吹送由出风口排除。

Whitney J D和Wheaton T A通过气力式振动采收机对喷洒落果剂的Valencia柑橘进行5个收获季节的试验，结果表明：该方法采收率很低，且气力式振动采收机相对于人工采摘柑橘减产16%。Hutton 和 Lill使用自制的气力式振动收获机和落果剂进行5个收获季节的试验，当柑橘与枝干的连接力小于19.6 N时，采收率超过80%[7-9]。Coppoc 和Donhaiser 研制了一种锥形扫描式风机(Conical Scan Air Shaker)收获柑橘，如图1所示。试验结果表明：当使用化学药剂使果实与树枝的连接力小于22.2N时，收获机能够达到97%的分离率，收获效率可以达到170棵/h[10]。

图1　锥形扫描式柑橘收获机

1.1.2机械式振动收获研究

机械式收获机多采用振动、切割、梳刷等多种方法，适于收获苹果、柑橘、黑莓、沙棘、杏及葡萄等多种林果[7-8]，是国外应用最多、适用性很好的机型。

1.1.2.1树干振动(抱摇、撞击)式收获研究

基于果树树干振动的收获机主要有抱摇式和撞击式。树干振动采摘机主要是利用偏心块回转运动或者是曲柄连杆机构的往复运动，对果树树干施加激振力，使得果树产生受迫振动，达到分离果实的目的。

Whitney 和 Wheaton 使用FMC-4000抱摇式振动收获机对喷洒落果剂的柑橘进行5个收获季节的试验，振动时间3～7s，收获率在90%以上。经研究发现：机采比人工采摘的柑橘减产10%[8]。Hedden等人使用4台不同抱摇式试验样机对Hamlin和Valencia柑橘进行5个采收期的试验，4种试验样机振动模式分别采用线性和多方位振动，收获时喷洒落果剂，每棵果树振动时间为7s。Hamlin柑橘的收获率从64%增加到90%，Valencia柑橘收获率从74%增加到91%[11]。G.L. anco-Roldán对油橄榄进行振动收获时，将油橄榄成熟度(MFI)分为4个等级，在采收中期时，振动时间20s，采收率达到90%以上[12]。D. L. Peterson利用抱摇式振动收获机对樱桃进行收获试验时(见图2)，通过喷洒乙烯，果柄连接力200～300g，单侧振动，果实采收率达到85%；多方位振动，果实采收率在90%[13]。Pacheco和Rehkugler设计了撞击式苹果收获机，采用弹簧激振，撞击速度可以达到5.16m/s，输出能量1151J，可适于采收中等大小的果树[14]。

1.集果箱　2.清杂风机　3.输送链

1.1.2.2树枝振动式收获研究

树枝振动式收获主要用于手持式林果振动采收机。手持式树枝振动采摘机主要是利用拖拉机、柴油机及电机等作为动力源，驱动曲柄连杆机构作往复运动，达到振动树枝的目的；针对不同直径的树枝，夹持机构可进行人工调节。

Coppock使用树枝振动式采收机对没有喷洒落果剂的Valencia柑橘进行3个收获季节的试验，振动时间56s，成熟柑橘落果率76%[15]。Coppock和Sumne等人使用3种树枝振动式采收机进行采收试验， 这3种采收机都会导致减产，但使用落果剂能够降低减产[16]。D.Mann和D.S.Petkau等人通过对沙棘进行振动收获试验，得出在频率25Hz和振幅32mm时收获效果最好[17]。D Erdoan采用惯性激振装置对杏进行收获，采收时间5s、频率15Hz、振幅40mm，获得较佳的采收效果，没发现侧枝和树皮损伤[18]。MateevL.M等人认为采收工作部件撞击樱桃树枝的冲击力为随机函数，在不同工作参数下建立了樱桃振动采收数学模型，在樱桃田间采收试验中，试验结果与该模型预测结果的相关系数约为0.99[19]。S. W. Lee对枸杞(Lycium chinense Mill)进行果柄拉断力测试，不成熟枸杞的拉断力比成熟的枸杞高2.7倍，成熟的枸杞果柄拉断力0.7～1.3N；通过采收试验，确定最佳工作参数区间，激振频率94.7～125.7Hz和振幅25～35mm[20]。

1.1.2.3树冠振动式收获研究

树冠振动采摘机被广泛应用与采摘藤木类的水果，如蓝莓、黑莓及葡萄等水果。树冠振动采收主要是利用梳齿机构对树冠的振动和梳刷作用，使果树枝条振动，从而达到分离果实的目的。

Sumner对Valencia柑橘进行2个收获季节的收获试验，激振器的振幅分别为150、230、300mm， 激振频率1.7～5.8Hz，激振时间10～18s。试验研究结果表明：振幅150mm为最优选择，振幅300mm 为效果最差[21-22]。Peterson使用USDA树冠振动收获机(见图3)，每分钟可采7～9棵树，工作速度1.6～3.2km/h， 收获Valencia柑橘时不用落果剂，收获率80%～90%[23]。2003年，韩国忠南国立大学S. W. Lee et al.对红枣的物理力学特性进行研究，研制一种基于树冠振动的全液压自走式红枣收获机，采收部件下部连接柔性输送管；收获时，液压油缸提升，将采收部件对准树干进行采收，激振频率7.7Hz，试验时间3s，成熟红枣采收率达到95.8%[24]。Jung D.So，Ph.D等研究一种全液压自走式收获机，采用铝制振动拨杆插入树冠上部，进行往复性振动，能够对成熟的覆盆子完成收获作业[25-26]。

1.2　国内林果机械化收获研究现状

我国在20世纪80年代开始林果收获研究，东北农学院张克孝教授先后采用梳刷和振动的原理对黑加仑进行机械采收的试验研究[27]。东北农业大学王业成采用振动采收装置对黑加仑进行收获试验，并对两个品种的浆果进行物理力学特性研究[28-29]。北京林业大学沈瑞珍进行银杏振动落果试验，研究振幅、激振频率和时间与落果率之间的关系，得出银杏侧枝最优激振频率应在1.00～5.25Hz之间，振动时间不应超过11s[30]。宁夏固原地区农机所研制了手工沙棘采收器。宁夏农林科学院研制的枸杞采摘机，也适用于沙棘收获。内蒙古自治区园艺科学研究所研究了喷洒1 000×10-6的40%乙烯利溶剂的沙棘化学采收法。内蒙古林业研究院应用气吸式小林果采收装置进行气吸采收[31]。这些方法可在一定程度上提高工效、改善采收条件，但采收效率低、果树损伤严重。

图3　USDA树冠振动收获机

近几年，我国开始对新疆林果进行机械化收获的研究。2009 年，石河子大学机械电气工程学院针对新疆枣农间作、矮化密植两种模式(占新疆红枣种植面积的90%以上，且树高在3m 以下)，研制了基于树冠振动的自走式红枣收获机(见图4)，采用双拨杆滚筒对称布置树冠两侧；通过3 个采收期的采收试验，初步获得振动拨杆的振幅为15～20mm，激振频率为15～20Hz，采收率>90%[32-33]。

1.机架　2.座椅　3.振荡马达　4.风机　5.集果箱　6.激振装置

2009 年，新疆农垦科学院机械装备研究所研制4YS-24 型红枣收获机(见图5)，与东方红400 型拖拉机配套使用，采用抱摇式收获方法。通过在新疆哈密农十三师进行的田间试验以及性能测试表明：该机生产率和采收率都达到较高水平，机械收获的生产效率与人工相比约提高了4～11倍，能达到50～80棵树/h，可摇落全树83%～98%的果实；但仅适于收获树干直径大于100mm、树高3m 以上的枣树，与新疆当前的矮化密植红枣种植模式不匹配，限制了该机器的适用范围[11,34]。

1.钳式振动头　2.振动头悬挂叉　3.横向液压油缸　4.支臂套管

2011年，南京林业大学机械电子工程学院王长勤、许林云针对我国密植果园模式下采收作业空间小、机械化作业条件差的特点设计出基于树干振摇的偏心式林果振动采收机(见图6)，在新疆阿克苏地区温宿县木本粮油林场核桃林场进行试验。试验结果表明：激振频率对树干全振幅和果实采净率具有显著性影响(P=0.05)，激振频率20 Hz时树干全振幅和采净率达到最大值，分别为8.83mm和92.6%，但振幅过大会对果树树干造成损伤[35]。

1.操作触摸屏　2.空压机　3.履带车　4.电气控制柜

2014年，史高昆等人研制出一种气吸式红枣收获机(见图7)，主要由吸管、风机、3 通管道、分选管道、收集框、机架和集杂袋等部件组成，并采用正交试验设计方法对红枣收获机样机进行了吸拾性能试验，测定了收获机吸口处在不同气流流速下的拾净率、损失率及含杂率。结果表明：气吸式红枣捡拾机吸管口的吸附风速为23m/s 时，各项指标较优，平均捡拾效率为185.4kg/h[36]。

图7　气吸式红枣收获机

综上所述，从国内外关于林果机械采收的研究来看，国外对林果机械采收的研发较早，机型种类较多，而且许多机型己被大量推广应用到实际生产中，但是并不适用于国内果园的种植模式。国内目前的研究尚处于起步阶段，研发的机型较少，主要设计了一些小型机具，结构简单，技术含量较低，而且应用到实际采摘过程中的机型非常少。

2总结及展望

1)国内林果种类及种植模式的多样性决定了林果采收机械的多样性，因此仅靠引进国外林果采收机械难以解决国内的林果机械化采收存在的问题，应加强林果采收技术的相关研究，为林果收获机械的设计与研究提供理论依据。

2)目前，林果收获机多采用振动式收获，在一定程度上提高了采摘效率，减轻了劳动强度，但由于大多的振动采收装置多采用强制性振动对树干进行摇振或对果枝进行敲击，以实现果实的脱落。这种方式对果树与果品损伤较大，可以考虑将将强制振动转化为自激振动，或将振动收获与气力式收获相结合，以减少果枝的摩擦损伤和果品的击打损伤，以降低功耗、提高采收效果。

3)林果收集过程中会发生果实间相互的碰撞和摩擦，将造成一部分的果实损伤，为减少果实损伤，应对接收平面材料进行合理的选取，选择缓冲效果较好的材料可以减少果实的机械损伤。

4)我国大部分果园的规模化及规范化程度较低， 因此应大力推广建立适于机采的标准化果园，以降低收获机械设计的复杂程度，达到农机与农艺相结合，使其适用范围更加广泛。

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The Research and Development of Mechanization Harvesting Technology for Forest Fruit

Fu Wei, Cui Jian, Zhang Huiming, Kan Za, Wang Lihong, Li Jingbin

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

Abstract：Mechanization harvesting is a key part of the entire mechanization in forest fruit harvest, it plays an important role in promoting the development of forestry fruit industry and improving the planting benefit of farmers. In recent years, it has been carried out research and technical exploration in different fruit harvest technology at home and abroad. This paper first introduced the present situation of different fruit mechanization harvesting in foreign countries, then introduced the research progress of mechanized harvesting technology for forest fruit in China, and emphatically introduced the mechanized harvesting technology for local special forest fruit in Xinjiang, and summarized the further study of mechanized harvesting technology at last.

Key words：forest fruit; mechanized harvesting; vibration harvesting

中图分类号：S233.4

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0264-05

作者简介：付威(1977-)，男(满族)，黑龙江五常人，副教授，硕士生导师，工学博士，(E-mail)fuwei001@126.com。通讯作者：李景彬(1980-)，男，河南淮阳人，副教授，硕士生导师，工学博士，(E-mail)ljb8095@163.com。

基金项目：国家自然科学基金地区项目(E050601)

收稿日期：2016-01-04