果园修剪机械的发展现状与趋势

付 威，刘玉冬，坎 杂，潘俊兵，崔 健，张慧明

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003)



果园修剪机械的发展现状与趋势

付 威，刘玉冬，坎 杂，潘俊兵，崔 健，张慧明

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003)

新疆特色林果产业对提高当地农民收入、稳定边疆具有重要的意义。近年来，在自治区政府的支持下，新疆特色林果种植面积迅速增加，规模化果园相继出现，由此带来的劳动力不足、生产成本高等问题开始凸显。随着果园机械需求的不断增加，开沟、施肥、喷药、收获等相关机械发展迅猛，果园机械化程度不断提高，而占果园生产工时较大的修剪机械却被忽视。为此，论述了果园整形修剪的意义，介绍了果园修剪机械的发展现状，阐述了相关修剪机械的工作原理，并概述了目前修剪机械存在的问题。最后，分析了林果修剪机械的发展趋势,并对林果业的发展进行了总结。

果园机械；修剪；发展现状

0 引言

我国是林果生产与果品消费大国，自20世纪90年代以来，我国林果栽培总面积和总产量稳居世界首位。目前，我国林果产业已经成为继粮食作物、蔬菜之后的第三大种植产业[1]。新疆依靠优越的地理位置及特有的光热条件，已成为我国重要林果产区。截至2014年底，新疆特色林果种植面积已突破146.7万hm2，其中红枣种植面积已达50.7万hm2，位居全国第1位[2]。新疆林果种植业的迅速发展，促进了果园机械的市场需求[3]。

果园整形修剪能够重新调节果树营养化物质和激素的分配与运输、积累与消化，改善果树与周围环境的关系，调节果树各个部分之间的平衡关系，提高果品质量，延长果树寿命，稳定水果产量[4-5]。果园整形修剪作业是果园生产全过程中最重要的环节，是一个季节性较强和劳动密集型的工作。果树整形修剪每公顷所用工时约占整个生产过程所用工时的20%[6]。通过科学合理的整形修剪，有利于果树的立体结果及标准化果园建立，可改善果园机械化作业环境，提高果园收获机械作业效率[7-8]。

1 果园修剪机械的发展现状

目前，果树整形修剪主要采用以人工为主的单枝选择修剪和以机械修剪装置为主的整株几何修剪[9]。前者主要依据不同果树品种的修剪技术要求和所在地的气候条件，进行单枝修剪，是以人工为主、机械协助的修剪方式，该方式对修剪人员技术要求高，修剪效率低；后者主要通过把修剪装置固定在牵引机具上，依靠可以上下移动及左右回转的作业臂，对树冠修剪出一定的几何形状，其切割装置多采用液压驱动，作业效率高，适合规模化种植的果园。以葡萄修剪为例，机械修剪后人工修理和传统手工修剪的葡萄园生产的葡萄有着相似的水果品质(可溶固体与总酸度)和产量[10]。

1.1 单枝选择修剪机具

单枝选择修剪机具主要分为无动力源的手动修剪工具和有动力源的手动修剪工具，如图1所示。

图1 几种单枝选择修剪机具

无动力源的手动修剪工具(如普通修枝剪、太平剪、修枝锯等)一般修剪30mm以下的枝条，完全依靠人力作为修剪动力来源，劳动强度大，耗时费力，大面积的修剪作业时容易对人的关节造成损伤[11]；但由于价格便宜，操作简便，应用最为广泛。

有动力源的手动修剪工具(如电动剪刀、气动剪刀和液动剪刀、太阳能修剪刀具等)大都需要外部提供动力源。修剪刀具一般受到动力源的限制，剪刀一般较笨重，不宜长时间操作[11-12]，目前没被大规模的应用。

1.2 整株几何修剪机械

整株几何修剪机械多用在葡萄园的修剪中。在国外，矮化密植栽培的果园也常采用整株几何修剪。通过整株几何修剪后的果园，可以为后续的机械化管理创造便利条件[6]。整株几何修剪机械根据修剪刀具运动方式的不同又分为回转式修剪机械和往复式修剪机械等。

1995年，英国的Spencer A.Grant设计了一种拖拉机侧挂圆盘刀式修剪机，如图2所示。其液压驱动的锯齿刀交措布置在刀架上，刀架与竖直方向的夹角通过液压油缸来调整，实现对不同锥度树型的修剪。圆盘刀采用锯齿形的边缘，提高了切割稳定性，交措布置的刀片避免了果树漏剪[13]。该修剪机采用非选择性的修剪方式仅能修剪树的一完整侧面，不能做到单株整形修剪，修剪形式单一，适应性差[14]。

图2 圆盘刀式修剪机

2001年，澳大利亚Fred Spagnolo设计了一种拖拉机前悬挂式的回转叶片葡萄藤修剪机，旋转叶片均采用液压马达驱动。修剪机整机分为上下两个部分：上部用于修剪葡萄藤的顶部，下部分用于修剪葡萄藤的侧枝。修剪机上部与机架之间采用铰接形式，靠弹簧弹力进行复位，当修剪机上部碰到立柱等障碍物时，可以绕铰接部位转动来实现避障，越过障碍物时靠弹簧弹力复位。修剪机下部可以在液压缸的作用下绕中心部位进行转动，从而实现不同高度的葡萄藤的修剪，如图3所示[15]。

2003年，澳大利亚Fred Spagnolo设计了SG修剪机。该修剪机采用龙门形式，通过拖拉机侧向悬挂骑跨在树上进行修剪。整机分为两个立式修剪机构，每个机构上安装多组回转圆盘刀，通过液压油缸调节，控制修剪机构的张开角度，以实现不同树形的修剪。立式修剪机构可实现上下移动，完成对整个树冠的修剪，如图4所示[16]。龙门架式树冠修剪整形机更适于修剪葡萄藤，不能修剪复杂的形状果树冠形。

图3 回转刀片式葡萄藤修剪机

图4 龙门架式树冠修剪机

2015年，石河子大学机械电气工程学院研制了回转圆盘刀式葡萄藤修剪机，该机由机架、4个刀片组成的旋转刀及移动装置等部分组成，由液压马达驱动顶部和侧面的圆盘刀，对葡萄藤顶部和侧面进行修剪，并通过液压油缸移动实现修剪装置水平与竖直位置的调整，如图5所示[17]。该方式圆盘刀式修剪机转速平稳，切割能力较强，高速作业容易造成枝条飞出，适于切割藤蔓较细的枝条。

中国农业大学的徐丽明等人发明了一种葡萄果实外部枝叶修剪机,如图6所示。该修剪机由机架部分、移动旋转部分、叶轮部分及修剪部分等组成。葡萄修剪机悬挂在拖拉机后面，通过控制水平方向的伸缩油缸与竖直方向的伸缩油缸来调整割台的侧向位置与高度，通过高速甩动的打草绳将高速旋转叶轮吸入的葡萄枝叶打掉[18]。该机通过修剪葡萄果实外部枝叶，解决了葡萄枝叶郁闭、通风透光不足的问题，提高了果品质量。

图5 回转圆盘刀式葡萄藤修剪机

图6 葡萄果实外部枝叶修剪机

1.3 往复式修剪机械

意大利Rinier公司设计了一种双往复式切割器的修剪机，在机架顶部和侧面分别安装一个往复式切割器，可通过液压油缸调整修剪高度，实现对葡萄的修剪，如图7(a)所示；该修剪机械可以通过调节顶部修剪刀的角度来修剪矮化密植栽培的果园，如图7(b)所示[19]。

图7 双往复切割器式修剪机

2013年，加拿大的Michel Paquette设计了一种拖拉机前悬挂式自动乔木修剪机,如图8所示。该修剪机水平方向与竖直方向位置分别由两个伸缩杆来控制，竖直方向的伸缩杆在液压马达驱动下可以完成180°的转动，修剪装置在两棵树中间时，可以一次完成两棵树单侧修剪；往复式切割装置在液压马达的驱动下可以在竖直方向上实现360°的回转，从而可以修剪完整的树型；修剪装置在油缸的驱动下，在竖直平面内可以实现90°内的转动，实现不同锥度树型的修剪。该修剪机实现对不同高度、锥度树型的修剪，树型轮廓的修剪是通过控制系统来实现的[20]。此修剪机虽然实现了单株整形修剪的功能，但仅能修剪完整的几何树型，尤其适合修剪圣诞树，不适于复杂树型的修剪。

图8 自动乔木修剪机

2014年，新疆农业大学机械交通学院龙魁等设计了一种具有手动仿形机构的单侧往复式葡萄藤修剪机，在葡萄藤侧面进行修剪。通过手动仿形机构调节行间大小，实现对小行距葡萄的修剪，如图9所示[21]。该修剪机的往复式切割结构简单，功耗小，修剪效率高[22]；对葡萄藤的不同生长状态适应性差，易堵塞；由于往复性切割，惯性力较大，机架振动大，作业速度不宜过高。

图9 单侧往复切割器式葡萄藤修剪机

山东省农业机械科学研究院张德学等人设计了一种PJS-1型两翼式葡萄剪枝机，如图10所示。该机悬挂于拖拉机前部，由左右对称的两部分组成，每部分各由一组顶部及侧面旋转刀组成，通过液压控制刀的转速，一次可以完成左右两侧葡萄藤的侧面及顶面的修剪工作。为了方便后续对枝叶的捡拾，该机设计的左、右两部分顶部的切削刀都是向内旋转，左、右两侧切削刀旋转的方向与机器前进的方向相反。被剪下的葡萄枝叶在旋转切削刀转速的带动下甩向后方，堆积于一行[23]。该机的设计极大地节约了劳动时间，提高了工作效率，并且为后续的枝叶捡拾工作做了准备。

1.左顶部切削部装 2.左侧切削部装 3.机架总成

2014年，意大利的Alberto Dorigoni 设计了一种窗式修剪机,如图11所示。该机在传统的整株几何修剪机的基础上，配备若干个独立的修剪部分。果树的轮廓由传统整形修剪机械来完成，内部枝条则由独立的修剪部分完成，实现整个果树的修剪[24-25]。虽然该修剪机尝试对内部枝条修剪，但是该修剪机械仅能修剪成排种植的矮化密植型果树，不能适应复杂树型的修剪。

图11 窗式修剪机

2 果园修剪机械存在的问题

1)单枝选择修剪存在技术性强、作业条件差、劳动强度大及效率低等问题，不能适应规模化种植的果园。

2)现有整株几何修剪机具主要应用于葡萄藤蔓的整枝修剪，不适于个体树形的整株几何修剪。

3)现有修剪机械的自动化程度还比较低，大部分悬挂在拖拉机上，需要通过人工操作来完成果树的修剪，对操作人员的要求较高，对果园的规范化要求也较高[26]。

4)修剪机械通用性能低，修剪机械大多针对特定的果树，不能做到一机多用[27]。

5)修剪机械适应性差，果园修剪机械水平低，在复杂环境及恶劣条件下无法正常工作[28]。

6)修剪机械普及应用还比较低，机械修剪的认可度、可靠性等对比人工修剪还不具备优势。

3 果园修剪机械的发展趋势

1)针对同种果树不同种植模式及不同果树的通用化修剪机械。应提高修剪机械的通用性，实现一机多用，降低使用成本。

2)针对果树个体自适应整形修剪的修剪机械。目前，整株几何修剪方式采用的修剪机具不能针对果树树冠个体特征进行修剪作业，作业参数不能连续调整，鲁棒性差。因此，设计出根据树型实现自适应整形修剪机械，降低劳动强度，提高修剪可靠性，是当务之急。

3)集多功能于一体的修剪机械。随着修剪机械的推广，单纯的修剪机械不能满足生产需要，集剪枝、收枝、粉碎于一体或修剪喷药于一体的多功能修剪机械将占据主要位置。

4)智能化修剪机械。结合人工智能及相关领域的技术，实现果树精确修剪的智能化修剪机械是未来的发展趋势。

5)以提高果品质量为目标的修剪机械。随着人工成本的不断提高及机械修剪的不断完善，机械修剪将逐步取代人工修剪。修剪机械应由目前以降低生产成本、提高生产效率为主转为以提高果品质量为重[29]。

4 结论

果园的机械化管理对降低水果单价、提高果品质量及提升我国水果在国际水果市场的竞争具有重要意义。为此，设计出适于规模化应用的果园机械，培育出适于机械化管理的果树品种，做到农机与农艺的有机结合，是我国果品产业的必由之路。

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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

国家自然科学基金项目(51365049)；新疆生产建设兵团应用基础研究计划项目(2016AG012)

付 威(1977-)，男(满)，黑龙江五常人，副教授，工学博士，硕士生导师，(E-mail)fuwei001@126.com。

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

S224.9；S233.3

A

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