林木平茬机的发展现状及发展趋势

冯凡 杨淑华，2 张秀花 弋景刚 杨欣

1.河北农业大学机电工程学院 2.河北省（邢台）核桃产业技术研究院

引言

从2005 年全国核桃产量49.91 万吨到2017 年达417.14 万吨[1]。可看出，我国核桃产业产量呈逐年稳步增长态势。核桃属于杂合品种，核桃实生苗需经过平茬、嫁接、移等农艺后，才能成长为优质核桃树。平茬是嫁接前的重要农艺环节，平茬质量的好坏对后续农艺有较大的影响[2-4]。查阅国内外相关平茬的文献资料，目前大部分的文献只是针对林木、灌木平茬机的相关理论和专利的研究，针对于核桃苗平茬设备的研究鲜有报道。现阶段核桃平茬主要依靠人工手持剪刀平茬，其效率低下、机械化程度低，易出现斜茬口，茬口高度参差不齐等问题[5-6]，为此研究出一种可降低劳动强度、提高平茬效率、满足平茬农艺要求的核桃苗平茬机很有必要。

1 平茬机国外发展现状

国外对于割灌平茬粉碎设备的研究比较早，在上世纪中期，就对灌木进行了机械化平茬和粉碎研究，经过几十年的发展，现德国、美国、日本等国家对灌木平茬粉碎机的生产、研发技术较为成熟，其主要类型分为小型平茬机和大型割灌机[7]。

小型平茬机主要类型有侧挂式平茬机和背负式平茬机[8]。代表的产品有日本的 UMK422 背负式割灌机[9]、德国的FS120/200/250 型割灌机[10]等。采用硬轴或软轴传动，主要由柴油发动机、传动部件、末端执行部件、操作部件等组成。

2012 年，Chienkuo 工业大学 Chieh-Tsung CHI 等人研制的一种新型的电动切割机[11]，以传统的汽油机为切割机依据，在相似的机构中，替换以锂电池为动力并加入了控制技术，实现了切割刀片转速控制和电子线路保护的功能，其最大的特点是振动小、噪声小、绿色无污染，而且使用成本较低。

2014 年，德国Leibniz-Institute 农业工程学院所研究的林木平茬收获机[12]，配有1000mm 的圆锯片，刀具与刀架相连并径向排列，工作速度为3～5km/h，可切割直径15cm 高10m 的树木。整机包括切割装置、导向装置、进料装置及物料输送桶等部件。为了进一步提升机器的性能，还改进部分机构，增加了行星轮和导向臂来实现导向和控制的效果。

同年，纽荷兰130FB 平茬切碎机收割机[13]，如图1所示，该机械用于收割杨树苗圃，切割机构采用圆盘锯的结构设计，大直径圆盘锯放置在割台底部在圆盘锯片的高速旋转下，设置整机的向前行进的特定速度，使的杨树苗被快速的切断，切割完成后输送到后边的粉碎部位进行粉碎处理，最后通过长嘴的输送桶，输送到后面跟随的收集车筐内。

图1 纽荷兰130FB 平茬切碎机

2 平茬机国内发展现状

我国的灌木类平茬机研究于20 世纪60 年代开始，大多仿制国外的一些设备。

2012 年，中国农业机械化科学研究院的周树辉等人研制出的4GM-200 型自走式灌木联合收获机[14]，如图2，该设备采用双圆盘锯片向内旋转对灌木进行切割，并且配有平茬拨送装置、中间输送装置、粉碎装置，随后抛送装箱，并完成自动翻转卸料装车。作业幅宽达2m，作业面积加大，提高收获效率，既可切割速生林木，也可用于团簇状灌木，包括沙柳和柠条等。实验结果表明，当喂入量达1.3t/h 时，收获面积为0.47hm2/h；当喂入量达2.3 t/h 时，收获面积为0.83hm2/h，快速提升工作效率。

图2 4GM- 200 型自走式灌木联合收获机

2013 年，中国农业机械化科学研究院联合呼和浩特分院的刘志刚等人研制出的自走式灌木平茬机[15]。该设备适用于沙生灌木平茬，由行走、仿形和切割三部分组成。整车使用了横向浮动机构、纵向浮动机构以及电磁制动器，可以实现不同地形进行仿形切割；切割部分以及车的底盘铰接可左右摆动，实现大宽幅切割平茬，提高灌木平茬生产率与平茬质量；且整机采用液压驱动，增大动力；又巧妙的增加了离合器，在平茬装置不工作的时侯，能够与动力输出部分相分离，从而能够降低能源的消耗。在实地试验后，该设备作业幅度1010mm 双圆锯片向外旋转进行切割，其转速 1910r/min；设备前进速度分别为 0.24 m/s、0.34m/s、0.44 m/s，结果表明，茬口的破损率分别为1.7%、2.6%、3.4%，茬口高度均在50mm 以上。

2015 年，北京林业大学马阿娟、俞国胜等人研制出履带自行式沙地灌木林平茬机[16]，该平茬机提出了切割装置地面仿形方法，采用履带行走，提高了沙地的通过性。采用提升链及仿形支撑轮机构，并以柔性的方式的链接，使其实现地面的仿形平茬。并且根据灌木丛的特点刀架设计为倒V 形5 刀片设计，达到对沙生灌木平茬的目的。样机外形长1200mm、宽900mm、高1150mm。在试验场地900m2的小叶锦鸡儿灌木林，分布密度811 丛*hm-2，其湿质量、干质量生物量分别为6012.44kg*hm-2和3763.22 kg*hm-2，含水率34.71%，作业行驶速度3.5km*h-1，移动速度5km*h-1，圆锯片刀直径300mm、转速3600r*min-1，结果表明作业效率243 丛*h-1，留茬平均高度50mm，破茬率低于3%。

2018 年，河北农业大学杨淑华等人发明了一种拨叉式核桃苗平茬机的专利[17]，巧妙的利用拨叉与微齿锯片的组合，可减少茬口的劈裂程度，提高茬口完整性。该机设计由电机的转动带动微齿锯片高速旋转，继而对苗木进行切割，由于拨叉的作用，使得锯片又可以对切断的苗木提供一个支撑的作用，也便于后续的收集。因在核桃苗种植的时，根据苗圃地形不同会发生偏移的情况，同年，杨淑华团队等人发明了一种双圆片刀浮动剪茬机[18]。该机包括剪切装置、夹持装置、仿形轮等，可以实现根据地面起伏自动仿形，切割装置可随苗木的偏移自主调节，夹持装置呈“八”字形，对不同行距的苗木进行收拢和夹持。该设备机构结构简单，既提高了平茬茬口的质量，降低了成本，也为研究核桃苗平茬装置，提供了理论基础。

同年，河北农业大学杨振、杨欣等人所研究的圆盘锯式苹果苗木平茬机[19]，整机包括分禾器、切割部件、传动系统等，动力由拖拉机提供，切割部件主要采用圆锯片、仿形刀片及尼龙绳等，锯片的直径400mm，割幅 1200mm，转速4200r/min；作业速度0.5～5km/h。同年11 月在场地进行试验，结果表明，平均留茬高度344.85mm，平均合格率96.22%。

3 国内外发展现状优缺点

小型的平茬机多用于直径较小的灌木类平茬，其特点是质量较轻，机构小巧，使用起来方便且操作灵活、安全可靠。但都为人长时间背负进行操作，使体力消耗增加，并且茬口高度以及茬口的劈裂度不能保证。大型的平茬机多以集平茬、粉碎、收集等于一体的多功能设备，以液压来驱动，而且技术相对成熟。但是大型的灌木平茬机主要是用于直径较大、平茬茬口要求较低的一些灌木进行平茬，其目的是为了平茬复壮，且对灌木平茬后茬口出现劈裂、毛茬、高度不相同等问题。以上均不适用于核桃苗木的平茬作业，也不满足农艺要求。

目前对于核桃苗木平茬机还处在理论研究阶段，并没有真正的进入样机的试验。为此急需要研究出一种高效的、可降低劳动强度、满足平茬农艺要求、提高平茬效率和平茬质量的适用于核桃苗木平茬设备。

4 平茬机未来发展趋势

目前我国北斗导航系统已部署完全，也将为农业方面提供全天时、全天候、高精度服务，再配合大数据技术、感知技术、机器人技术等实现完全智慧农业。正值中国制造2025，德国工业4.0 等机遇，未来平茬机的发展方向一种智能的平茬作业机器人，可以实现真正的智能化和机械化。