葡萄叶幕机械化修剪技术及装置研究进展

2021-12-03薛春林杜亚光边永亮李建平王鹏飞冯晓静

现代农业装备 2021年4期

薛春林，杜亚光，边永亮，李建平，王鹏飞，冯晓静

（1.河北农业大学机电工程学院，河北保定 071000；2.沧县自然资源和规划局，河北沧县 061000）

0 引言

葡萄作为世界第二大栽培水果，在意大利、中国、美国和阿根廷等国家广泛种植[1]。截止到2017年，中国葡萄总产量占世界葡萄总产量的11%[2]。作为农村农民脱贫致富、乡村振兴的产业之一，同时由于人民对餐后水果消费量的上升，我国葡萄栽培面积在逐步扩大，对葡萄园生产的机械化配套设备需求日渐旺盛。

葡萄叶幕整形修剪是一个季节性强且需要大量劳动力的工作。近些年，农村老龄化现象日益严重，劳动力成本正在逐年上涨，对葡萄产业的发展造成了巨大冲击[3]。目前葡萄叶幕人工修剪效率低、劳动强度较大、修剪质量难以保证等诸多问题正严重阻碍葡萄产业的快速发展。

1 葡萄叶幕整形修剪的意义

葡萄通过光合作用合成生长所需的淀粉、脂肪和纤维素等物质，因而光合作用的强弱直接导致葡萄的品质与产量。葡萄叶片是进行光合作用的主要部位，叶片数量、结构的变化直接影响葡萄对光能的吸收、转化与利用。改善葡萄叶幕光路是提高葡萄生产力的有效途径[4]。

葡萄为多年蔓生植物，能缠绕它物攀附上升，葡萄叶幕枝条虽然能接受更多的风和光，但葡萄枝条过于浓密会使葡萄树枝底部接受风和光的能力大大减少[5]，从而导致葡萄树枝营养跟不上，直接影响到葡萄的品质和产量[6]。葡萄叶幕枝条过多，影响葡萄叶幕通风透光性，导致葡萄树体严重郁闭。同时，营养生长过于旺盛，会抑制生殖生长，从而导致葡萄品质和产量的降低[7]。葡萄叶幕厚度过低，光合作用制造的能量不能满足葡萄本身正常的生长，会影响葡萄果实的形成[8]。当葡萄叶幕修剪厚度保留在50 cm 时，葡萄果实产量及品质效果最好[7]，因此通过叶幕修剪、修剪老叶及疏花疏穗等措施[4]，可以使葡萄形成不同的叶幕结构从而改变葡萄树体微气候，实现营养生长与生殖生长之间的均衡[9]，最终达到提高葡萄产量及品质的目的。

葡萄叶幕整形修剪要根据新梢长势、树势等因素，对葡萄进行合理的叶幕整形修剪[10]；使葡萄能合理地分配营养的供应，避免营养流失[11]；使光照更充足，使果实充分着色，增强葡萄的外观和品质；能够减少病虫害的发生，增强葡萄的抗逆能力[12]；减少施药量，利于葡萄园机械化管理，降低生产成本。目前葡萄叶幕整形修剪的主要方式为人工修剪，存在劳动强度较大、修剪效率较低、修剪成本高等问题。因此，迫切需要研发葡萄叶幕修剪装置以提高修剪作业效率并实现葡萄园规范化和轻简化生产。

2 单枝选择修剪机械化技术

葡萄叶幕机械化修剪技术主要以单枝选择修剪和整株几何修剪为主。单枝选择修剪是根据当地的树种和自然条件等特点，按一定原则进行选择性修剪。这种修剪方式条件复杂、技术性强，目前只能通过人工操作来完成[13]。单枝选择修剪机械主要类型有手动修枝剪、电动修枝剪、气动修枝剪、液压修枝剪、果园多功能作业机的剪枝装置和智能化修剪机械。

2.1 手动修枝剪

ARS 公司设计了VS-8R 手动剪枝机，通过转动手柄来传递剪枝力[14]，达到修剪枝条效果，仅适用于枝条直径在20 cm 以内的枝条修剪作业。CAMPAGNOLA 公司设计了Star35 气动剪枝机，进行修剪作业时剪枝力为2.12 kN[15]，适用于枝条直径30 cm 以内的枝条修剪作业。BULENT CAKMAK 等[16]研究了不同类型的手动修枝剪对剪枝人员的工作时间和握力值的影响，人工修剪直径在4 cm 以上枝条时，作业比较费力，且修剪质量差。

2.2 电动剪枝机

杨乾华等[17]设计了一种电动绿篱修枝机，由蓄电池提供直流电源，通过直流电机和传动减速装置将动力传递到驱动轮盘和刀具组，最后进行剪枝作业。在环保、节能和降噪方面为新型剪枝机的改进提供了一定的借鉴。方丽珍[18]设计了一种电动修枝机，以电动机为动力，通过凸轮和减速齿轮带动刀片进行修剪树枝。孙健峰等[19]利用HT-500 高温摩擦磨损试验机进行了摩擦试验研究，得出了电动修剪刀片最优的摩擦值。学者研究和实际生产表明：修剪动力、蓄电池续航时间是影响电动修枝剪性能的重要因素。

2.3 气动、液压剪枝机

周波等[20]利用ANSYS/LS-DYNA 软件对果树剪枝的剪切部位进行动力学仿真分析研究，当枝条直径为25 mm 时，修剪部位最大应力为218.67 MPa，最大应力在定刀片刀刃附近，为改进果树剪枝机结构、工作性能和改善其受力状况提供了依据。郭辉等[21]设计了一种气动果树修剪机，适用于25 mm 以内的枝条修剪作业。范修文等[22]设计了一种低矮密植枣园手持气动式修剪机，从整体机械结构、气动回路系统及动力选择进行设计，并对剪切机构进行了动力学参数分析，适当加大剪刀头的张角，以增大剪切力，利于修剪作业。孙坤龙等[23]设计了一种便携式液压剪枝机，通过液压缸驱动剪枝机构，详细分析了液压系统及控制原理，为液压技术应用于便携式剪枝机械提供参考。

2.4 果园多功能作业机的剪枝装置

华南热带作物机械研究所设计了3GS-8 型全液压修枝整形机[24]，其升降、伸缩、摆转和剪枝动作均用液压控制，用以满足对树木进行多种高空作业修剪作业需要。刘西宁等[25]设计了一种LG-1 型多功能果园作业机，由空气压缩机和储气设备为升降机构和气动剪枝机提供动力源，通过操纵开关实现1.5 m范围内任意高度位置的升降作业和高空修剪作业。

2.5 智能化修剪机械

NI 等[26]利用双目视觉原理对果树冠层进行三维建模，保证图像中相应特征点放置在同一水平线上，通过高效大规模立体匹配（ELAS）算法找到视差图，终基于校准相机矩阵以及三角测量方法获得视差图建立果树树冠。BIETRESATO 等[27]利用激光雷达3D立体视觉系统检测植物冠层，通过放射激光获取果树枝干方向、直径、距离等空间信息，根据空间信息对果树冠层进行三维重建。BOTTERILL 等[28]研究葡萄修剪机器系统，利用三目相机建立葡萄叶幕结构的三维模型、通过人工智能系统精确识别需要修剪的葡萄枝条，控制六自由度机械臂实现葡萄叶幕整形的修剪作业。当修剪作业速度为0.25 m/s 时，修剪错误率≤1%，每棵葡萄叶幕整形修剪作业时间为2 min，基本与人工修剪工作效率持平，可实现葡萄修剪的智能化作业。

传统的手工修剪因效率低、成本高，逐渐被高效、轻便的机械化作业替代。单纯的葡萄叶幕整形修剪机械不能满足现代规模化葡萄园生产需要，集剪枝、喷药、果实采摘和运输于一体的多功能修剪机械将在葡萄未来生产中占据着主要地位。随着5G技术的应用[29]，农业机械作业将更加精准化、智能化、高效化[30]；5G 与传感器技术、图像识别技术、3S技术、机器学习技术、设施设备等融入农业生产[31]，为果树智能化修剪提供技术保障。

3 整株几何修剪机械化技术

整株几何修剪是在拖拉机上装配垂直升降、左右移动的液压伸缩装置，臂端装有动力驱动的切割器，对葡萄叶幕按照一定的几何形状进行修剪。

3.1 圆盘锯式修剪机

李常营等[32]利用圆盘锯秸秆切割试验台对仿生圆盘锯片和普通圆盘锯片的切割速度、切割倾角和切割牵引速度等因素进行了研究，得出仿生锯齿锯片（锯条）相对于普通锯齿锯片（锯条）能减小切割力15.87%，降低切割的功耗12.85%。邱述金等[33]利用ADAMS 对切割部件进行了动力学仿真分析研究，验证了圆盘锯切割过程不漏割的条件，为柠条收割机结构参数设计提供了重要依据。刘学串等[34]设计了新型果园宽幅联合仿形修剪机，对修剪机的切割装置机构和机架结构进行运动分析，切割装置长度为3.26 m，切割装置与树的主干线最大夹角为15°，圆盘锯的最低转速为1 911 r/min 时，枝条剪漏割率为7.3%，枝条修剪撕碎率为9%，修剪形状和切割断面质量满足园艺要求，能满足多种果园修剪树形的需求。

意大利BMV 公司设计一种前置式Fl800p 型修剪机，通过液压马达驱动安装在机架侧部和顶部的圆盘锯高速旋转进行果树顶部修剪和侧部修剪，并通过伸缩装置控制修剪的高度和宽度。MARTI 等[35]设计了一种圆盘锯修剪机，修剪装置侧悬挂于拖拉机上，交错布置的圆盘锯避免了枝条漏割，可完成对不同锥度的果树树型进行修剪，提高了修剪效率。

3.2 转刀式修剪机

张德学等[36]设计了PJS-1 型两翼式葡萄剪枝机，并对切削装置进行了理论分析和试验研究，确定了转刀式切割器切割葡萄枝条的最佳转速为1 800 r/min，完成对两行葡萄藤的顶部和侧部的修剪工作。

意大利BMV 公司设计了一种拖拉机前悬挂式的E 系列修剪机，可以完成顶部和单侧的修剪工作；修剪机通过调节液压伸缩装置，进行切割器的位置调节，从而实现不同高度的修剪作业，切割装置由液压马达驱动来完成修剪作业。

3.3 圆盘刀式修剪机

林茂等[37]利用ADAMS 软件对3 种不同形状（矩形、梯形、弯形）圆盘刀片进行了甘蔗切割运动学仿真分析研究，当刀盘的转速为619.727 r/min、机车的前进速度为0.5 m/s、刀片数量为4 片、刀盘的前倾角度为6°时，甘蔗破头率最低，并且弯形刀片的切割器结构相对于矩形和梯形刀片的切割器结构效果更好，为以后甘蔗切割器的设计提供参考依据。李玉道等[38]利用圆盘刀式棉杆切割试验台对棉杆切割的刀片速度、刀片倾角和输送速度等因素进行了研究，通过正交试验验证了影响切割功率的顺序为输送速度、刀片速度、切割倾角，并优化了棉秆切割试验台的相关结构、运动等参数，为设计回转式棉花秸秆圆盘式切割机提供了理论依据。李景彬等[39]利用自制的圆盘刀茎秆切割性能试验台进行了茎秆切割性能试验研究，得出了锤片刀最适合切割棉秆和圆盘刀切割棉杆的最佳刀盘转速，为设计圆盘刀式修剪机提供了理论依据。王哲[40]设计了酿酒葡萄叶幕整形修剪装置，对酿酒葡萄枝条进行了切割性能试验研究，当刀盘转速为1 085.72 r/min、刀盘半径为200 mm、前进速度为1.63 m/s、刀片倾角为9.62°时，修剪效果最好，为酿酒葡萄叶幕整形修剪装置的设计提供了理论基础。

SPENCER[41,42]设计了一种拖拉机侧悬挂圆盘刀式修剪机，采用锯齿形圆盘刀大大提高了切割的稳定性，刀片交措布置避免了果树枝条漏剪。FRED 设计了一种拖拉机前悬挂式、液压马达驱动圆盘刀片的葡萄藤修剪机，修剪机上部与机架之间通过铰接形式连接，通过弹簧弹力进行复位；当修剪机顶部修剪装置触碰到水泥立柱等障碍物时，可以通过铰接部位转动来达到避障效果。修剪机侧部在液压缸的驱动下绕中心部位进行调节，从而能够适应不同高度的葡萄叶幕修剪[43]。

3.4 往复式修剪机

杜现军等[44]利用自制的往复式棉秆切割试验台，对棉秆进行了切割性能试验研究，影响切割性能指标为：切割速度＞刀片型式＞含水率＞割台倾角。当切割的速度为0.6 m/s、刀片采用标准Ⅴ型、含水率为30.2%、割台的倾角为13°时，棉杆切割试验效果最佳，为以后棉秆的高效收获机械及棉秆切割刀具等装备的研发提供理论依据。胡洋洋等[45]设计了一种往复式葡萄剪稍机，并对葡萄茎秆进行了切割性能试验研究，得出随着切割速度提高，单位切割力减少；随着刀片安装角增加，单位切割力先减小后增大；葡萄弹性模量随着含水率增加而减小。龙魁等[46]利用往复式葡萄藤枝切割试验台对葡萄藤进行了切割性能试验研究，得出切割葡萄藤枝最佳参数为割刀曲柄转速493 r/min、切割器行程100 mm、割刀的曲柄半径50 mm、修剪幅宽为1.4 m、切割的前进速度0.9 m/s，为以后设计往复式葡萄修剪机械提供了理论依据。陈魁等[47]设计了一种3PJ-1 型龙门葡萄修剪机，通过液压伸缩装置控制切割器切割高度的升降，实现修剪作业角度和幅宽的调节，解决了葡萄叶幕整形修剪用机械代替人工修剪的难题。RINIER公司[48]设计了一种双侧往复式修剪机，往复式切割器分别安装在机架侧面和顶部，通过液压伸缩装置调整叶幕修剪的高度，实现对葡萄叶幕的修剪。

机械式修剪不仅可以降低成本，而且作业效率很高，便于葡萄园的机械化管理[49]。目前国内修剪机械的发展比较缓慢，修剪机械与拖拉机组成作业机组，对葡萄园的规范化要求也较高[50]。虽然国外葡萄生产管理机械化程度较高，但由于国外露地葡萄栽培与管理模式与国内不同，且国外葡萄修剪机价格昂贵，在国内葡萄种植的家庭户、合作社及农业公司推广应用存在较大困难，所以需要根据国内的葡萄种植模式研发相应的机械装备，实现葡萄园规范化和轻简化生产。