河北省梨园机械可靠性与适应性分析与展望

2024-05-18王洪森张秀花魏华杰黄征于洋

农业与技术 2024年9期

王洪森张秀花魏华杰黄征于洋

(河北农业大学机电工程学院，河北保定 071001)

梨果富含多种对身体有益的营养成分，有助于促进肠胃健康和提高免疫力；其水分丰富，可以制作成梨汤，有助于滋润喉咙，缓解咳嗽；此外，梨果含有人体所需的矿物质，有助于改善血压[1]，因此，梨果备受消费者青睐。梨产业作为河北省的特色优势产业，栽培面积约占全国的1/4[2]，梨园机械化是促进梨果产业高质量发展的重要手段，机械可靠性与适应性是影响梨园机械化水平发展的重要因素[3]，直接影响梨园机械的推广和机械化水平提升。因此，针对河北省梨园各个生产环节机械可靠性与适应性情况及存在问题进行调查研究，并提出改进方法，具有重要的理论意义和实践价值。

1 河北省梨园基本特点

河北省梨产业在全省占有重要地位，产值占农业总产值的30%以上[4]，是地方农民增收和贫困地区村民脱贫致富重要产业[5]，2021年种植面积115000hm2[6]，梨果产量366.58万t，如图1所示。河北省大部分梨园正处于老式梨园(大冠宽行稀植)向现代梨园(小冠宽行密植)转型阶段，老式梨园地头所留距离短，梨树平均高度高和树冠范围大，不适宜现代机械作业；现代梨园地头所留距离长，梨树平均高度低和树冠范围小，适宜现代机械作业。

图1 近10年河北省梨园种植面积及梨果产量

2 河北省梨园不同生产环节机械使用分布概况

本次主要针对规模大的梨园，对工量大的7个环节进行分析，包括割草、深松、施肥、旋耕、植保、剪枝和采收环节。梨园调研总户数为142户，各生产环节机械化情况如表1所示。

表1 各生产环节机械化情况

由表1可知，旋耕、植保和割草环节机械使用户数为107户、97户和93户，占总户数比分别为75.34%、68.31%和65.49%，3个生产环节中机械使用占比大，说明机械使用情况良好，适应梨园复杂环境和可靠的程度大；施肥、深松、采收和剪枝环节机械使用户数为48户、21户、12户和10户，占总户数比分别为33.80%、14.49%、8.45%和7.04%，生产环节机械使用占比小，说明机械适用性差和可靠程度低，难以适应梨园复杂环境，导致在梨园使用与推广困难。

3 河北省梨园机械可靠性与适应性现状

可靠性与适应性直接影响着农业机械的推广应用[7，8]。本文主要研究河北省梨园各个生产环节机械的可靠性与适应性情况。机械的可靠性调研包括年使用次数与年维修次数统计，易损坏零件统计，故障维修花费计算与故障维修方式统计；机械的适应性调研包括调查机械复杂程度，天气条件适应性与地理环境适应性，其中机械复杂程度统计机械无需长时间培训即可操作比例，天气条件适应性统计不良天气下可正常工作机械比例，地理环境适应性统计复杂地理环境下可正常工作机械比例。

3.1 梨园不同种植模式下机械作业场景概况

梨园分为老式梨园、现代梨园和升级改造梨园。不同种植模式下机械工作的梨园场景不同，作业空间尺寸有差异，直接影响机械的适应能力和梨园机械推广应用。河北省不同栽培模式梨园情况如表2所示。

表2 河北省不同栽培模式梨园情况

由表2可知，现代梨园的单户种植规模平均在28.18hm2，地头所留距离平均约4.2m，梨树行距平均约4m，梨树株距平均约1.5m，梨树高度平均在3.3m，树冠大小多在1～2m，小冠宽行密植，地头所留距离大，适合机械进入作业。老式梨园的单户种植规模平均在9.94hm2，地头所留距离平均约3m，梨树行距平均约5m，梨树株距平均在3m，梨树高度平均约3.6m，树冠大小多在3m之上，大冠宽行稀植，地头所留距离小，机械进入作业困难。升级改造梨园的单户种植规模平均在11.91hm2，地头所留距离平均约4m，梨树行距平均在4.5m，梨树株距平均约3.6m，梨树高度平均约2.8m，树冠大小多在3～4m，相对老式梨园，升级改造梨园降低了梨树平均高度与树冠大小，适合机械进入作业。

3.2 梨园机械使用可靠性与适应性现状

近年来，果园各生产环节机械化水平持续增长[9]，机械可靠性与适应性稳步提高，果园专用机械受到欢迎，果农也了解更多果园机械使用和维修知识，推进了梨园机械化的发展。但是梨园机械使用可靠性与适应性仍有很大的提升空间。2023年调研河北省梨园机械中常用的机械使用情况如表3所示。

表3 河北省梨园常用机械使用情况

3.2.1 可靠性分析

由表3可知，在梨园7个生产环节中，除草机、深松机、施肥机、旋耕机、打药机、修剪机和采收机的年使用次数分别为25、10、6、7、30、3和11，年维修次数分别为7、3、3、3、8、1和4，可见除草和打药使用频率最高，维修频率也最高。频繁维修是影响果农购买和使用机械的重要因素，维修造成了人力、物力和时间的浪费，对于时效性较强的作业环节，机械维修导致无法在相应时间窗口完成工作，影响梨果质量和果农收益，直接影响梨园机械推广。各生产环节机械仍处于研发初期，部分零件设计技术不成熟，引起平均维修次数较多，说明机械容易出现故障，可靠的程度低，机械故障造成生产效率降低，影响果农对机械的使用。

除草机、深松机、施肥机、旋耕机、打药机、修剪机和采收机的年维修花费分别为1750元、1950元、1200元、1250元、1600元、150元和1200元，果园各生产环节机械经国家补贴后平均购买价格在5000元上下[10]，除修剪机使用次数少，6个生产环节的梨园机械年维修花费均在1000元以上，约占购买机械的1/5，维修成本高导致梨园机械难以在大部分梨园推广。在7个梨园生产环节中，有5个生产环节的机械出现故障通过果农自修来解决，大部分果园的周围缺乏维修点，维修点集中在城镇附近，距离果园较远，机械运输与维修困难，维修机械需要专业知识，果农自己很难进行专业维修。

除草机、深松机、旋耕机和修剪机的重要零部件是刀片，施肥机、打药机和采收机械的重要零部件是施肥口、喷头和采摘头。重要零部件的损坏导致机械整体无法作业，机械重要零部件的可靠性是研发人员的重要内容，也是果农购买机械时考虑的重要因素。由表3可知，7个生产环节所使用机械的重要零部件均为故障部位，可见梨园机械的重要零部件设计、材料选择与热处理均需重点关注。

3.2.2 适应性分析

为进一步优化机械适应性，农业机械的操作性、环境适应性[11]需进一步研究。机械易操作是设计时考虑的重要因素，也是大部分果农购买考虑的因素，操作简单可以有效减少果农学习时间。机械系统的环境适应性是指系统在不同环境条件下的适应能力[10]，河北省是多气候省份，梨园各生产环节具有时效性，不同气候对于果农年收入造成不同程度影响，研发适应不同气候，实现梨园各生产环节在相应时间窗口完成作业的机械尤为重要。地理环境是梨园机械设计考虑的主要因素之一，复杂地况影响机械能否进园和工作效率，设计适应复杂地况的梨园机械是提高梨园机械适应性的重要途径。

由表3可知，填写除草机、深松机、施肥机、旋耕机、打药机、修剪机和采收机适应性问卷人数分别为93人、11人、33人、68人、88人、10人和13人，认为易操作的分别有82人、10人、32人、59人、74人、9人和10人，占比分别为88.17%、90.91%、96.97%、86.76%、84.09%、90%和84.62%，这些数据说明各生产环节梨园机械的操作性简单，大部分果农经过商家培训后可以直接操作。各生产环节机械的天气适应性调查中，认为适应性好的人数分别为12人、1人、1人、6人、8人、2人和4人，占比分别为12.90%、9.09%、3.03%、8.82%、9.09%、20%和30.77%，说明在多气候环境下，各生产环节梨园机械的适应能力低，部分生产环节机械在多气候环境中的适应能力低于10%，造成机械不能在合适的时间窗口工作，影响果园生产。各生产环节机械的地理适应性调研中，认为适应性好的人数分别为54人、7人、17人、33人、60人、6人和7人，占比分别为58.06%、63.64%、51.52%、48.53%、68.18%、60%和53.85%，说明各生产环节梨园机械部分在复杂地况中正常作业困难，主要原因是动力机械和动力底盘设计时未考虑土壤粘性与机械越埂能力。