馮凡 楊淑華，2 張秀花 弋景剛 楊欣

1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.河北?。ㄐ吓_(tái)）核桃產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院

引言

從2005 年全國(guó)核桃產(chǎn)量49.91 萬噸到2017 年達(dá)417.14 萬噸[1]?？煽闯?，我國(guó)核桃產(chǎn)業(yè)產(chǎn)量呈逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。核桃屬于雜合品種，核桃實(shí)生苗需經(jīng)過平茬、嫁接、移等農(nóng)藝后，才能成長(zhǎng)為優(yōu)質(zhì)核桃樹。平茬是嫁接前的重要農(nóng)藝環(huán)節(jié)，平茬質(zhì)量的好壞對(duì)后續(xù)農(nóng)藝有較大的影響[2-4]。查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)平茬的文獻(xiàn)資料，目前大部分的文獻(xiàn)只是針對(duì)林木、灌木平茬機(jī)的相關(guān)理論和專利的研究，針對(duì)于核桃苗平茬設(shè)備的研究鮮有報(bào)道?，F(xiàn)階段核桃平茬主要依靠人工手持剪刀平茬，其效率低下、機(jī)械化程度低，易出現(xiàn)斜茬口，茬口高度參差不齊等問題[5-6]，為此研究出一種可降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高平茬效率、滿足平茬農(nóng)藝要求的核桃苗平茬機(jī)很有必要。

1 平茬機(jī)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于割灌平茬粉碎設(shè)備的研究比較早，在上世紀(jì)中期，就對(duì)灌木進(jìn)行了機(jī)械化平茬和粉碎研究，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家對(duì)灌木平茬粉碎機(jī)的生產(chǎn)、研發(fā)技術(shù)較為成熟，其主要類型分為小型平茬機(jī)和大型割灌機(jī)[7]。

小型平茬機(jī)主要類型有側(cè)掛式平茬機(jī)和背負(fù)式平茬機(jī)[8]。代表的產(chǎn)品有日本的 UMK422 背負(fù)式割灌機(jī)[9]、德國(guó)的FS120/200/250 型割灌機(jī)[10]等。采用硬軸或軟軸傳動(dòng)，主要由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部件、末端執(zhí)行部件、操作部件等組成。

2012 年，Chienkuo 工業(yè)大學(xué) Chieh-Tsung CHI 等人研制的一種新型的電動(dòng)切割機(jī)[11]，以傳統(tǒng)的汽油機(jī)為切割機(jī)依據(jù)，在相似的機(jī)構(gòu)中，替換以鋰電池為動(dòng)力并加入了控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了切割刀片轉(zhuǎn)速控制和電子線路保護(hù)的功能，其最大的特點(diǎn)是振動(dòng)小、噪聲小、綠色無污染，而且使用成本較低。

2014 年，德國(guó)Leibniz-Institute 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院所研究的林木平茬收獲機(jī)[12]，配有1000mm 的圓鋸片，刀具與刀架相連并徑向排列，工作速度為3～5km/h，可切割直徑15cm 高10m 的樹木。整機(jī)包括切割裝置、導(dǎo)向裝置、進(jìn)料裝置及物料輸送桶等部件。為了進(jìn)一步提升機(jī)器的性能，還改進(jìn)部分機(jī)構(gòu)，增加了行星輪和導(dǎo)向臂來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向和控制的效果。

同年，紐荷蘭130FB 平茬切碎機(jī)收割機(jī)[13]，如圖1所示，該機(jī)械用于收割楊樹苗圃，切割機(jī)構(gòu)采用圓盤鋸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大直徑圓盤鋸放置在割臺(tái)底部在圓盤鋸片的高速旋轉(zhuǎn)下，設(shè)置整機(jī)的向前行進(jìn)的特定速度，使的楊樹苗被快速的切斷，切割完成后輸送到后邊的粉碎部位進(jìn)行粉碎處理，最后通過長(zhǎng)嘴的輸送桶，輸送到后面跟隨的收集車筐內(nèi)。

圖1 紐荷蘭130FB 平茬切碎機(jī)

2 平茬機(jī)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)的灌木類平茬機(jī)研究于20 世紀(jì)60 年代開始，大多仿制國(guó)外的一些設(shè)備。

2012 年，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院的周樹輝等人研制出的4GM-200 型自走式灌木聯(lián)合收獲機(jī)[14]，如圖2，該設(shè)備采用雙圓盤鋸片向內(nèi)旋轉(zhuǎn)對(duì)灌木進(jìn)行切割，并且配有平茬撥送裝置、中間輸送裝置、粉碎裝置，隨后拋送裝箱，并完成自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸料裝車。作業(yè)幅寬達(dá)2m，作業(yè)面積加大，提高收獲效率，既可切割速生林木，也可用于團(tuán)簇狀灌木，包括沙柳和檸條等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)喂入量達(dá)1.3t/h 時(shí)，收獲面積為0.47hm2/h；當(dāng)喂入量達(dá)2.3 t/h 時(shí)，收獲面積為0.83hm2/h，快速提升工作效率。

圖2 4GM- 200 型自走式灌木聯(lián)合收獲機(jī)

2013 年，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院聯(lián)合呼和浩特分院的劉志剛等人研制出的自走式灌木平茬機(jī)[15]。該設(shè)備適用于沙生灌木平茬，由行走、仿形和切割三部分組成。整車使用了橫向浮動(dòng)機(jī)構(gòu)、縱向浮動(dòng)機(jī)構(gòu)以及電磁制動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)不同地形進(jìn)行仿形切割；切割部分以及車的底盤鉸接可左右擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大寬幅切割平茬，提高灌木平茬生產(chǎn)率與平茬質(zhì)量；且整機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)，增大動(dòng)力；又巧妙的增加了離合器，在平茬裝置不工作的時(shí)侯，能夠與動(dòng)力輸出部分相分離，從而能夠降低能源的消耗。在實(shí)地試驗(yàn)后，該設(shè)備作業(yè)幅度1010mm 雙圓鋸片向外旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切割，其轉(zhuǎn)速 1910r/min；設(shè)備前進(jìn)速度分別為 0.24 m/s、0.34m/s、0.44 m/s，結(jié)果表明，茬口的破損率分別為1.7%、2.6%、3.4%，茬口高度均在50mm 以上。

2015 年，北京林業(yè)大學(xué)馬阿娟、俞國(guó)勝等人研制出履帶自行式沙地灌木林平茬機(jī)[16]，該平茬機(jī)提出了切割裝置地面仿形方法，采用履帶行走，提高了沙地的通過性。采用提升鏈及仿形支撐輪機(jī)構(gòu)，并以柔性的方式的鏈接，使其實(shí)現(xiàn)地面的仿形平茬。并且根據(jù)灌木叢的特點(diǎn)刀架設(shè)計(jì)為倒V 形5 刀片設(shè)計(jì)，達(dá)到對(duì)沙生灌木平茬的目的。樣機(jī)外形長(zhǎng)1200mm、寬900mm、高1150mm。在試驗(yàn)場(chǎng)地900m2的小葉錦雞兒灌木林，分布密度811 叢*hm-2，其濕質(zhì)量、干質(zhì)量生物量分別為6012.44kg*hm-2和3763.22 kg*hm-2，含水率34.71%，作業(yè)行駛速度3.5km*h-1，移動(dòng)速度5km*h-1，圓鋸片刀直徑300mm、轉(zhuǎn)速3600r*min-1，結(jié)果表明作業(yè)效率243 叢*h-1，留茬平均高度50mm，破茬率低于3%。

2018 年，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)楊淑華等人發(fā)明了一種撥叉式核桃苗平茬機(jī)的專利[17]，巧妙的利用撥叉與微齒鋸片的組合，可減少茬口的劈裂程度，提高茬口完整性。該機(jī)設(shè)計(jì)由電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)微齒鋸片高速旋轉(zhuǎn)，繼而對(duì)苗木進(jìn)行切割，由于撥叉的作用，使得鋸片又可以對(duì)切斷的苗木提供一個(gè)支撐的作用，也便于后續(xù)的收集。因在核桃苗種植的時(shí)，根據(jù)苗圃地形不同會(huì)發(fā)生偏移的情況，同年，楊淑華團(tuán)隊(duì)等人發(fā)明了一種雙圓片刀浮動(dòng)剪茬機(jī)[18]。該機(jī)包括剪切裝置、夾持裝置、仿形輪等，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)地面起伏自動(dòng)仿形，切割裝置可隨苗木的偏移自主調(diào)節(jié)，夾持裝置呈“八”字形，對(duì)不同行距的苗木進(jìn)行收攏和夾持。該設(shè)備機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既提高了平茬茬口的質(zhì)量，降低了成本，也為研究核桃苗平茬裝置，提供了理論基礎(chǔ)。

同年，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)楊振、楊欣等人所研究的圓盤鋸式蘋果苗木平茬機(jī)[19]，整機(jī)包括分禾器、切割部件、傳動(dòng)系統(tǒng)等，動(dòng)力由拖拉機(jī)提供，切割部件主要采用圓鋸片、仿形刀片及尼龍繩等，鋸片的直徑400mm，割幅 1200mm，轉(zhuǎn)速4200r/min；作業(yè)速度0.5～5km/h。同年11 月在場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，平均留茬高度344.85mm，平均合格率96.22%。

3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀優(yōu)缺點(diǎn)

小型的平茬機(jī)多用于直徑較小的灌木類平茬，其特點(diǎn)是質(zhì)量較輕，機(jī)構(gòu)小巧，使用起來方便且操作靈活、安全可靠。但都為人長(zhǎng)時(shí)間背負(fù)進(jìn)行操作，使體力消耗增加，并且茬口高度以及茬口的劈裂度不能保證。大型的平茬機(jī)多以集平茬、粉碎、收集等于一體的多功能設(shè)備，以液壓來驅(qū)動(dòng)，而且技術(shù)相對(duì)成熟。但是大型的灌木平茬機(jī)主要是用于直徑較大、平茬茬口要求較低的一些灌木進(jìn)行平茬，其目的是為了平茬復(fù)壯，且對(duì)灌木平茬后茬口出現(xiàn)劈裂、毛茬、高度不相同等問題。以上均不適用于核桃苗木的平茬作業(yè)，也不滿足農(nóng)藝要求。

目前對(duì)于核桃苗木平茬機(jī)還處在理論研究階段，并沒有真正的進(jìn)入樣機(jī)的試驗(yàn)。為此急需要研究出一種高效的、可降低勞動(dòng)強(qiáng)度、滿足平茬農(nóng)藝要求、提高平茬效率和平茬質(zhì)量的適用于核桃苗木平茬設(shè)備。

4 平茬機(jī)未來發(fā)展趨勢(shì)

目前我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已部署完全，也將為農(nóng)業(yè)方面提供全天時(shí)、全天候、高精度服務(wù)，再配合大數(shù)據(jù)技術(shù)、感知技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等實(shí)現(xiàn)完全智慧農(nóng)業(yè)。正值中國(guó)制造2025，德國(guó)工業(yè)4.0 等機(jī)遇，未來平茬機(jī)的發(fā)展方向一種智能的平茬作業(yè)機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)真正的智能化和機(jī)械化。