薛春林，杜亞光，邊永亮，李建平，王鵬飛，馮曉靜

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000；2.滄縣自然資源和規(guī)劃局，河北 滄縣 061000）

0 引言

葡萄作為世界第二大栽培水果，在意大利、中國、美國和阿根廷等國家廣泛種植[1]。截止到2017年，中國葡萄總產(chǎn)量占世界葡萄總產(chǎn)量的11%[2]。作為農(nóng)村農(nóng)民脫貧致富、鄉(xiāng)村振興的產(chǎn)業(yè)之一，同時由于人民對餐后水果消費量的上升，我國葡萄栽培面積在逐步擴(kuò)大，對葡萄園生產(chǎn)的機(jī)械化配套設(shè)備需求日漸旺盛。

葡萄葉幕整形修剪是一個季節(jié)性強(qiáng)且需要大量勞動力的工作。近些年，農(nóng)村老齡化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，勞動力成本正在逐年上漲，對葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成了巨大沖擊[3]。目前葡萄葉幕人工修剪效率低、勞動強(qiáng)度較大、修剪質(zhì)量難以保證等諸多問題正嚴(yán)重阻礙葡萄產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

1 葡萄葉幕整形修剪的意義

葡萄通過光合作用合成生長所需的淀粉、脂肪和纖維素等物質(zhì)，因而光合作用的強(qiáng)弱直接導(dǎo)致葡萄的品質(zhì)與產(chǎn)量。葡萄葉片是進(jìn)行光合作用的主要部位，葉片數(shù)量、結(jié)構(gòu)的變化直接影響葡萄對光能的吸收、轉(zhuǎn)化與利用。改善葡萄葉幕光路是提高葡萄生產(chǎn)力的有效途徑[4]。

葡萄為多年蔓生植物，能纏繞它物攀附上升，葡萄葉幕枝條雖然能接受更多的風(fēng)和光，但葡萄枝條過于濃密會使葡萄樹枝底部接受風(fēng)和光的能力大大減少[5]，從而導(dǎo)致葡萄樹枝營養(yǎng)跟不上，直接影響到葡萄的品質(zhì)和產(chǎn)量[6]。葡萄葉幕枝條過多，影響葡萄葉幕通風(fēng)透光性，導(dǎo)致葡萄樹體嚴(yán)重郁閉。同時，營養(yǎng)生長過于旺盛，會抑制生殖生長，從而導(dǎo)致葡萄品質(zhì)和產(chǎn)量的降低[7]。葡萄葉幕厚度過低，光合作用制造的能量不能滿足葡萄本身正常的生長，會影響葡萄果實的形成[8]。當(dāng)葡萄葉幕修剪厚度保留在50 cm 時，葡萄果實產(chǎn)量及品質(zhì)效果最好[7]，因此通過葉幕修剪、修剪老葉及疏花疏穗等措施[4]，可以使葡萄形成不同的葉幕結(jié)構(gòu)從而改變葡萄樹體微氣候，實現(xiàn)營養(yǎng)生長與生殖生長之間的均衡[9]，最終達(dá)到提高葡萄產(chǎn)量及品質(zhì)的目的。

葡萄葉幕整形修剪要根據(jù)新梢長勢、樹勢等因素，對葡萄進(jìn)行合理的葉幕整形修剪[10]；使葡萄能合理地分配營養(yǎng)的供應(yīng)，避免營養(yǎng)流失[11]；使光照更充足，使果實充分著色，增強(qiáng)葡萄的外觀和品質(zhì)；能夠減少病蟲害的發(fā)生，增強(qiáng)葡萄的抗逆能力[12]；減少施藥量，利于葡萄園機(jī)械化管理，降低生產(chǎn)成本。目前葡萄葉幕整形修剪的主要方式為人工修剪，存在勞動強(qiáng)度較大、修剪效率較低、修剪成本高等問題。因此，迫切需要研發(fā)葡萄葉幕修剪裝置以提高修剪作業(yè)效率并實現(xiàn)葡萄園規(guī)范化和輕簡化生產(chǎn)。

2 單枝選擇修剪機(jī)械化技術(shù)

葡萄葉幕機(jī)械化修剪技術(shù)主要以單枝選擇修剪和整株幾何修剪為主。單枝選擇修剪是根據(jù)當(dāng)?shù)氐臉浞N和自然條件等特點，按一定原則進(jìn)行選擇性修剪。這種修剪方式條件復(fù)雜、技術(shù)性強(qiáng)，目前只能通過人工操作來完成[13]。單枝選擇修剪機(jī)械主要類型有手動修枝剪、電動修枝剪、氣動修枝剪、液壓修枝剪、果園多功能作業(yè)機(jī)的剪枝裝置和智能化修剪機(jī)械。

2.1 手動修枝剪

ARS 公司設(shè)計了VS-8R 手動剪枝機(jī)，通過轉(zhuǎn)動手柄來傳遞剪枝力[14]，達(dá)到修剪枝條效果，僅適用于枝條直徑在20 cm 以內(nèi)的枝條修剪作業(yè)。CAMPAGNOLA 公司設(shè)計了Star35 氣動剪枝機(jī)，進(jìn)行修剪作業(yè)時剪枝力為2.12 kN[15]，適用于枝條直徑30 cm 以內(nèi)的枝條修剪作業(yè)。BULENT CAKMAK 等[16]研究了不同類型的手動修枝剪對剪枝人員的工作時間和握力值的影響，人工修剪直徑在4 cm 以上枝條時，作業(yè)比較費力，且修剪質(zhì)量差。

2.2 電動剪枝機(jī)

楊乾華等[17]設(shè)計了一種電動綠籬修枝機(jī)，由蓄電池提供直流電源，通過直流電機(jī)和傳動減速裝置將動力傳遞到驅(qū)動輪盤和刀具組，最后進(jìn)行剪枝作業(yè)。在環(huán)保、節(jié)能和降噪方面為新型剪枝機(jī)的改進(jìn)提供了一定的借鑒。方麗珍[18]設(shè)計了一種電動修枝機(jī)，以電動機(jī)為動力，通過凸輪和減速齒輪帶動刀片進(jìn)行修剪樹枝。孫健峰等[19]利用HT-500 高溫摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行了摩擦試驗研究，得出了電動修剪刀片最優(yōu)的摩擦值。學(xué)者研究和實際生產(chǎn)表明：修剪動力、蓄電池續(xù)航時間是影響電動修枝剪性能的重要因素。

2.3 氣動、液壓剪枝機(jī)

周波等[20]利用ANSYS/LS-DYNA 軟件對果樹剪枝的剪切部位進(jìn)行動力學(xué)仿真分析研究，當(dāng)枝條直徑為25 mm 時，修剪部位最大應(yīng)力為218.67 MPa，最大應(yīng)力在定刀片刀刃附近，為改進(jìn)果樹剪枝機(jī)結(jié)構(gòu)、工作性能和改善其受力狀況提供了依據(jù)。郭輝等[21]設(shè)計了一種氣動果樹修剪機(jī)，適用于25 mm 以內(nèi)的枝條修剪作業(yè)。范修文等[22]設(shè)計了一種低矮密植棗園手持氣動式修剪機(jī)，從整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣動回路系統(tǒng)及動力選擇進(jìn)行設(shè)計，并對剪切機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué)參數(shù)分析，適當(dāng)加大剪刀頭的張角，以增大剪切力，利于修剪作業(yè)。孫坤龍等[23]設(shè)計了一種便攜式液壓剪枝機(jī)，通過液壓缸驅(qū)動剪枝機(jī)構(gòu)，詳細(xì)分析了液壓系統(tǒng)及控制原理，為液壓技術(shù)應(yīng)用于便攜式剪枝機(jī)械提供參考。

2.4 果園多功能作業(yè)機(jī)的剪枝裝置

華南熱帶作物機(jī)械研究所設(shè)計了3GS-8 型全液壓修枝整形機(jī)[24]，其升降、伸縮、擺轉(zhuǎn)和剪枝動作均用液壓控制，用以滿足對樹木進(jìn)行多種高空作業(yè)修剪作業(yè)需要。劉西寧等[25]設(shè)計了一種LG-1 型多功能果園作業(yè)機(jī)，由空氣壓縮機(jī)和儲氣設(shè)備為升降機(jī)構(gòu)和氣動剪枝機(jī)提供動力源，通過操縱開關(guān)實現(xiàn)1.5 m范圍內(nèi)任意高度位置的升降作業(yè)和高空修剪作業(yè)。

2.5 智能化修剪機(jī)械

NI 等[26]利用雙目視覺原理對果樹冠層進(jìn)行三維建模，保證圖像中相應(yīng)特征點放置在同一水平線上，通過高效大規(guī)模立體匹配（ELAS）算法找到視差圖，終基于校準(zhǔn)相機(jī)矩陣以及三角測量方法獲得視差圖建立果樹樹冠。BIETRESATO 等[27]利用激光雷達(dá)3D立體視覺系統(tǒng)檢測植物冠層，通過放射激光獲取果樹枝干方向、直徑、距離等空間信息，根據(jù)空間信息對果樹冠層進(jìn)行三維重建。BOTTERILL 等[28]研究葡萄修剪機(jī)器系統(tǒng)，利用三目相機(jī)建立葡萄葉幕結(jié)構(gòu)的三維模型、通過人工智能系統(tǒng)精確識別需要修剪的葡萄枝條，控制六自由度機(jī)械臂實現(xiàn)葡萄葉幕整形的修剪作業(yè)。當(dāng)修剪作業(yè)速度為0.25 m/s 時，修剪錯誤率≤1%，每棵葡萄葉幕整形修剪作業(yè)時間為2 min，基本與人工修剪工作效率持平，可實現(xiàn)葡萄修剪的智能化作業(yè)。

傳統(tǒng)的手工修剪因效率低、成本高，逐漸被高效、輕便的機(jī)械化作業(yè)替代。單純的葡萄葉幕整形修剪機(jī)械不能滿足現(xiàn)代規(guī)模化葡萄園生產(chǎn)需要，集剪枝、噴藥、果實采摘和運輸于一體的多功能修剪機(jī)械將在葡萄未來生產(chǎn)中占據(jù)著主要地位。隨著5G技術(shù)的應(yīng)用[29]，農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)將更加精準(zhǔn)化、智能化、高效化[30]；5G 與傳感器技術(shù)、圖像識別技術(shù)、3S技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、設(shè)施設(shè)備等融入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[31]，為果樹智能化修剪提供技術(shù)保障。

3 整株幾何修剪機(jī)械化技術(shù)

整株幾何修剪是在拖拉機(jī)上裝配垂直升降、左右移動的液壓伸縮裝置，臂端裝有動力驅(qū)動的切割器，對葡萄葉幕按照一定的幾何形狀進(jìn)行修剪。

3.1 圓盤鋸式修剪機(jī)

李常營等[32]利用圓盤鋸秸稈切割試驗臺對仿生圓盤鋸片和普通圓盤鋸片的切割速度、切割傾角和切割牽引速度等因素進(jìn)行了研究，得出仿生鋸齒鋸片（鋸條）相對于普通鋸齒鋸片（鋸條）能減小切割力15.87%，降低切割的功耗12.85%。邱述金等[33]利用ADAMS 對切割部件進(jìn)行了動力學(xué)仿真分析研究，驗證了圓盤鋸切割過程不漏割的條件，為檸條收割機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供了重要依據(jù)。劉學(xué)串等[34]設(shè)計了新型果園寬幅聯(lián)合仿形修剪機(jī)，對修剪機(jī)的切割裝置機(jī)構(gòu)和機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行運動分析，切割裝置長度為3.26 m，切割裝置與樹的主干線最大夾角為15°，圓盤鋸的最低轉(zhuǎn)速為1 911 r/min 時，枝條剪漏割率為7.3%，枝條修剪撕碎率為9%，修剪形狀和切割斷面質(zhì)量滿足園藝要求，能滿足多種果園修剪樹形的需求。

意大利BMV 公司設(shè)計一種前置式Fl800p 型修剪機(jī)，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動安裝在機(jī)架側(cè)部和頂部的圓盤鋸高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行果樹頂部修剪和側(cè)部修剪，并通過伸縮裝置控制修剪的高度和寬度。MARTI 等[35]設(shè)計了一種圓盤鋸修剪機(jī)，修剪裝置側(cè)懸掛于拖拉機(jī)上，交錯布置的圓盤鋸避免了枝條漏割，可完成對不同錐度的果樹樹型進(jìn)行修剪，提高了修剪效率。

3.2 轉(zhuǎn)刀式修剪機(jī)

張德學(xué)等[36]設(shè)計了PJS-1 型兩翼式葡萄剪枝機(jī)，并對切削裝置進(jìn)行了理論分析和試驗研究，確定了轉(zhuǎn)刀式切割器切割葡萄枝條的最佳轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，完成對兩行葡萄藤的頂部和側(cè)部的修剪工作。

意大利BMV 公司設(shè)計了一種拖拉機(jī)前懸掛式的E 系列修剪機(jī)，可以完成頂部和單側(cè)的修剪工作；修剪機(jī)通過調(diào)節(jié)液壓伸縮裝置，進(jìn)行切割器的位置調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)不同高度的修剪作業(yè)，切割裝置由液壓馬達(dá)驅(qū)動來完成修剪作業(yè)。

3.3 圓盤刀式修剪機(jī)

林茂等[37]利用ADAMS 軟件對3 種不同形狀（矩形、梯形、彎形）圓盤刀片進(jìn)行了甘蔗切割運動學(xué)仿真分析研究，當(dāng)?shù)侗P的轉(zhuǎn)速為619.727 r/min、機(jī)車的前進(jìn)速度為0.5 m/s、刀片數(shù)量為4 片、刀盤的前傾角度為6°時，甘蔗破頭率最低，并且彎形刀片的切割器結(jié)構(gòu)相對于矩形和梯形刀片的切割器結(jié)構(gòu)效果更好，為以后甘蔗切割器的設(shè)計提供參考依據(jù)。李玉道等[38]利用圓盤刀式棉桿切割試驗臺對棉桿切割的刀片速度、刀片傾角和輸送速度等因素進(jìn)行了研究，通過正交試驗驗證了影響切割功率的順序為輸送速度、刀片速度、切割傾角，并優(yōu)化了棉稈切割試驗臺的相關(guān)結(jié)構(gòu)、運動等參數(shù)，為設(shè)計回轉(zhuǎn)式棉花秸稈圓盤式切割機(jī)提供了理論依據(jù)。李景彬等[39]利用自制的圓盤刀莖稈切割性能試驗臺進(jìn)行了莖稈切割性能試驗研究，得出了錘片刀最適合切割棉稈和圓盤刀切割棉桿的最佳刀盤轉(zhuǎn)速，為設(shè)計圓盤刀式修剪機(jī)提供了理論依據(jù)。王哲[40]設(shè)計了釀酒葡萄葉幕整形修剪裝置，對釀酒葡萄枝條進(jìn)行了切割性能試驗研究，當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速為1 085.72 r/min、刀盤半徑為200 mm、前進(jìn)速度為1.63 m/s、刀片傾角為9.62°時，修剪效果最好，為釀酒葡萄葉幕整形修剪裝置的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

SPENCER[41,42]設(shè)計了一種拖拉機(jī)側(cè)懸掛圓盤刀式修剪機(jī)，采用鋸齒形圓盤刀大大提高了切割的穩(wěn)定性，刀片交措布置避免了果樹枝條漏剪。FRED 設(shè)計了一種拖拉機(jī)前懸掛式、液壓馬達(dá)驅(qū)動圓盤刀片的葡萄藤修剪機(jī)，修剪機(jī)上部與機(jī)架之間通過鉸接形式連接，通過彈簧彈力進(jìn)行復(fù)位；當(dāng)修剪機(jī)頂部修剪裝置觸碰到水泥立柱等障礙物時，可以通過鉸接部位轉(zhuǎn)動來達(dá)到避障效果。修剪機(jī)側(cè)部在液壓缸的驅(qū)動下繞中心部位進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而能夠適應(yīng)不同高度的葡萄葉幕修剪[43]。

3.4 往復(fù)式修剪機(jī)

杜現(xiàn)軍等[44]利用自制的往復(fù)式棉稈切割試驗臺，對棉稈進(jìn)行了切割性能試驗研究，影響切割性能指標(biāo)為：切割速度＞刀片型式＞含水率＞割臺傾角。當(dāng)切割的速度為0.6 m/s、刀片采用標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ型、含水率為30.2%、割臺的傾角為13°時，棉桿切割試驗效果最佳，為以后棉稈的高效收獲機(jī)械及棉稈切割刀具等裝備的研發(fā)提供理論依據(jù)。胡洋洋等[45]設(shè)計了一種往復(fù)式葡萄剪稍機(jī)，并對葡萄莖稈進(jìn)行了切割性能試驗研究，得出隨著切割速度提高，單位切割力減少；隨著刀片安裝角增加，單位切割力先減小后增大；葡萄彈性模量隨著含水率增加而減小。龍魁等[46]利用往復(fù)式葡萄藤枝切割試驗臺對葡萄藤進(jìn)行了切割性能試驗研究，得出切割葡萄藤枝最佳參數(shù)為割刀曲柄轉(zhuǎn)速493 r/min、切割器行程100 mm、割刀的曲柄半徑50 mm、修剪幅寬為1.4 m、切割的前進(jìn)速度0.9 m/s，為以后設(shè)計往復(fù)式葡萄修剪機(jī)械提供了理論依據(jù)。陳魁等[47]設(shè)計了一種3PJ-1 型龍門葡萄修剪機(jī)，通過液壓伸縮裝置控制切割器切割高度的升降，實現(xiàn)修剪作業(yè)角度和幅寬的調(diào)節(jié)，解決了葡萄葉幕整形修剪用機(jī)械代替人工修剪的難題。RINIER公司[48]設(shè)計了一種雙側(cè)往復(fù)式修剪機(jī)，往復(fù)式切割器分別安裝在機(jī)架側(cè)面和頂部，通過液壓伸縮裝置調(diào)整葉幕修剪的高度，實現(xiàn)對葡萄葉幕的修剪。

機(jī)械式修剪不僅可以降低成本，而且作業(yè)效率很高，便于葡萄園的機(jī)械化管理[49]。目前國內(nèi)修剪機(jī)械的發(fā)展比較緩慢，修剪機(jī)械與拖拉機(jī)組成作業(yè)機(jī)組，對葡萄園的規(guī)范化要求也較高[50]。雖然國外葡萄生產(chǎn)管理機(jī)械化程度較高，但由于國外露地葡萄栽培與管理模式與國內(nèi)不同，且國外葡萄修剪機(jī)價格昂貴，在國內(nèi)葡萄種植的家庭戶、合作社及農(nóng)業(yè)公司推廣應(yīng)用存在較大困難，所以需要根據(jù)國內(nèi)的葡萄種植模式研發(fā)相應(yīng)的機(jī)械裝備，實現(xiàn)葡萄園規(guī)范化和輕簡化生產(chǎn)。

4 趨勢與展望

1）葡萄葉幕機(jī)械化修剪是葡萄園生產(chǎn)管理中實現(xiàn)機(jī)械化、輕簡化作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是果園節(jié)本增效的重要途徑之一。

2）集剪枝、收集、粉碎于一體，附加噴藥、割草等功能的果園多功能聯(lián)合作業(yè)機(jī)將成為葡萄園草體處理、病蟲害防治、葉幕修剪等夏季農(nóng)事綜合管理的重要研發(fā)方向。

3）“5G”技術(shù)結(jié)合“3S”技術(shù)以及圖像識別技術(shù)等不斷應(yīng)用到葡萄園機(jī)械化生產(chǎn)中，將有力促進(jìn)果園機(jī)械化、智能化的快速發(fā)展。