范志遠(yuǎn), 曲振興, 湯晶宇*, 向文博, 張瑞陽, 李世曉, 張 奇

(1.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所,黑龍江 哈爾濱 150086;2.國家林業(yè)和草原局林業(yè)機電工程重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150086;3.國家林業(yè)和草原局林業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心,黑龍江 哈爾濱 150086;4.東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

我國林果資源豐富、種類繁多、種植面積大,林果產(chǎn)量位居世界前列。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施、農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化,林果業(yè)逐步成為了促進果農(nóng)增收致富、生態(tài)增效、國土增綠的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和重要支柱產(chǎn)業(yè),也是實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益并重的產(chǎn)業(yè),具有較強的國際競爭力和廣闊的發(fā)展前景[1]。

雖然我國林果資源豐富,但與發(fā)達國家相比,在林果收獲裝備的發(fā)展方面仍處于相對落后的狀態(tài)。目前國內(nèi)已有部分收獲裝備相繼被研發(fā),但都處于試驗和小批量生產(chǎn)階段[2],未能實現(xiàn)市場推廣,主要的采收方式還是人工采收[3, 4]。隨著季節(jié)性勞動力的短缺,人工成本不斷增長[5, 6],人工采收所投入的勞動力大約占整個工作投入的35%～45%[7],影響了林果的市場競爭力[8]。此外,如果林果在成熟后不及時采收,一方面會影響林果的質(zhì)量,另一方面會影響后一年的產(chǎn)量,造成較大的損失[9]。因此,對于我國的林果產(chǎn)業(yè)來說,林果的機械化收獲十分重要,既可提高效率又可保障林果的質(zhì)量。林果機械化收獲是林果全程生產(chǎn)最重要的一個環(huán)節(jié),是確保成熟果實及時、無損、高效采收的關(guān)鍵,對后續(xù)的果實儲藏、 運輸、加工以及銷售產(chǎn)生直接影響[10-12]。目前,機械收獲在國外已作為一項成熟的技術(shù)被廣泛應(yīng)用,國外林果收獲機理主要有接觸式、氣力振動式、撞擊振動式、機械振動式等,其中應(yīng)用較廣的是機械振動式收獲裝備[13-17]。

林果收獲裝備包括采摘裝備、收集裝備及采收一體機。針對國外機械振動式收獲裝備的發(fā)展現(xiàn)狀,將機械振動機理分成偏心式和曲柄連桿式,并分別進行闡述,按照移動方式的不同將振動式林果收獲裝備分成五類,介紹了各國典型收獲裝備的開發(fā)情況、產(chǎn)品特點及相關(guān)參數(shù),并結(jié)合我國栽植模式提出了發(fā)展建議,以期為我國林果機械化收獲技術(shù)的發(fā)展和科研人員研究提供參考[18]。

1 振動式林果收獲機理

1.1 偏心式

1.1.1 偏心式激振器的組成

偏心式激振器通常由偏心塊、偏心軸、軸承、軸承座組成,如圖1所示。激振器的振動是由偏心塊回轉(zhuǎn)運動時產(chǎn)生周期變化的離心力引起的[19]。

1.1.2 偏心式激振器的形式

(1)單軸式慣性激振器

單軸式慣性激振器通常產(chǎn)生沿圓周方向變化的激振力。單軸偏心機構(gòu)如圖2(a)所示,在x,y方向都有激振力[20, 21],運動軌跡呈現(xiàn)橢圓形狀。

圖2 偏心機構(gòu)

(2)雙軸式慣性激振器

雙軸式振動頭又分為兩種,一種是同向等速轉(zhuǎn)動如圖2(b)所示的雙軸同向偏心機構(gòu),另一種為反向同速轉(zhuǎn)動的雙軸反向?qū)ΨQ偏心機構(gòu)[22-24]如圖2(c)所示。當(dāng)同向等速轉(zhuǎn)動的兩個軸上的質(zhì)量和偏心距相同時,在x、y方向上兩個偏心塊產(chǎn)生的慣性力的分力分別相加;當(dāng)反向等速轉(zhuǎn)動的兩個軸上的質(zhì)量和偏心距相同時,在x方向上兩個偏心塊產(chǎn)生的慣性力相互抵消,在y方向上兩個偏心塊產(chǎn)生的慣性力相加,就會產(chǎn)生一個往復(fù)的直線激振力[25, 26]。

其優(yōu)點是偏心塊振動的結(jié)構(gòu)相對簡單,制造成本較低,偏心塊振動占用空間較小,適用于空間有限的場合,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好,振動頻率、振幅、激振力可通過轉(zhuǎn)速和偏心塊質(zhì)量進行調(diào)整。

其缺點是由于偏心塊與旋轉(zhuǎn)軸的接觸點位置不斷變化,振動力的大小和方向不斷變化,易產(chǎn)生不穩(wěn)定的振動,一般只能產(chǎn)生簡諧振動,對于復(fù)雜的振動模式難以實現(xiàn),振動幅度受負(fù)載影響較大,在偏心塊振動過程中,由于運動部件的相對摩擦和能量傳遞等問題,會有較大能量損耗。

1.2 曲柄連桿式

曲柄連桿式激振器是由曲柄、連桿、夾持器[27]組成,如圖3所示。工作時,動力源驅(qū)動曲柄連桿機構(gòu)使夾持器作直線往復(fù)運動[28, 29],夾持器夾在樹體上,樹枝受迫振動從而使果實振動,當(dāng)果實受到的慣性力大于其果柄拉斷力時,果實掉落,實現(xiàn)果實采摘[30-34]。本裝置的振動幅度由曲柄長度決定,振動頻率由轉(zhuǎn)速決定,對機身作用力較大[35],一般適合搖枝振動采摘。

圖3 曲柄連桿式激振器

其優(yōu)點是可通過調(diào)整曲柄連桿機構(gòu)連桿的長度和曲柄的角度,切換多種不同的振動模式,實現(xiàn)對振動頻率和振幅的精確控制。

其缺點是曲柄連桿機構(gòu)相對于偏心塊振動比較復(fù)雜,制造精度要求較高,需要更多的附件和機構(gòu)來實現(xiàn)振動轉(zhuǎn)換,制造成本較高,占用空間較大,不太適合空間有限的場合。一般用于負(fù)載較小的場合,應(yīng)用于便攜式采摘機具。

2 振動式林果收獲裝備的分類

目前,國外研究的振動式林果收獲裝備主要由動力裝置、行走裝置、振動裝置、收集裝置、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和移動方式不同,分為 5 種形式:便攜式、手推式、懸掛式、牽引式和自走式。

2.1 便攜式

便攜式裝備如表1所示,指人工手持或背挎進行采摘的一種裝備。

表1 便攜式裝備

其優(yōu)點是體積小、攜帶方便、成本低廉。對于大型采收裝備只能用于立地條件好的、林間作業(yè)環(huán)境優(yōu)的采摘區(qū)域進行采摘,而對于生長在比較陡峭的丘陵山地上的林果,大型裝備無法到達[36],便攜式采摘裝備卻非常適用。裝備結(jié)構(gòu)簡單、加工制造價格低,適合小型種植戶使用。

其缺點是勞動強度大、效率低。由于便攜式采摘裝備需要人工攜帶,長時間作業(yè)會導(dǎo)致操作者產(chǎn)生疲勞,作業(yè)人員在疲勞狀態(tài)下繼續(xù)作業(yè)將致使工作效率下降。另外,由于便攜式采摘裝備只能在枝條位置采摘,每棵樹需多次采摘才能完成,效率低。

2.2 手推式

手推式裝備如表2所示,指人工輔助操作進行采摘或收集的一種裝備。

表2 手推式裝備

其優(yōu)點是整機尺寸小、機動靈活、操作簡單、自重輕,能在機動車輛不便使用的的工況下工作。手推式是介于便攜式和自走式之間的一種機型,適合中小型種植戶使用,能在相對狹小林間穿梭作業(yè),對操作者的技術(shù)要求不高。其缺點是勞動強度相對較大、效率相對較低。

2.3 懸掛式

懸掛式裝備如表3所示,指采摘(收)裝置安裝在拖拉機的機體上進行作業(yè)的一種裝備。一般安裝在拖拉機頭部或機尾部,動力由拖拉機動力輸出軸提供。

其優(yōu)點是成本低、視線好、能用不同動力裝置連接。采摘(收)裝置于拖拉機前方或后方,駕駛員具有較好的視線。由于借助拖拉機作為動力,將采摘(收)裝置拆下后可安裝其他機具,“一機多用”提高拖拉機的利用率,同時降低了采摘(收)裝備的成本。

其缺點是受拖拉機種類和型號的限制,存在整機尺寸較大、拆裝困難、操縱性較差等問題。采摘(收)裝置被分散安裝在拖拉機的不同特定部位,用戶每個采摘(收)季至少要安裝和拆卸一次。拖拉機懸掛式采摘(收)裝備一般較重,需要拖拉機機身承載,在林間作業(yè)由于土壤松軟,作業(yè)時拖拉機輪胎會沉陷,從而影響拖拉機的操縱性。另外,由于拖拉機種類和型號眾多,懸掛架形式、尺寸、動力輸出軸等不盡相同,致使采摘(收)裝置的安裝接口需要多種尺寸,安裝的通用性較差[37]。

2.4 牽引式

牽引式裝備如表4所示,指采收裝置與拖拉機相對獨立,拖拉機牽引采收裝置進行采收的一種裝備。采收裝置一般置于拖拉機后側(cè),拖拉機提供牽引力來進行移動[39]。

表4 牽引式裝備

其優(yōu)點是掛接方便,一般通過牽引架與采收裝置單點絞接。在總體設(shè)計上不需考慮與拖拉機配置問題,采收裝置自成體系,由動力裝置、振動裝置、收集裝置、控制系統(tǒng)等部件組成,作業(yè)時只需將采收裝置掛到拖拉機上,拖拉機提供行走動力。

其缺點是牽引式采收裝備整機尺寸較大、轉(zhuǎn)彎半徑大、效率低。牽引式采收裝備由拖拉機牽引采收裝置,整機較長,不適合丘陵山地作業(yè)。對采收場地要求較大,首次采收需要對采收路段進行處理。一般至少需要倆人配合操作,作業(yè)行數(shù)多為單行,作業(yè)效率不高[40]。

2.5 自走式

自走式裝備如表5所示,包括動力、行走、液壓、振動、收集、操縱控制等系統(tǒng),是一種自帶動力系統(tǒng)的裝備。該裝備可完成“采-收-集”一體化作業(yè),是一種集成化采摘(收)裝備。

其優(yōu)點是集成度高、作業(yè)效果好、機動性高、操作靈活,可在丘陵山地等相對復(fù)雜地形工作。自走式采收裝備具備視頻監(jiān)控、液壓驅(qū)動、無級變速行走等功能,集機電液一體化技術(shù)于一身。其發(fā)動機功率充足,作業(yè)效率高,行走方式可為輪式、履帶式以及輪履結(jié)合方式,對林間作業(yè)有較好的適應(yīng)性。

其缺點是利用率低、裝備成本高。自走式裝備功能強大、功率大、系統(tǒng)配置齊全導(dǎo)致造價較高。由于林果采收季節(jié)性強,每年只有一個月左右的采收期,造成利用率很低,投資回收期長。

3 對我國林果機械化采收的發(fā)展建議

3.1 加大機械化采收技術(shù)的引進和研究

加強與國際先進裝備研發(fā)機構(gòu)、企業(yè)的合作交流,引進和吸收先進技術(shù)經(jīng)驗。制定相關(guān)政策和法規(guī),對機械化采收技術(shù)的引進和研究給予支持和鼓勵。針對國內(nèi)實際情況開展關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新研究,特別是基礎(chǔ)理論研究,如樹體果實生物特性、采后對樹體和土壤影響等,掌握其相關(guān)參數(shù)為采收機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進提供依據(jù),進一步提高采收機的采收質(zhì)量和采收效率。林果采收季節(jié)性強,建立林果實驗基地,保證機械研發(fā)過程中的隨時可全工況、真場景試驗,為機械研發(fā)提供必要條件。加強林果采摘前沿性研究,如視覺識別、機械手采摘、北斗導(dǎo)航、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等研究。

3.2 踔厲推進林機林藝融合

復(fù)雜多樣的栽植模式和小規(guī)模零散栽植,導(dǎo)致機械化作業(yè)十分困難,宜機化是推進機械采收的重要突破口。對于現(xiàn)有難于改造的林地開發(fā)多種機型,多機聯(lián)合作業(yè),以機適地。針對現(xiàn)有林地具備改造條件的大力推進宜機化改造工作,改善林地作業(yè)條件,加速機械化采收進程。對于新栽植的林木,制定宜機化栽植標(biāo)準(zhǔn),依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇適宜品種、地塊、栽植模式進行標(biāo)準(zhǔn)化栽植。機械設(shè)計過程中也要結(jié)合林藝要求,關(guān)注功能性設(shè)計、作業(yè)效率、耐用性與穩(wěn)定性、人機工程學(xué)、維護便捷性、經(jīng)濟性等方面要求,使機械更好地適應(yīng)林業(yè)生產(chǎn)的實際需求,做到林機林藝高度融合。

3.3 加大裝備研發(fā)政策支持和人才培養(yǎng)

加大扶持力度,通過稅收優(yōu)惠、技術(shù)創(chuàng)新獎勵、研發(fā)經(jīng)費補助等各種政策手段,鼓勵企業(yè)、科研機構(gòu)和政府加大財政資金的支持,設(shè)立專項經(jīng)費,用于裝備研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新。優(yōu)化產(chǎn)學(xué)研合作機制,加強企業(yè)、高校、科研院所之間的協(xié)作,形成合力優(yōu)勢互補。建立產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合研發(fā)平臺,共享資源和技術(shù),促進科研成果的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用,加快裝備研發(fā)的進程。

加強人才培養(yǎng),林果采收機械化離不開人才支撐,加大對機械化采收技術(shù)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)力度,培養(yǎng)和引進相關(guān)專業(yè)的人才,設(shè)立專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)班、碩士、博士研究生項目,開展科研項目和實踐基地,培養(yǎng)更多既懂理論又能實踐的機械化采收創(chuàng)新型實用人才。

4 結(jié)論

國外振動采收技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。歐美各國已經(jīng)相繼推廣振動采收裝備,并形成一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈。其中,美國、西班牙、意大利、法國等采用的機械式振動采收技術(shù)較為成熟,在堅果、水果等作物的采收方面已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。另外,日本、韓國等亞洲國家也在振動采收技術(shù)研發(fā)方面有一定的經(jīng)驗和成果。

國外無論是采收裝備,還是其他林業(yè)裝備自動化程度和作業(yè)效率都很高,產(chǎn)品品種豐富,而我國的采收機械化總體水平還相當(dāng)?shù)?與國外同類產(chǎn)品存在較大差距。雖然我國的林果面積較大,但采收裝備保有量卻很少,采收裝備也是近幾年才開發(fā)的產(chǎn)品,還處于起步階段。鑒于此,相關(guān)部門應(yīng)加強政策引導(dǎo),采收裝備生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)在一定程度上增加采收裝備等林業(yè)裝備的開發(fā)力度,盡快縮短與其他發(fā)達國家之間的差距,也為我國林果業(yè)的發(fā)展提供可靠的產(chǎn)品。