國外機械振動式林果收獲裝備研究現狀與展望

范志遠, 曲振興, 湯晶宇*, 向文博, 張瑞陽, 李世曉, 張 奇

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

我國林果資源豐富、種類繁多、種植面積大,林果產量位居世界前列。隨著經濟的快速發展、鄉村振興戰略實施、農村產業結構的不斷優化,林果業逐步成為了促進果農增收致富、生態增效、國土增綠的主導產業和重要支柱產業,也是實現生態、經濟、社會效益并重的產業,具有較強的國際競爭力和廣闊的發展前景[1]。

雖然我國林果資源豐富,但與發達國家相比,在林果收獲裝備的發展方面仍處于相對落后的狀態。目前國內已有部分收獲裝備相繼被研發,但都處于試驗和小批量生產階段[2],未能實現市場推廣,主要的采收方式還是人工采收[3, 4]。隨著季節性勞動力的短缺,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量,另一方面會影響后一年的產量,造成較大的損失[9]。因此,對于我國的林果產業來說,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量。林果機械化收獲是林果全程生產最重要的一個環節,是確保成熟果實及時、無損、高效采收的關鍵,對后續的果實儲藏、 運輸、加工以及銷售產生直接影響[10-12]。目前,機械收獲在國外已作為一項成熟的技術被廣泛應用,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展現狀,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情況、產品特點及相關參數,并結合我國栽植模式提出了發展建議,以期為我國林果機械化收獲技術的發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運動時產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生沿圓周方向變化的激振力。單軸偏心機構如圖2(a)所示,在x,y方向都有激振力[20, 21],運動軌跡呈現橢圓形狀。

圖2 偏心機構

(2)雙軸式慣性激振器

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

其優點是偏心塊振動的結構相對簡單,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,結構穩定性較好,振動頻率、振幅、激振力可通過轉速和偏心塊質量進行調整。

其缺點是由于偏心塊與旋轉軸的接觸點位置不斷變化,振動力的大小和方向不斷變化,易產生不穩定的振動,一般只能產生簡諧振動,對于復雜的振動模式難以實現,振動幅度受負載影響較大,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,動力源驅動曲柄連桿機構使夾持器作直線往復運動[28, 29],夾持器夾在樹體上,樹枝受迫振動從而使果實振動,當果實受到的慣性力大于其果柄拉斷力時,果實掉落,實現果實采摘[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

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

其缺點是曲柄連桿機構相對于偏心塊振動比較復雜,制造精度要求較高,需要更多的附件和機構來實現振動轉換,制造成本較高,占用空間較大,不太適合空間有限的場合。一般用于負載較小的場合,應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、液壓系統等組成。根據結構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、林間作業環境優的采摘區域進行采摘,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。裝備結構簡單、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,長時間作業會導致操作者產生疲勞,作業人員在疲勞狀態下繼續作業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,對操作者的技術要求不高。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,在林間作業由于土壤松軟,作業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,拖拉機提供牽引力來進行移動[39]。

表4 牽引式裝備

其優點是掛接方便,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、控制系統等部件組成,作業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。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,作業行數多為單行,作業效率不高[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,是一種自帶動力系統的裝備。該裝備可完成“采-收-集”一體化作業,是一種集成化采摘(收)裝備。

其優點是集成度高、作業效果好、機動性高、操作靈活,可在丘陵山地等相對復雜地形工作。自走式采收裝備具備視頻監控、液壓驅動、無級變速行走等功能,集機電液一體化技術于一身。其發動機功率充足,作業效率高,行走方式可為輪式、履帶式以及輪履結合方式,對林間作業有較好的適應性。

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、系統配置齊全導致造價較高。由于林果采收季節性強,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展建議

3.1 加大機械化采收技術的引進和研究

加強與國際先進裝備研發機構、企業的合作交流,引進和吸收先進技術經驗。制定相關政策和法規,對機械化采收技術的引進和研究給予支持和鼓勵。針對國內實際情況開展關鍵技術創新研究,特別是基礎理論研究,如樹體果實生物特性、采后對樹體和土壤影響等,掌握其相關參數為采收機的結構優化與改進提供依據,進一步提高采收機的采收質量和采收效率。林果采收季節性強,建立林果實驗基地,保證機械研發過程中的隨時可全工況、真場景試驗,為機械研發提供必要條件。加強林果采摘前沿性研究,如視覺識別、機械手采摘、北斗導航、物聯網、大數據等研究。

3.2 踔厲推進林機林藝融合

復雜多樣的栽植模式和小規模零散栽植,導致機械化作業十分困難,宜機化是推進機械采收的重要突破口。對于現有難于改造的林地開發多種機型,多機聯合作業,以機適地。針對現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,制定宜機化栽植標準,依據標準選擇適宜品種、地塊、栽植模式進行標準化栽植。機械設計過程中也要結合林藝要求,關注功能性設計、作業效率、耐用性與穩定性、人機工程學、維護便捷性、經濟性等方面要求,使機械更好地適應林業生產的實際需求,做到林機林藝高度融合。

3.3 加大裝備研發政策支持和人才培養

加大扶持力度,通過稅收優惠、技術創新獎勵、研發經費補助等各種政策手段,鼓勵企業、科研機構和政府加大財政資金的支持,設立專項經費,用于裝備研發和技術創新。優化產學研合作機制,加強企業、高校、科研院所之間的協作,形成合力優勢互補。建立產學研聯合研發平臺,共享資源和技術,促進科研成果的轉化和應用,加快裝備研發的進程。

加強人才培養,林果采收機械化離不開人才支撐,加大對機械化采收技術領域的人才培養力度,培養和引進相關專業的人才,設立專業技術培訓班、碩士、博士研究生項目,開展科研項目和實踐基地,培養更多既懂理論又能實踐的機械化采收創新型實用人才。

4 結論

國外振動采收技術已經得到廣泛應用和發展。歐美各國已經相繼推廣振動采收裝備,并形成一定規模的產業鏈。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較為成熟,在堅果、水果等作物的采收方面已經被廣泛應用。另外,日本、韓國等亞洲國家也在振動采收技術研發方面有一定的經驗和成果。

國外無論是采收裝備,還是其他林業裝備自動化程度和作業效率都很高,產品品種豐富,而我國的采收機械化總體水平還相當低,與國外同類產品存在較大差距。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的產品,還處于起步階段。鑒于此,相關部門應加強政策引導,采收裝備生產企業應在一定程度上增加采收裝備等林業裝備的開發力度,盡快縮短與其他發達國家之間的差距,也為我國林果業的發展提供可靠的產品。