国外机械振动式林果收获装备研究现状与展望

范志远, 曲振兴, 汤晶宇*, 向文博, 张瑞阳, 李世晓, 张 奇

(1.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所,黑龙江 哈尔滨 150086;2.国家林业和草原局林业机电工程重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150086;3.国家林业和草原局林业装备工程技术研究中心,黑龙江 哈尔滨 150086;4.东北林业大学机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

我国林果资源丰富、种类繁多、种植面积大,林果产量位居世界前列。随着经济的快速发展、乡村振兴战略实施、农村产业结构的不断优化,林果业逐步成为了促进果农增收致富、生态增效、国土增绿的主导产业和重要支柱产业,也是实现生态、经济、社会效益并重的产业,具有较强的国际竞争力和广阔的发展前景[1]。

虽然我国林果资源丰富,但与发达国家相比,在林果收获装备的发展方面仍处于相对落后的状态。目前国内已有部分收获装备相继被研发,但都处于试验和小批量生产阶段[2],未能实现市场推广,主要的采收方式还是人工采收[3, 4]。随着季节性劳动力的短缺,人工成本不断增长[5, 6],人工采收所投入的劳动力大约占整个工作投入的35%～45%[7],影响了林果的市场竞争力[8]。此外,如果林果在成熟后不及时采收,一方面会影响林果的质量,另一方面会影响后一年的产量,造成较大的损失[9]。因此,对于我国的林果产业来说,林果的机械化收获十分重要,既可提高效率又可保障林果的质量。林果机械化收获是林果全程生产最重要的一个环节,是确保成熟果实及时、无损、高效采收的关键,对后续的果实储藏、 运输、加工以及销售产生直接影响[10-12]。目前,机械收获在国外已作为一项成熟的技术被广泛应用,国外林果收获机理主要有接触式、气力振动式、撞击振动式、机械振动式等,其中应用较广的是机械振动式收获装备[13-17]。

林果收获装备包括采摘装备、收集装备及采收一体机。针对国外机械振动式收获装备的发展现状,将机械振动机理分成偏心式和曲柄连杆式,并分别进行阐述,按照移动方式的不同将振动式林果收获装备分成五类,介绍了各国典型收获装备的开发情况、产品特点及相关参数,并结合我国栽植模式提出了发展建议,以期为我国林果机械化收获技术的发展和科研人员研究提供参考[18]。

1 振动式林果收获机理

1.1 偏心式

1.1.1 偏心式激振器的组成

偏心式激振器通常由偏心块、偏心轴、轴承、轴承座组成,如图1所示。激振器的振动是由偏心块回转运动时产生周期变化的离心力引起的[19]。

1.1.2 偏心式激振器的形式

(1)单轴式惯性激振器

单轴式惯性激振器通常产生沿圆周方向变化的激振力。单轴偏心机构如图2(a)所示,在x,y方向都有激振力[20, 21],运动轨迹呈现椭圆形状。

图2 偏心机构

(2)双轴式惯性激振器

双轴式振动头又分为两种,一种是同向等速转动如图2(b)所示的双轴同向偏心机构,另一种为反向同速转动的双轴反向对称偏心机构[22-24]如图2(c)所示。当同向等速转动的两个轴上的质量和偏心距相同时,在x、y方向上两个偏心块产生的惯性力的分力分别相加;当反向等速转动的两个轴上的质量和偏心距相同时,在x方向上两个偏心块产生的惯性力相互抵消,在y方向上两个偏心块产生的惯性力相加,就会产生一个往复的直线激振力[25, 26]。

其优点是偏心块振动的结构相对简单,制造成本较低,偏心块振动占用空间较小,适用于空间有限的场合,结构稳定性较好,振动频率、振幅、激振力可通过转速和偏心块质量进行调整。

其缺点是由于偏心块与旋转轴的接触点位置不断变化,振动力的大小和方向不断变化,易产生不稳定的振动,一般只能产生简谐振动,对于复杂的振动模式难以实现,振动幅度受负载影响较大,在偏心块振动过程中,由于运动部件的相对摩擦和能量传递等问题,会有较大能量损耗。

1.2 曲柄连杆式

曲柄连杆式激振器是由曲柄、连杆、夹持器[27]组成,如图3所示。工作时,动力源驱动曲柄连杆机构使夹持器作直线往复运动[28, 29],夹持器夹在树体上,树枝受迫振动从而使果实振动,当果实受到的惯性力大于其果柄拉断力时,果实掉落,实现果实采摘[30-34]。本装置的振动幅度由曲柄长度决定,振动频率由转速决定,对机身作用力较大[35],一般适合摇枝振动采摘。

图3 曲柄连杆式激振器

其优点是可通过调整曲柄连杆机构连杆的长度和曲柄的角度,切换多种不同的振动模式,实现对振动频率和振幅的精确控制。

其缺点是曲柄连杆机构相对于偏心块振动比较复杂,制造精度要求较高,需要更多的附件和机构来实现振动转换,制造成本较高,占用空间较大,不太适合空间有限的场合。一般用于负载较小的场合,应用于便携式采摘机具。

2 振动式林果收获装备的分类

目前,国外研究的振动式林果收获装备主要由动力装置、行走装置、振动装置、收集装置、控制系统、液压系统等组成。根据结构形式和移动方式不同,分为 5 种形式:便携式、手推式、悬挂式、牵引式和自走式。

2.1 便携式

便携式装备如表1所示,指人工手持或背挎进行采摘的一种装备。

表1 便携式装备

其优点是体积小、携带方便、成本低廉。对于大型采收装备只能用于立地条件好的、林间作业环境优的采摘区域进行采摘,而对于生长在比较陡峭的丘陵山地上的林果,大型装备无法到达[36],便携式采摘装备却非常适用。装备结构简单、加工制造价格低,适合小型种植户使用。

其缺点是劳动强度大、效率低。由于便携式采摘装备需要人工携带,长时间作业会导致操作者产生疲劳,作业人员在疲劳状态下继续作业将致使工作效率下降。另外,由于便携式采摘装备只能在枝条位置采摘,每棵树需多次采摘才能完成,效率低。

2.2 手推式

手推式装备如表2所示,指人工辅助操作进行采摘或收集的一种装备。

表2 手推式装备

其优点是整机尺寸小、机动灵活、操作简单、自重轻,能在机动车辆不便使用的的工况下工作。手推式是介于便携式和自走式之间的一种机型,适合中小型种植户使用,能在相对狭小林间穿梭作业,对操作者的技术要求不高。其缺点是劳动强度相对较大、效率相对较低。

2.3 悬挂式

悬挂式装备如表3所示,指采摘(收)装置安装在拖拉机的机体上进行作业的一种装备。一般安装在拖拉机头部或机尾部,动力由拖拉机动力输出轴提供。

其优点是成本低、视线好、能用不同动力装置连接。采摘(收)装置于拖拉机前方或后方,驾驶员具有较好的视线。由于借助拖拉机作为动力,将采摘(收)装置拆下后可安装其他机具,“一机多用”提高拖拉机的利用率,同时降低了采摘(收)装备的成本。

其缺点是受拖拉机种类和型号的限制,存在整机尺寸较大、拆装困难、操纵性较差等问题。采摘(收)装置被分散安装在拖拉机的不同特定部位,用户每个采摘(收)季至少要安装和拆卸一次。拖拉机悬挂式采摘(收)装备一般较重,需要拖拉机机身承载,在林间作业由于土壤松软,作业时拖拉机轮胎会沉陷,从而影响拖拉机的操纵性。另外,由于拖拉机种类和型号众多,悬挂架形式、尺寸、动力输出轴等不尽相同,致使采摘(收)装置的安装接口需要多种尺寸,安装的通用性较差[37]。

2.4 牵引式

牵引式装备如表4所示,指采收装置与拖拉机相对独立,拖拉机牵引采收装置进行采收的一种装备。采收装置一般置于拖拉机后侧,拖拉机提供牵引力来进行移动[39]。

表4 牵引式装备

其优点是挂接方便,一般通过牵引架与采收装置单点绞接。在总体设计上不需考虑与拖拉机配置问题,采收装置自成体系,由动力装置、振动装置、收集装置、控制系统等部件组成,作业时只需将采收装置挂到拖拉机上,拖拉机提供行走动力。

其缺点是牵引式采收装备整机尺寸较大、转弯半径大、效率低。牵引式采收装备由拖拉机牵引采收装置,整机较长,不适合丘陵山地作业。对采收场地要求较大,首次采收需要对采收路段进行处理。一般至少需要俩人配合操作,作业行数多为单行,作业效率不高[40]。

2.5 自走式

自走式装备如表5所示,包括动力、行走、液压、振动、收集、操纵控制等系统,是一种自带动力系统的装备。该装备可完成“采-收-集”一体化作业,是一种集成化采摘(收)装备。

其优点是集成度高、作业效果好、机动性高、操作灵活,可在丘陵山地等相对复杂地形工作。自走式采收装备具备视频监控、液压驱动、无级变速行走等功能,集机电液一体化技术于一身。其发动机功率充足,作业效率高,行走方式可为轮式、履带式以及轮履结合方式,对林间作业有较好的适应性。

其缺点是利用率低、装备成本高。自走式装备功能强大、功率大、系统配置齐全导致造价较高。由于林果采收季节性强,每年只有一个月左右的采收期,造成利用率很低,投资回收期长。

3 对我国林果机械化采收的发展建议

3.1 加大机械化采收技术的引进和研究

加强与国际先进装备研发机构、企业的合作交流,引进和吸收先进技术经验。制定相关政策和法规,对机械化采收技术的引进和研究给予支持和鼓励。针对国内实际情况开展关键技术创新研究,特别是基础理论研究,如树体果实生物特性、采后对树体和土壤影响等,掌握其相关参数为采收机的结构优化与改进提供依据,进一步提高采收机的采收质量和采收效率。林果采收季节性强,建立林果实验基地,保证机械研发过程中的随时可全工况、真场景试验,为机械研发提供必要条件。加强林果采摘前沿性研究,如视觉识别、机械手采摘、北斗导航、物联网、大数据等研究。

3.2 踔厉推进林机林艺融合

复杂多样的栽植模式和小规模零散栽植,导致机械化作业十分困难,宜机化是推进机械采收的重要突破口。对于现有难于改造的林地开发多种机型,多机联合作业,以机适地。针对现有林地具备改造条件的大力推进宜机化改造工作,改善林地作业条件,加速机械化采收进程。对于新栽植的林木,制定宜机化栽植标准,依据标准选择适宜品种、地块、栽植模式进行标准化栽植。机械设计过程中也要结合林艺要求,关注功能性设计、作业效率、耐用性与稳定性、人机工程学、维护便捷性、经济性等方面要求,使机械更好地适应林业生产的实际需求,做到林机林艺高度融合。

3.3 加大装备研发政策支持和人才培养

加大扶持力度,通过税收优惠、技术创新奖励、研发经费补助等各种政策手段,鼓励企业、科研机构和政府加大财政资金的支持,设立专项经费,用于装备研发和技术创新。优化产学研合作机制,加强企业、高校、科研院所之间的协作,形成合力优势互补。建立产学研联合研发平台,共享资源和技术,促进科研成果的转化和应用,加快装备研发的进程。

加强人才培养,林果采收机械化离不开人才支撑,加大对机械化采收技术领域的人才培养力度,培养和引进相关专业的人才,设立专业技术培训班、硕士、博士研究生项目,开展科研项目和实践基地,培养更多既懂理论又能实践的机械化采收创新型实用人才。

4 结论

国外振动采收技术已经得到广泛应用和发展。欧美各国已经相继推广振动采收装备,并形成一定规模的产业链。其中,美国、西班牙、意大利、法国等采用的机械式振动采收技术较为成熟,在坚果、水果等作物的采收方面已经被广泛应用。另外,日本、韩国等亚洲国家也在振动采收技术研发方面有一定的经验和成果。

国外无论是采收装备,还是其他林业装备自动化程度和作业效率都很高,产品品种丰富,而我国的采收机械化总体水平还相当低,与国外同类产品存在较大差距。虽然我国的林果面积较大,但采收装备保有量却很少,采收装备也是近几年才开发的产品,还处于起步阶段。鉴于此,相关部门应加强政策引导,采收装备生产企业应在一定程度上增加采收装备等林业装备的开发力度,尽快缩短与其他发达国家之间的差距,也为我国林果业的发展提供可靠的产品。