葡萄修剪機(jī)研究現(xiàn)狀分析

周艷 韓會敏 蔡文龍 賈首星 何磊 代亞猛 李帆

摘要：合理的葡萄修剪是使葡萄獲得穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的前提保障。人工修剪葡萄存在勞動成本高、效率低、勞動強(qiáng)度大、修剪質(zhì)量難以保證等諸多問題，農(nóng)戶急需要用機(jī)械式葡萄修剪來代替手工修剪。概括了葡萄修剪機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析了未來葡萄修剪機(jī)械的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：葡萄;修剪機(jī);現(xiàn)狀;趨勢

中圖分類號：S663.1? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）21-0005-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.21.001? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Research Status of Grape Pruning Machine

ZHOU Yan1，HAN Hui-min2，CAI Wen-long2，JIA Shou-xing1，HE Lei1，DAI Ya-meng1，LI Fan1

（1.Institute of Mechanical Equipment，Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation，Shihezi 832000，Xinjiang，China;

2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Shihezi 832003，Xinjiang，China）

Abstract： Reasonable grape pruning is the prerequisite for the stable and high yield of grapes. Artificial pruning of grapes has many problems such as large labor cost，low efficiency，high labor intensity，and difficult to guarantee pruning quality. Farmers urgently need to use mechanical grape pruning instead of manual pruning. The development status of grape pruning machine at home and abroad is summarized，and the development trend of grape pruning machinery in the future is analyzed.

Key words： grape; pruning machine; present situation; trend

葡萄生產(chǎn)是一個季節(jié)性強(qiáng)且需要大量勞動力的工作。近年來，農(nóng)村“老齡化、空心化”現(xiàn)象日益嚴(yán)重，農(nóng)村勞動力快速轉(zhuǎn)移直接導(dǎo)致從事葡萄生產(chǎn)的人手急劇短缺，再加上雇傭人工費(fèi)用逐年上漲，對葡萄生產(chǎn)造成了很大的沖擊[1];目前人工修剪存在效率低、勞動強(qiáng)度大、修剪質(zhì)量難以保證等諸多問題，嚴(yán)重影響了葡萄產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展，這已經(jīng)成為制約中國葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，因此葡萄生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化迫在眉睫。

1? 葡萄修剪的目的和意義

葡萄為多年蔓生植物，因枝蔓上生有卷須，能纏繞它物攀援上升，上升枝條雖然能接受更多的風(fēng)和陽光，但由于枝條稠密會使下面的枝條接受風(fēng)和陽光的機(jī)會大大減少，從而導(dǎo)致枝蔓營養(yǎng)跟不上，這直接影響到葡萄的品質(zhì)和產(chǎn)量[2]。如果任其隨意生長將嚴(yán)重影響葡萄的豐產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)[3]。因此及時地修剪多余的葡萄藤蔓是獲得豐收和經(jīng)濟(jì)效益的前提保障。

對葡萄進(jìn)行合理的修剪能確保留下強(qiáng)壯芽，去除一定數(shù)量弱的萌芽，從而保證每年能長出良好的新生枝蔓[1];能合理地分配結(jié)果的數(shù)量和養(yǎng)分的供應(yīng)，減少不必要的營養(yǎng)流失[4];使陽光照射的更充分，使果實(shí)充分著色，提高果實(shí)的外觀和品質(zhì);減少病蟲的損害，增強(qiáng)果樹的抗逆能力;減少用藥量，便于機(jī)械化管理，降低生產(chǎn)成本。

目前，中國大部分地區(qū)葡萄修剪工作仍以人工修剪為主，機(jī)械化水平不高。相比人工修剪，機(jī)械式修剪大大提高了作業(yè)效率、減輕了勞動強(qiáng)度、降低了勞動成本、保證了修剪質(zhì)量。

2? 中國葡萄的種植現(xiàn)狀

2.1? 新疆是中國葡萄的主產(chǎn)區(qū)

新疆占中國1/6的國土，由于其光照和地域等自然條件獨(dú)特，種植出的葡萄品質(zhì)好、產(chǎn)量高，再加上面積廣闊，新疆成為中國葡萄主產(chǎn)區(qū)。

2.2? 新疆葡萄種植面積和產(chǎn)量穩(wěn)步增長

近年來，葡萄在中國的種植面積穩(wěn)步增長，2011年，中國成為居澳大利亞、智利和南非之前排名世界第六的葡萄生產(chǎn)大國。截至2016年，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)葡萄的總種植面積已達(dá)近5萬hm2，占新疆果樹總種植面積的31.3%[5]。新疆具有生產(chǎn)葡萄得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢，適宜多種類型優(yōu)質(zhì)葡萄的種植。近些年新疆葡萄種植面積、單產(chǎn)和總產(chǎn)量都穩(wěn)步增長。

2.3? 新疆釀酒葡萄種植模式適合機(jī)械化修剪

葡萄在每年6-9月需要修剪3～4次，工作時氣溫常常高達(dá)30 ℃，存在工作環(huán)境差、人工成本高、勞動強(qiáng)度大和效率低等諸多問題。機(jī)械化修剪則可以解決這些問題。新疆釀酒葡萄主要采用籬架式種植模式（圖1），立柱多為實(shí)心水泥樹樁，少數(shù)采用空心鋁制方管，埋入地下部分不少于500 mm;國外發(fā)達(dá)國家釀酒葡萄立柱多采用木質(zhì)立柱樹樁。新疆釀酒葡萄栽培一般為行距2 500～4 000 mm，株距500 mm，立柱樁距6 000 mm，普通釀酒葡萄葉幕寬度大于1 000 mm，高度2 000 mm左右。新疆釀酒葡萄種植模式與國外種植模式相似，葡萄藤下部枝條較多且葡萄藤根部與水泥立柱間存在間距[6]，利于機(jī)械化修剪。

3? 葡萄機(jī)械修剪國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

葡萄的修剪方式主要有兩種：單枝選擇修剪和整株幾何修剪。單枝選擇修剪是根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件和果樹的種植特點(diǎn)按一定原則選擇修剪。該修剪方式技術(shù)性強(qiáng)、修剪條件復(fù)雜，目前只能通過人工來完成。整株幾何修剪是在拖拉機(jī)上安裝可以上下升降、左右轉(zhuǎn)動的外伸作業(yè)臂，臂端裝有液壓驅(qū)動的切割器，對樹冠按一定的幾何形狀進(jìn)行修剪。

3.1? 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

中國對葡萄修剪機(jī)械的研究起步較晚。目前中國葡萄修剪還主要以人工修剪為主，機(jī)械化水平較低。手工修剪結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。主要分為無動力源的修剪和有動力源的修剪[7]。無動力源的修剪一般修剪20 mm以下的枝條，并完全依靠人力提供修剪動力，勞動強(qiáng)度大，耗時費(fèi)力，長時間的作業(yè)容易對人的關(guān)節(jié)造成損傷。但由于價格便宜，操作簡單，因此還被大量使用（圖2）。

有動力源的修剪（電動剪、氣動剪和液動剪）大都需要外部提供動力（圖3）。修剪刀具一般受動力源的限制，刀具質(zhì)量一般較大，不易長時間操作[8，9]。

1）電動修枝剪。采用可充電的鋰電池（或鉛酸電池）作為動力源，具有無污染、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。工作時，將電池背在背上，只需輕按扳機(jī)就可完成修剪工作。其攜帶方便，也適合無電源的野外工作，適合剪切0～25 mm直徑的枝條。

2）氣動修枝剪。氣動剪枝機(jī)主要包括動力源、空氣壓縮機(jī)、氣動修剪工具以及氣動附件氣管、氣接頭等部分。工作原理：按下開關(guān)閥（單向閥）時，進(jìn)入壓縮空氣，壓縮空氣推動活塞運(yùn)動，活塞桿傳遞給剪刀組件中動刀動力，動刀和定刀咬合完成剪切樹枝動作，動作結(jié)束后，由回位彈簧將活塞頂回初始位置，并帶動動刀回位。

3）液動修枝剪。由液壓油缸、控制閥手柄、油管接頭、固定刀片和動刀片組成。工作時，手持把手，操縱控制閥，動刀片在活塞推動作用下繞軸轉(zhuǎn)動，從而剪斷枝條。液壓剪能剪斷直徑60～120 mm的枝條，剪斷時間2～18 s，有短柄和長柄型兩種剪刀。在作業(yè)中，動力機(jī)可以放在地上、掛在樹上或背在肩上。液壓傳動的速度和轉(zhuǎn)矩均可無級調(diào)節(jié)，振動小、切口平滑、效果好、修剪效率高、造價較高且維修、保養(yǎng)要求比較高，對操作人員技術(shù)要求也較高。

華南熱帶作物機(jī)械研究所設(shè)計(jì)制造的3GS-8型修剪整形自動升降臺主要由立柱、伸縮臂、工作臺、修枝剪和前支架組成，修剪工可以通過安裝在工作臺上的操縱手柄來控制工作臺的位置[10]。

山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院張德學(xué)等[11]設(shè)計(jì)了一種PJS-1型兩冀式萄萄剪枝機(jī)械。該機(jī)采用拖拉機(jī)前掛式液壓驅(qū)動方式，主機(jī)通過機(jī)架連接安裝于拖拉機(jī)前部，液壓馬達(dá)分別驅(qū)動左、右及頂部的切削刀旋轉(zhuǎn)，一次可以完成左右兩側(cè)葡萄藤的側(cè)面及頂面的修剪工作。該機(jī)的使用不僅能夠節(jié)省大量的人力成本，降低勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)葡萄剪枝的連續(xù)、高效和機(jī)械化作業(yè)。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的徐麗明等[12]發(fā)明了一種葡萄果實(shí)外部枝葉修剪機(jī)，該修剪機(jī)由機(jī)架部分、移動旋轉(zhuǎn)部分、葉輪部分及修剪部分等組成。葡萄修剪機(jī)懸掛在拖拉機(jī)后面，通過控制水平方向的伸縮油缸與豎直方向的伸縮油缸來調(diào)整割臺的側(cè)向位置與高度，通過高速甩動的打草繩將高速旋轉(zhuǎn)葉輪吸入的葡萄枝葉打掉。

2014年，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院龍魁[13]設(shè)計(jì)了一種具有手動仿形機(jī)構(gòu)的單側(cè)往復(fù)式葡萄藤修剪機(jī)，在葡萄藤側(cè)面進(jìn)行修剪。通過手動仿形機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)行間大小，實(shí)現(xiàn)對小行距葡萄樹的修剪。該修剪機(jī)的往復(fù)式切割結(jié)構(gòu)簡單，功耗小，修剪效率高，但對葡萄藤的不同生長狀態(tài)適應(yīng)性差，易堵塞;由于往復(fù)性切割，慣性力較大，機(jī)架振動大，作業(yè)速度不宜過高。

2017年石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院研制了一種釀酒葡萄藤修剪裝置[6]。該裝置旋轉(zhuǎn)刀總成主要由軸承座、刀盤、刀片、主軸、法蘭盤及端蓋等組成。該裝置可以有效調(diào)節(jié)釀酒葡萄藤修剪的高度和寬度，從而大幅度減輕人工修剪的勞動強(qiáng)度，減少人工成本，顯著地提高釀酒葡萄藤修剪的效率。

2018年新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制出一種L型釀酒葡萄藤修剪裝置。該裝置采用前懸掛方式安裝在拖拉機(jī)上，通過控制開關(guān)操作，即可完成葡萄藤側(cè)面及頂面的整株幾何修剪，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，方便實(shí)用，能夠滿足釀酒葡萄園的修剪作業(yè)要求，修剪效果好，修剪效率高。

3.2? 國外研究現(xiàn)狀

國外對葡萄藤修剪機(jī)械的研究起步較早，機(jī)型也較齊全，主要以經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的歐美、日本等國家為代表。早在20世紀(jì)初期，西方國家就已開始在果園的繁重作業(yè)中應(yīng)用機(jī)械，但當(dāng)時主要使用的是一些簡單的機(jī)械式刀剪工具以及使用柴油機(jī)和汽油機(jī)作為動力來源的小型背負(fù)式機(jī)械[14]。從20世紀(jì)80年代開始，各種園林剪枝專用機(jī)械紛紛面世，如剪枝刀、剪枝機(jī)、智能剪枝機(jī)器手等。發(fā)展進(jìn)程見表1。

國外在葡萄園和采用籬壁式矮化密植栽培的果園多采用整株幾何修剪。其優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)速度快，缺點(diǎn)是修剪質(zhì)量比較粗糙。幾何修剪可以除掉阻礙機(jī)械通行的枝條，修剪后的葡萄園有利于后續(xù)的作業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。整株幾何修剪的工具根據(jù)切割器類型的不同，又分為往復(fù)割刀式修剪機(jī)、轉(zhuǎn)刀式修剪機(jī)和圓盤鋸式修剪機(jī)[15]。

1）往復(fù)割刀式修剪機(jī)由一組往復(fù)運(yùn)動的動刀片和作底刃的定刀片組成修剪機(jī)的切割器。切割器的控制由液壓系統(tǒng)完成。特點(diǎn)是：割刀結(jié)構(gòu)簡單，功耗小，機(jī)械效率高，割茬整齊，修剪質(zhì)量好;但對不同生長環(huán)境的葡萄樹適應(yīng)差、易堵塞;由于往復(fù)慣性力較大，振動大，限制了作業(yè)速度;相對于轉(zhuǎn)刀式割刀和圓盤式割刀工作方式更安全可靠。

2）轉(zhuǎn)刀式修剪機(jī)主要由液壓馬達(dá)、液壓缸和裝在機(jī)架上的3～6個鋼刀葉片組成。安裝在機(jī)架上的液壓油缸用以調(diào)整割刀的切割高度與切割方向。液壓馬達(dá)帶動刀片高速旋轉(zhuǎn)來切斷枝條。特點(diǎn)是：方便調(diào)整，運(yùn)轉(zhuǎn)較平穩(wěn)，振動小，工作可靠性強(qiáng);但其功率消耗較大。由于割刀是靠高速旋轉(zhuǎn)工作的，易造成枝條飛出，引起不安全因素;切割能力較強(qiáng)，適于高速作業(yè)，并只適用于修剪比較細(xì)嫩的枝條;與往復(fù)式割刀和圓盤式割刀相比，其工作效率更高。

3）圓盤鋸式修剪機(jī)由兩排安裝在刀架上作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)刀盤組成切割器。利用刀盤的高速回轉(zhuǎn)，削斷枝條。液壓系統(tǒng)控制著刀盤的轉(zhuǎn)動和刀架位置的變動。特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊，不需要慣性力平衡，也不會出現(xiàn)堵刀的現(xiàn)象;功率消耗大，割茬不整齊，破碎較多;切割能力較強(qiáng)，適于中、高速作業(yè);利用圓盤刀的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)的方向拋撒枝條，可以方便收集枝條，適于條鋪，但是損失較多;比起往復(fù)式割刀和轉(zhuǎn)刀式割刀更適合聯(lián)合作業(yè)（圖4）。

2001年，澳大利亞Fred Spagnolo[16]設(shè)計(jì)了一種拖拉機(jī)前懸掛式的回轉(zhuǎn)葉片葡萄藤修剪機(jī)，旋轉(zhuǎn)葉片均采用液壓馬達(dá)驅(qū)動。修剪機(jī)整機(jī)分為上下兩個部分，上部用于修剪葡萄藤的頂部，下部分用于修剪葡萄藤的側(cè)枝。修剪機(jī)上部與機(jī)架之間采用鉸接形式，靠彈簧彈力進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)修剪機(jī)上部碰到立柱等障礙物時，可以繞鉸接部位轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)避障，越過障礙物時靠彈簧彈力復(fù)位。修剪機(jī)下部可以在液壓缸的作用下繞中心部位進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)對不同高度葡萄藤的修剪。

2003年，澳大利亞Fred Spagnolo設(shè)計(jì)了SG修剪機(jī)。該修剪機(jī)采用龍門形式，通過拖拉機(jī)側(cè)向懸掛騎跨在樹上進(jìn)行修剪。整機(jī)分為兩個立式修剪機(jī)構(gòu)，每個機(jī)構(gòu)上安裝多組回轉(zhuǎn)圓盤刀，通過液壓油缸調(diào)節(jié)，控制修剪機(jī)構(gòu)的張開角度，以實(shí)現(xiàn)不同樹形的修剪[17]。立式修剪機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)上下移動，完成對整個樹冠的修剪。龍門架式樹冠修剪整形機(jī)更適于修剪葡萄藤。

2014年，意大利的Alberto Dorigoni設(shè)計(jì)了一種窗式修剪機(jī)。該機(jī)在傳統(tǒng)的整株幾何修剪機(jī)的基礎(chǔ)上，配備若干個獨(dú)立的修剪部分[18]。果樹的輪廓由傳統(tǒng)整形修剪機(jī)械來完成，內(nèi)部枝條則由獨(dú)立的修剪部分完成，實(shí)現(xiàn)整個果樹的修剪[19]。雖然該修剪機(jī)嘗試對內(nèi)部枝條修剪，但是該修剪機(jī)械僅能修剪成排種植的矮化密植型果樹，不能適應(yīng)復(fù)雜樹型的修剪。

綜上，傳統(tǒng)的手工修剪葡萄藤不僅要求工人有較高的修剪技術(shù)，而且作業(yè)效率低，長期作業(yè)還會對人的關(guān)節(jié)造成損傷;機(jī)械式修剪不僅降低成本，而且效率很高，便于葡萄園的機(jī)械化管理。

4? 葡萄樹機(jī)械修剪的發(fā)展趨勢

4.1? 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合

國外的種植模式多為標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)代大農(nóng)業(yè)，而國內(nèi)多是傳統(tǒng)的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)模式，不同國家、地區(qū)有著不同的農(nóng)業(yè)機(jī)械。國外的葡萄修剪技術(shù)先進(jìn)，但也存在售后服務(wù)問題，因此在國內(nèi)的葡萄生產(chǎn)管理中應(yīng)用較少。中國應(yīng)該從當(dāng)前的制造技術(shù)、工藝和機(jī)械的適用性上設(shè)計(jì)與制造適合本國葡萄生產(chǎn)管理的機(jī)械[20]。這樣不僅在經(jīng)濟(jì)上節(jié)約了成本，而且在適用實(shí)用上更適合中國國情。

4.2? 高效率

傳統(tǒng)的手工修剪因效率低、成本高，將會慢慢退出歷史舞臺，取而代之的是高效率的機(jī)械化作業(yè)。采用自動化機(jī)械化修剪作業(yè)可以有效降低人工作業(yè)強(qiáng)度，節(jié)省時間，降低成本。高效率的機(jī)械不僅體現(xiàn)在完成作業(yè)速度快，也體現(xiàn)在多機(jī)一體組合的應(yīng)用。修剪機(jī)可以和粉碎機(jī)、清掃、噴藥等機(jī)械聯(lián)合作業(yè)，經(jīng)濟(jì)效益將進(jìn)一步提高[21]。

4.3? 自動化

隨著葡萄修剪機(jī)械的不斷研發(fā)，將優(yōu)化出結(jié)構(gòu)更加合理、標(biāo)準(zhǔn)化工作的部件，使操作更簡便安全、維修更方便。從而實(shí)現(xiàn)修剪機(jī)械的自動化，進(jìn)一步提高工作效率，降低操作難度，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)的普及[22]。

4.4? 安全環(huán)保

任何機(jī)械都是為人類服務(wù)的，所以安全可靠、健康環(huán)保是設(shè)計(jì)機(jī)械的基本要求。修剪機(jī)械由于帶有高速運(yùn)動的危險性刀具，動力機(jī)械一般又是大功率的汽油、柴油機(jī)，所以安全和環(huán)保問題事關(guān)修剪機(jī)好壞、實(shí)用推廣的成敗。從環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略上和操作人員的工作環(huán)境來看，葡萄樹修剪機(jī)械的低耗、環(huán)保是一大趨勢。

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