新疆紅棗收獲機械的研究現(xiàn)狀與發(fā)展建議

董云成，李 斌，劉 洋，王 濤，王士國，劉向新

（新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所，新疆石河子 832000）

0 引言

近年，新疆地區(qū)大力發(fā)展林果產(chǎn)業(yè)，紅棗的產(chǎn)量持續(xù)增長，種植面積在增長后緩慢回落[1-2]，價格在暴漲暴跌后進入穩(wěn)定狀態(tài)，人工成本不斷上升，種植收益呈持續(xù)下降趨勢[3]，部分地區(qū)出現(xiàn)棗農(nóng)棄種現(xiàn)象[4]，在紅棗產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化發(fā)展的同時，人工采收已逐漸無法滿足紅棗采收的要求。近十年，為了降低收獲成本，提升收獲效率，降低勞動強度，很多科研人員對紅棗收獲機械進行了探索，研制了多種不同采收方式的樣機，但目前還沒有特別適合新疆紅棗種植模式的紅棗收獲機。

本文主要從采摘和撿拾兩種不同收獲方式的角度對新疆紅棗收獲機械研究現(xiàn)狀進行介紹，探究紅棗機械化收獲中存在的問題，以期為紅棗機械化收獲提供相應(yīng)思路。

1 新疆紅棗種植情況

新疆紅棗主要以灰棗和駿棗為主，目前大部分棗園采用矮化密植的種植方式[5]，樹形主要有Y型、紡錘型和小冠疏層型等。紅棗樹的株行距隨棗樹樹齡變化而變化，兩年以上樹齡棗園基本采用行距株距4 m×1.5 m的種植方式，棗樹定期修剪，確保株高不超過2.5 m，部分早期的老棗園株高5 m，株距3 m左右。

2 新疆紅棗機械化收獲現(xiàn)狀

新疆地區(qū)紅棗收獲分為鮮棗收獲與干棗收獲，根據(jù)收獲對象的不同具有兩種不同的收獲農(nóng)藝，擁有兩種不同類型的收獲機械。鮮棗收獲的農(nóng)藝為機械采摘→收集→清選→裝箱，該農(nóng)藝下的收獲機械可稱為采收機械，采用振動原理實現(xiàn)紅棗脫落，下方布有傘形裝置或收集網(wǎng)收集采摘的紅棗，清選后裝箱運輸，該機型適宜樹齡較大的棗園，無法收獲提前落地的紅棗。干棗收獲農(nóng)藝為自然風(fēng)干晾曬→打棗→集條→撿拾→除雜→裝箱，該農(nóng)藝讓棗果在樹上自然成熟增加糖分的同時晾曬風(fēng)干，成熟晾干后的棗果在重力和風(fēng)力的作用下大部分會脫落至地表，與地表落葉形成棗葉混合物，收獲時人工用長竿將棗樹上未脫落的棗果擊落至地表，人工或機械集條后，用機械或氣吸的方式撿拾地面的棗葉混合物，除雜后收集裝箱。干棗收獲也是目前的主流收獲農(nóng)藝。

新疆紅棗的成熟期集中，鮮棗在9月底10月初收獲，干棗在10月末采收，收獲期與棉花等疊加，收獲時用工量巨大、勞動強度大、雇工難、成本高、效率低，急需適宜的收獲機械來降低勞動強度和成本。

2.1 紅棗采收機

紅棗采收機收獲目標(biāo)為鮮棗，主要利用振動原理實現(xiàn)紅棗脫落，一般通過給予棗樹樹干或棗樹樹枝固定頻率的振動來強迫棗樹振動，使紅棗果實受到的慣性力大于果實果枝的結(jié)合力從而實現(xiàn)紅棗脫落[6]。脫落后的鮮棗由下方傘形裝置或收集網(wǎng)收集，該機型1~2人即可操作，作業(yè)效率高，可極大降低人工勞動強度。

紅棗采收機按振動方式和位置的不同可分為抱搖式、騎跨式、激振式、拍振式四種。抱搖式用夾持裝置夾持棗樹樹干，固定后用偏心裝置以固定頻率振動棗樹樹干致紅棗脫落；騎跨式機具騎跨于棗樹上方，通過工作桿拍打或滾筒旋轉(zhuǎn)等方式振動棗枝擊落紅棗；激振式利用曲柄連桿裝置撞擊樹干，樹干受撞擊后產(chǎn)生自激振動使紅棗脫落；拍振式在樹冠頂部插入拍打桿，利用曲柄滑塊和曲柄連桿機構(gòu)對樹冠進行振動拍打致紅棗脫落，四種方式均能使棗樹產(chǎn)生受迫振動從而實現(xiàn)采收目的。

2.1.1 抱搖式采收機

2009年新疆農(nóng)墾科學(xué)院湯智輝[7-8]等研制了4YS-24型紅棗收獲機，該機第一次驗證了高頻小幅度振動在紅棗收獲方面的可行性。該機主要由果樹振搖裝置和液壓控制系統(tǒng)等組成，作業(yè)時機械手夾持棗樹樹干，由偏心裝置產(chǎn)生振動傳遞至棗樹實現(xiàn)紅棗脫落，脫落后棗果由下方傘形裝置收集，駕駛員一人即可完成所有操作。該機由拖拉機提供動力，作業(yè)效率高、機動性好、結(jié)構(gòu)簡易、維修方便、適宜在行距4 m以上，樹干直徑8~20 cm的棗園收獲作業(yè)，但采收樹齡較小的棗園時易損傷棗樹。

2.1.2 騎跨式采收機

2012年石河子大學(xué)付威等[9-10]研制了4ZZ-4型自走式紅棗收獲機，該機由采摘裝置、輸送系統(tǒng)、自走底盤等組成，作業(yè)時騎跨于棗樹上方，撥桿插入樹冠，立軸采摘滾筒旋轉(zhuǎn)振動棗枝使紅棗脫落，撥桿高度和密度可調(diào)，可在行距2.5 m以上，樹高2.2 m以下的筒狀果園進行收獲作業(yè)，該機采凈率高，不受株距限制，駕駛員1人可操作，該機適宜樹齡較小且經(jīng)過修剪的棗園，無法采收樹齡較大的老棗園。

2017年現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司尹素珍等[11]研制了可變地隙自走式紅棗收獲機，該機主要由采摘裝置、振動裝置、輸送除雜裝置和導(dǎo)流裝置等組成，作業(yè)時騎跨于棗樹上方，前部聚攏枝條，采摘柄擺動擊落紅棗，輸送紅棗的同時進行風(fēng)選除雜，完成清選作業(yè)后裝箱，可在行距2 m及以上，樹高2 m以下的棗園作業(yè)，該機操作簡易，駕駛員1人可操作，行走轉(zhuǎn)向的同時底盤可升降，能采摘較低位置的紅棗，損失率小，適合樹齡較小且經(jīng)過修剪的棗園，同樣無法采收樹齡較大的老棗園。

2.1.3 激振式采收機

2012年塔里木大學(xué)[12]研制了一種牽引棒桿式紅棗采收機，主要由傳動系統(tǒng)、擊打裝置和高度調(diào)整裝置等組成。該機工作時將動力由拖拉機輸出軸傳遞至擊打裝置，由擊打裝置水平旋轉(zhuǎn)敲擊樹干或樹枝產(chǎn)生自激振動實現(xiàn)紅棗收獲，該機具有擊打高度可調(diào)、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、無修剪要求、適宜各樹齡棗園采摘作業(yè)等優(yōu)點，但該機無收集裝置，后期需人工或機械撿拾裝箱，部分被擊落的紅棗會受到車輪碾壓。

2.1.4 拍振式采收機

2018年南京農(nóng)業(yè)機械化研究所梅松[13-14]等研制了拍振復(fù)合小型紅棗采收機，該機由拍振關(guān)鍵部件、傘形接果裝置和控制裝置組成，由小型挖掘機提供動力。作業(yè)時從樹冠頂部插入拍打桿對樹枝進行振動拍打，脫落的鮮棗由下方傘形接果裝置接收。該機可在行距株距不小于2.5 m×0.8 m，樹高小于1.6 m的棗園作業(yè)，該機作業(yè)效率高，作業(yè)高度和作業(yè)速度可調(diào)，適應(yīng)性強、成本低，適宜樹齡較小的棗園，對棗園是否經(jīng)過修剪無特殊要求，但該機難以采集位置較低的紅棗，樹冠插入的拍打桿和棗枝為硬接觸，對棗枝有一定損傷。

2.2 紅棗撿拾機

紅棗撿拾機的收獲目標(biāo)是干棗，主要通過機械或氣力（氣吸、氣吹）的方式撿拾地面的棗葉混合物，可分為機械式紅棗撿拾機和氣力式紅棗撿拾機兩種。機械式通過刷子或梳齒等直接接觸手段強迫棗葉混合物位移完成撿拾作業(yè)，在撿拾完畢向后輸送的同時進行清選，清選完畢后裝箱。氣力（氣吸、氣吹）式是通過大功率風(fēng)機產(chǎn)生壓力差將地表的棗葉混合物吸起（或氣吹至輸送裝置）清選后裝箱。部分地區(qū)會在撿拾前對棗葉混合物進行處理，一般為人工用耙子聚攏成堆或借助消防風(fēng)機等將棗葉分離后聚集成1m寬的帶狀，處理后可極大提升撿拾機工作效率。

2.2.1 機械式紅棗撿拾機

機械式紅棗撿拾機按撿拾方式不同可分為梳齒式、清掃式和偏心式三種，梳齒式撿拾機作業(yè)時將梳齒斜插入地面，隨著機器前行，紅棗被梳齒篩出堆積后進入輸送裝置；清掃式為柔性接觸，采用V型滾刷將紅棗集條后掃入收集輸送裝置；偏心式則是用偏心機構(gòu)鏟起紅棗向后拋送至輸送機構(gòu)完成撿拾作業(yè)。

2.2.1.1 梳齒式紅棗撿拾機

石河子大學(xué)王成霄等[15]設(shè)計了一款梳齒式落地紅棗撿拾裝置，主要由集條裝置、撿拾裝置、輸送裝置、清選裝置、行走控制裝置等組成，動力源為柴油機。作業(yè)時梳齒入土且深度固定，撿拾機前進篩出紅棗，紅棗在梳齒部位堆積一定程度后可進入輸送裝置，經(jīng)輸送機構(gòu)輸送清選后裝箱。該機操作簡便，可在正常作業(yè)的同時撿拾低洼地面紅棗，行進速度快、撿拾率高，適宜沙土地，但是該機無法處理土地中較大的石塊及土塊，雜草和棗枝過多時作業(yè)一段時間需清理梳齒。

2.2.1.2 清掃式紅棗撿拾機

2018年塔里木大學(xué)魯兵等[16]設(shè)計了一種清掃撿拾裝置，主要由清掃裝置、仿形收集裝置、輸送裝置和集棗箱等組成，由柴油機提供動力。作業(yè)時V型滾刷清掃集條，橫向滾刷配合收集裝置收集，輸送去雜后裝箱。該機1人即可操作，作業(yè)寬度大、效率高，可撿拾低洼地面紅棗，滾刷直徑大且高度可調(diào)，具有一定防纏繞功能，但該機功耗較高，不易轉(zhuǎn)向。

2.2.1.3 偏心式紅棗撿拾機

2016年石河子大學(xué)張亞歐等[17]設(shè)計了一種偏心式紅棗撿拾機，主要由撿拾機構(gòu)、輸送機構(gòu)和行走機構(gòu)組成。作業(yè)時撥桿在偏心輪作用下將紅棗從地面鏟起并拋送至鏈式輸送機構(gòu)，鏈式輸送裝置在輸送的同時完成清選作業(yè)。該機操作簡便，作業(yè)效率高，可撿拾低洼地面紅棗，但會將較大石塊及土塊一并撿拾，且需定期清理纏繞在撿拾機構(gòu)上的雜草和棗枝以避免堵塞。

2.2.2 氣力式紅棗撿拾機

氣力式紅棗撿拾機按撿拾方式的不同可分為氣吸式和氣吹式兩種，氣吸式作業(yè)時由負壓口吸入棗葉混合物，通過吸棗管后進入輸送機構(gòu)或清選機構(gòu)完成撿拾作業(yè)；氣吹式作業(yè)時由高壓風(fēng)嘴將干棗吹起并落至輸送機構(gòu)完成撿拾作業(yè)。

2.2.2.1 氣吸式紅棗收獲機

2013年北京意美德通科技發(fā)展有限公司[18]設(shè)計制造了YE3600A型手推式紅棗收獲機專門撿拾地面紅棗，該機利用高壓風(fēng)機產(chǎn)生壓強差，在進棗口產(chǎn)生負壓，將掉落在地面的棗葉混合物收入收集箱內(nèi)。該機需2人操作，可方便地收獲落地紅棗，但該機進棗管較細，容易堵塞，且未設(shè)置清選機構(gòu)，后期需再次清選。

2014年塔里木大學(xué)孫鳴儀等[19]設(shè)計了一種氣吸式自走紅棗撿拾機，該機主要由動力裝置、行走裝置、風(fēng)機、除雜裝置和分離裝置等組成，可在行距株距2 m×0.7 m，株高1.7 m的棗園內(nèi)作業(yè)。小型單缸柴油機提供動力并分配送至風(fēng)機和行走裝置，作業(yè)時由1～2人進行輔助，吸棗管吸入棗葉混合物后由柵條篩選除雜，該機配有雜物箱，可對枝葉等雜物進行臨時存儲，篩凈率85.4%，篩選完畢的干棗落入筐中存儲。該機穩(wěn)定性好、操控便利，可顯著提高生產(chǎn)效率，但該機功耗高，且無法解決風(fēng)機負壓口作業(yè)距離小的問題。

2014年塔里木大學(xué)史高昆等[20]研制出YE3600型氣吸式紅棗收獲機，該機主要由吸棗裝置、集棗筐、清選裝置和集塵袋等組成，由汽油機提供動力。作業(yè)時棗葉混合物由吸棗管進入，抵達分選管道后進行風(fēng)選裝箱，該機風(fēng)選管道獨特，通過管道截面積的大小控制風(fēng)速的大小，清選效果好，揚塵少、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、可在較小株行距棗園內(nèi)作業(yè)，但該機需人工推拉前行，負壓口作業(yè)距離較小。

2017年塔里木大學(xué)魯兵等[21]設(shè)計了一種氣吸和清掃相結(jié)合的新型落地紅棗收獲機，主要由清掃裝置、鏟棗裝置、動力系統(tǒng)和風(fēng)機等組成，由柴油機提供動力，可在行距株距2.5 m×1.5 m，株高2.5 m的棗園內(nèi)作業(yè)。作業(yè)前用消防風(fēng)機將紅棗聚攏成寬1 m的帶狀，作業(yè)時清掃裝置V形滾刷將紅棗聚攏成壟狀，壟狀質(zhì)量效果與滾刷轉(zhuǎn)速相關(guān)，轉(zhuǎn)速快則質(zhì)量效果好，機器前行時，鏟棗裝置仿形鏟將紅棗鏟起后通過氣吸撿拾，仿形鏟可避免撿拾紅棗中較小的土塊和石子等雜質(zhì)，清掃裝置高低可調(diào)，可解決地表紅棗散亂和風(fēng)機負壓口作業(yè)距離小的難題，顯著提高生產(chǎn)效率。

2017年陜西農(nóng)業(yè)機械研究所黨凱鋒等[22]研制了一種氣吸式紅棗撿拾收獲機，主要由雙氣流分離裝置、風(fēng)機、撿拾吸管、風(fēng)選機構(gòu)和集棗箱等組成，汽油機為風(fēng)機提供動力。該機作業(yè)時需2人合作，分別負責(zé)手持吸棗管吸棗和推動機器行進，該機吸棗后利用雙氣流分離裝置分離棗葉混合物，分離效果好，含雜率低，不受行距限制，更適宜面積小的棗園。

2.2.2.2 氣吹式紅棗收獲機

2018年石河子大學(xué)潘俊兵等[23-24]研制了一款氣吹式落地紅棗撿拾機，主要由氣吹裝置、輸送裝置和集棗箱等組成，由電動機提供動力。作業(yè)時風(fēng)機產(chǎn)生氣流經(jīng)氣流嘴吹出，將地表紅棗向后吹至輸送裝置裝箱后完成撿拾作業(yè)，該機氣流區(qū)風(fēng)壓穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，可適應(yīng)低洼地面，解決了氣吸式易堵塞得問題，該機1人即可操作，但功耗高且無自走功能。

3 紅棗機械化收獲存在的問題與發(fā)展建議

新疆地區(qū)地勢平坦，紅棗大面積種植已成規(guī)模，適合機械化收獲，但目前紅棗收獲機械還存在一些問題，制約了紅棗收獲機械的發(fā)展與應(yīng)用。

3.1 結(jié)合農(nóng)藝與農(nóng)機優(yōu)化種植模式

除少部分標(biāo)準化棗園外，大部分棗園為農(nóng)戶自行種植，種植模式未嚴格統(tǒng)一，種植時未考慮機械化作業(yè)問題，管理不夠精細，未能與農(nóng)機、農(nóng)藝相結(jié)合，目前大中型機械無法進入棗園作業(yè)，小型機械在一定范圍內(nèi)適用，收獲以人工為主，成本高的同時效率不高，棗果運送不方便。

因此，應(yīng)結(jié)合農(nóng)機與農(nóng)藝優(yōu)化棗園種植模式，統(tǒng)一樹形和樹高，在棗樹種植方式和土地規(guī)劃平整上做到與農(nóng)機適應(yīng)，可以建設(shè)一批標(biāo)準示范性棗園，向棗農(nóng)展示高效低成本的收獲方式，同時加大機械化作業(yè)種植模式的宣傳推廣力度，引領(lǐng)棗農(nóng)更改種植模式，為紅棗產(chǎn)業(yè)機械化收獲奠定一定的基礎(chǔ)。

3.2 結(jié)合種植特點開展關(guān)鍵裝置的研究

紅棗品質(zhì)對外形要求較高，碰傷和擠壓都會影響品質(zhì)和價格，目前的紅棗收獲機一部分是基于蘋果收獲機等改裝而來，還有一部分是借鑒國外先進技術(shù)改裝而來，由于紅棗與蘋果等水果存在差異，導(dǎo)致紅棗采收機械始終無法獲得農(nóng)戶的認可。

從紅棗的兩種不同農(nóng)藝需求的不同收獲方式來看，機采收鮮棗可代替人工打棗和集條，工作效率高，但易損傷棗果棗枝，無法收獲落地紅棗，落地紅棗易被車輪碾壓，后期需人工再次撿拾，導(dǎo)致總體產(chǎn)量和品質(zhì)下降；撿拾機撿拾干凈，可有效提升品質(zhì)，不損傷棗果，但需人工打棗和集條，且機具易堵塞或被雜草纏繞，作業(yè)效率不高，增加了收獲成本和收獲時間。

因此，應(yīng)在滿足紅棗機械化收獲的標(biāo)準下借鑒國內(nèi)外其他收獲機，結(jié)合新疆紅棗種植特點，針對現(xiàn)有機型的優(yōu)缺點優(yōu)化結(jié)構(gòu)，攻關(guān)關(guān)鍵裝置，尋找不同機型的共性，設(shè)計合理的機構(gòu)，模擬人工打棗和集條作業(yè)，研發(fā)機械打棗裝置和集條裝置，結(jié)合現(xiàn)有的撿拾機械，開發(fā)出可一次完成打棗、集條和撿拾作業(yè)的紅棗收獲機。

3.3 提高紅棗收獲機械智能程度

機械化、智能化是我國棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢，雖然很多人都對紅棗機械化收獲進行了研究，但市面上現(xiàn)有的紅棗收獲機械距離智能化仍有一定差距，采收機和撿拾機兩者智能化程度均不高，操控完全依靠駕駛?cè)藛T自主判斷，無法做到在提升工作效率的同時降低損失，這也是目前紅棗機械化收獲亟待解決的問題之一。

因此，可以參考國內(nèi)外堅果和水果機型，結(jié)合新疆實際情況，提升智能化程度，做到喂入量、作業(yè)速度、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、輸送速度和清選速度智能調(diào)控，以解決部分工作效率問題，如添加實時監(jiān)測控制模塊，實時監(jiān)測喂入量、根據(jù)喂入量調(diào)整作業(yè)速度；在吸棗管添加監(jiān)測裝置，根據(jù)喂入量調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速，避免堵塞；添加防堵裝置或自動疏通裝置，在發(fā)生堵塞后自動疏通等。

4 結(jié)語

新疆地區(qū)的紅棗機械化收獲技術(shù)目前仍未成熟，采收機采收鮮棗和撿拾機撿拾干棗兩種不同收獲方式相比較之下，采收機效率高，但對棗枝棗果損傷大，無法采收落地紅棗；撿拾機撿拾干凈，但效率低、功耗大，不適宜大規(guī)模紅棗收獲作業(yè)，兩種機型均不能使農(nóng)戶滿意。因此，可以在現(xiàn)有機型的基礎(chǔ)上借鑒國內(nèi)外相關(guān)的林果業(yè)機型結(jié)構(gòu)原理和成功經(jīng)驗，結(jié)合新疆紅棗種植特點和目前紅棗收獲農(nóng)藝，規(guī)范種植模式，研究關(guān)鍵裝置，提高機械化收獲的智能程度，研制出合適的低損高效智能化機械，推動新疆紅棗產(chǎn)業(yè)規(guī)?；椭悄芑l(fā)展。