1、2023 年 8 期 39摘 要：我国是世界第一水果生产大国，但优质果园主要分布在丘陵山区地区，受地理条件和基础设施等问题影响，丘陵山区果园机械化程度较低，人工劳动作业效率低强度大、易发生危险，果园机械化程度直接影响丘陵山区经济效益。该文从丘陵山区果园分布及种植特点入手，分析了影响其发展的原因，阐述了果园主要装备技术如机械底盘、作业平台、植保机械、采收机械等的研究现状和面临的问题，提出丘陵山区果园机械化面临的问题并提出了发展建议。关键词：农业机械；丘陵山区；果园；研究现状丘陵山区果园生产机械化技术分析贵州省农业机械技术推广总站 周奇我国作为水果生产世界第一大国，2021年全国水果种植总面积达1
2、.30107hm2，而我国优质果园主要分布于丘陵山区，主要原因为丘陵山区昼夜温差大、水果质量高、种植成本低、开支小。然而受地势条件及种植模式的影响，丘陵山区种植水果也存在一定缺陷，如果园生产机械化水平较低，较多小型果园靠人力种植管护，果园机械装备应用不足，生产效率较低。目前，我国果园生产机械化发展仍处于起步阶段，对于建设较早的果园，其行间距过窄，土地不平整，机械化水平较低。而新建果园基本考虑了机械化作业的问题，进行了果园规划，留有机耕道等便于机械化作业的基础设施。随着新时期果农观念的转变和农业机械新技术的发展，丘陵山区果园机械化成为发展新方向，以解决生产效率较低、劳动力短缺、机械装备较少等关键
3、问题。本文主要分析我国丘陵山区果园的种植特点和机械装备的研究进展，针对存在的问题，提出相应的建议，为丘陵山区果园机械化发展提供参考依据。1丘陵山区果园分布及种植特点目前，我国果园按地形地貌主要分为平原地区果园和丘陵山区果园，其中种植面积较大的省份有：陕西省、广西壮族自治区、山东省、广东省、贵州省，约占全国总面积的90%。而这些省份中较多的果园分布在以丘陵山区为主的地区，林果业对于提升当地经济效益，提高居民生活水平具有重要意义，但受到地理位置和农业机械化水平影响，这些地区的果园较多采用人工作业，机械化水平较低。丘陵山区因地貌变化较大，可栽植地块分散，以小块阶梯式依山就势栽植为其主要栽植模式。其中
4、较为代表的地区为：广西崇安采用陡坡种植的芒果园；重庆市青龙村针对丘陵山区复杂地形，破碎地块，构建了果园精准管理远程监控的智能现代化果园；陕西省榆林市统一了建园基地的标准，即果园建在9m以上宽幅梯田上，并有序配备灌溉及用电设施，硬化果园道路。规模化、标准化、智能化作为新建果园的主要趋势，能有效改善丘陵山区果园种植环境及机械化作业的基础，而灌溉设施、果园道路的改善和各种新型栽培模式的发展也有利于丘陵山区果园机械的作业。丘陵山区果园规划时，由于地形复杂，土壤类型多样，为便于生产经营，将果园划分为若干个经营区，根据自然条件等尽量使同一小区土壤、地形、气候基本一致。在道路规划时，主干道与机耕道架设，形成
5、完整的果园交通体系，果园一般不靠近现有道路，最终实现的现代化果园作业效果。2丘陵山区果园机械装备及技术研究进展2.1机械底盘我国从20世纪70年代才开始研制用于果园作业的机械，起初主要以机动三轮车作为底盘载体，采用半人工的方式进行劳动作业。随着农业机械技术的发展和新建果园作业条件的改善，大批果园种植大户实现了大规模、集中化的种植模式，使得大型农机具有了发挥空间，促进了果园作业机械的发展，机械底盘作为农业机械的重要组成部分，起到了十分关键的作用。然而，对于丘陵山区，普通轮式底盘的平台较低，轮式机械底盘在果园间行走作业时行动受限，容易碰到果树，且丘陵山区地形复杂，作业环境恶劣，普通底盘爬坡性能较差
6、，无法适应作业环境。针对以上问题，国内专家学者开始了针对丘陵山区地势的果园机械高地隙式底盘及机械履带式底盘的研发。范瑶针对果树苗圃及新型矮砧密植果园种植模式和管理作业要求，研制了一种高地隙果园动力底盘，设计了传动机构及动力输出方式，可完成挖坑、施肥、打药、中耕除草等果园作业项目。郑超根据果园DOI:10.15989/ki.hbnjzzs.2023.08.00340 2023 年 8 期 特点与园艺要求，设计了高地隙果园动力底盘，设计了动力匹配、行走驱动形式及液压伺服转向系统等。吴伟斌1等针对丘陵山区特殊作业场景，设计了山地果园履带式运输机地盘行走机构，提高了其在南方山地果园通过性、稳定性，该装
7、备具备爬越10cm垂直障碍、跨越20cm沟壕障碍的能力。韩振浩等结合丘陵山区果园的地形地貌特征，开展了履带底盘的行驶性能分析，利用多体动力学仿真优化了履带的结构参数，室内土槽试验表明，优化后样机作业性能有较大提升。徐高伟等2针对现有底盘动力方面无法满足果园作业要求的问题，对果园履带式底盘电动动力系统进行了设计，研制底盘样机并进行动力系统试验，结果表明该装备可满足果园多样化作业要求。王锋分析了丘陵山地果园动力底盘的总体布局形式对底盘性能影响，仿真分析了底盘在纵向、横向坡地上的通过性。综上所述，随着农业机械领域技术发展，模拟仿真等技术已广泛运用于丘陵山区果园机械底盘的设计过程，通过仿真试验可加快设
8、计流程，避免样机多次试制浪费资源，且新设计的底盘作业性能较好，可满足丘陵山区复杂地势作业要求。丘陵山区果园机械重心要低，平稳性要好，且随着我国经济发展，农村劳动力缺失，需要果园机械能实现一机多用，研制适应性强、功能多样的新型果园机械底盘是未来的发展需求。2.2作业平台在果园管理过程中，人工需要频繁攀爬、上下移动进行剪掉多余枝杈、套袋、采果等高位作业环节，劳动效率较低且风险较大，难以满足现代化果园作业要求，而机械化作业平台可实现不同高度的快速调节，能很好地满足这一要求，促进果园产业的发展。丘陵山区地面起伏较大，果园作业平台首先要解决的就是安全性的问题，而目前针对作业平台安全防护主要集中在调平和防
9、翻两方面。刘大为等3针对南方丘陵地区水果采摘环节劳动强度大、机械设备少等问题，设计了一种小型履带自走式剪叉升降作业平台，通过液压油缸调节高度及角度，控制回转支承进行方位调节，提高及其稳定性能，样机试验表明不同负载和升降高度下平台的坡地静态侧翻角度满足工作要求。王建超针对山地丘陵环境复杂性，设计了用于辅助水果采摘及果树修剪的果园作业升降平台，设计了调平机构以适应丘陵山区地形，实现工作台动态调平，升降平台采用拖拉机后悬挂，调平方式为静液压调平，通过仿真试验优化了样机结构，实际作业效果良好。刘大为为降低人工成本、提高生产效率，设计了柑橘园升降作业平台，采用柑橘树成像测绘的方法建立了树体模型，根据仿形
10、行走理论设计改装了行走机构，采用定点二次调平实现作业平台的稳定。程健结合果园种植与管理模式，设计了一种可用于辅助果实采摘、运输、果树修剪等作业的果园多功能轮式作业平台，以轮式液压驱动底盘为载体，搭载剪叉式可升降作业平台，控制平台上升下降。张花哲为提升丘陵山区果园机械化水平，研发了电动履带式多功能果园举升作业平台，可运输、辅助修剪树枝及采摘，平台采用剪叉式液压升降机构，设计选型了液压缸、液压泵等关键零部件，对升降平台的升降速度调控验证升降过程的平稳性。李强为提高果园生产采摘与修剪作业人工劳动强度大等问题，设计了履带自走式果园采摘与修剪综合作用平台，通过双侧、多工位可调式作业和水果柔性分级输送实现
11、果实从输送到装箱完全自动化作业，保证采摘人员的连续作业，降低劳动强度，通过静力学分析优化提高了结构强度。樊桂菊4等为解决丘陵山区作业易失稳，现有机械不能自动调平的问题，设计了丘陵山区果园作业平台，采用静液压三角形调平机构和180回转结构，实现工作平台的自动调节和回转，可满足设计要求。刘学峰等针对目前果园采摘作业平台在升降调平过程中不够稳定、无法承受较大载荷等问题，设计了一种果园采摘作业平台升降调平机构，设计了该机构的剪叉式升降架、左右调节支架等，试验表明该机构可满足设计要求，升降调平稳、可靠。目前我国丘陵山区果园作业平台研究主要针对调平和稳定性提高，对作业平台的人机工程设计为未来的发展方向，提
12、高作业平台自动化、智能化水平是未来主要的研究趋势。2.3果园植保机械丘陵山区土壤养分含量不足，且环境容易滋生病害和害虫，在这样的条件下，精准施药施肥成为了果园植保技术发展的主要方向，研制精准施药的高效、智能施药装备是提升果园植物产量的关键手段，提高农药药效及利用率也是降低农民劳动强度的关键措施。果园植保机械在这一方向上起到了重要作用，许多国内专家学者将研究热点聚焦于此，一些智能化果园植保机械应运而生。姜宗月5设计了一种以履带底盘为承载机构的果园定向仿形弥雾机，可通过仿形机构保持喷雾机喷头与树冠距离一致，同时可实现对果树不同生长期和不同作业高度的均匀喷施。王东根据丘陵山区地形起伏大的特点，充电利
13、用无人机灵活性好、智能化程度高2023 年 8 期 41的特点，通过自主导航控制方法实现果园植保作业的飞行控制要求，能达到良好作业效果。蔡吉晨为减少化学农药使用，增加喷施效率，设计了对靶变量喷药控制系统，喷药机搭载该系统，可以有效减少农药使用，满足果园病虫害防治要求，提高农药利用率。吕沐华等6提出一种基于机器视觉的果园喷药除草机器人视觉系统，提高除草喷药机器人在噪声干扰及光照条件变化下的识别可靠性与识别精度。马驰等针对现有喷药装置对丘陵山区不同树冠大小柑橘果树适应性差的问题，设计了一种多方位自动喷药装置，实现不同喷药模式任意切换，提高农药利用率。随着中国城市化发展进程加快，农村劳动力缺失，果园
14、应大力推广自动化植保机械，降低施药成本，加强小微型植保机器人研发，实现精准对靶施药，持续大力推进植保无人机发展，以达到丘陵山区果园植保农药使用最小化、精确化和均匀性的要求。2.4果园采摘收获机械果园水果采摘收获工作作为果实成熟后的重要工序，具有季节性强，劳动强度大等特点，要求在一定时间内尽可能快速地采摘水果，同时应避免水果损伤。当前我国果园采摘机械为机械式及机器人，机械式一般采用振摇果树的形式收获水果或采用机械式采果器代替人工采摘，人工劳动强度较大，且劳动力较为短缺，迫切需要研制机械化、自动化、智能化的果园采摘收获装备。王毅7为实现柑橘果实收获的自动化和智能化，研制了柑橘采摘机器人，应用仿生学
15、原理模拟蛇咬合动作设计了咬合式末端执行器，提出最佳采摘姿态判断函数获取最佳采摘姿态，实现了采摘机器人在果园中对柑橘果实的自动采摘。卜令昕8研究了苹果收获机器人采摘姿态，建立了枝条-果实的仿真模型，优化了末端执行器的作业参数，研发了苹果收获机器人视觉系统、控制系统等模块，实现了对苹果的自动采摘，具有较高的可靠性。范勇以山地脐橙采摘分拣传送装置为研究对象，设计了斜坡挡板上料机构、水平传送带机构、分拣机构及脐橙收集机构，进行了运动仿真验证了设计可靠性。顾宝兴设计了智能移动式水果采摘机器人系统，设计了适用果园作业的轻型履带式智能移动平台，集成了采摘机械臂及控制系统等设备，搭建了机器人远程视频监控系统及
16、智能导航系统，实现了机器人智能采收作业。针对丘陵山区果园采摘机械装置的研究已取到较大进展，然而大部分研究仍处于实验室阶段，与发达国家相比仍有较大差距，机器人作业效率、作业精度及末端执行器对果实损伤等问题仍为需要重点解决的关键问题。3丘陵山区果园机械化面临问题与建议（1）由于丘陵山区地理环境特殊，果园规模普遍较小，难以形成条件较为一致的规模化果园，老旧果园预留作业空间不足，无法使用大型机械化装备，制约了丘陵山区果园生产机械化的发展。针对此问题，应设计方案改造部分果园，设立建园标准，预留新型农业机械装备作业道路，有序配备灌溉及用电设施，硬化果园道路，实现果园标准化管理。（2）丘陵果园可用装备不足，大量新型智能装备仍处于实验室阶段，未能投入实际应用。针对此问题，开展作业条件升级改造、校企合作、适用性应用等工作，提高现有果园机械化装备的通用性和适用性，增进大型企业与国内知名高校间的合作，使实验室作业性能较好的装备尽快投入实际应用，打破丘陵山区果园无机可用的局面。（3）农民机械化意识不足，农业机械投入不足、自动化程度低，人工劳动强度仍很大。针对此问题，积极开展农机技术推广等活动，通过现场作业，让