葡萄修剪机研究现状分析

周艳 韩会敏 蔡文龙 贾首星 何磊 代亚猛 李帆

摘要：合理的葡萄修剪是使葡萄获得稳产、高产的前提保障。人工修剪葡萄存在劳动成本高、效率低、劳动强度大、修剪质量难以保证等诸多问题，农户急需要用机械式葡萄修剪来代替手工修剪。概括了葡萄修剪机的国内外发展现状，分析了未来葡萄修剪机械的发展趋势。

关键词：葡萄;修剪机;现状;趋势

中图分类号：S663.1         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）21-0005-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.21.001           开放科学（资源服务）标识码（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

葡萄生產是一个季节性强且需要大量劳动力的工作。近年来，农村“老龄化、空心化”现象日益严重，农村劳动力快速转移直接导致从事葡萄生产的人手急剧短缺，再加上雇佣人工费用逐年上涨，对葡萄生产造成了很大的冲击[1];目前人工修剪存在效率低、劳动强度大、修剪质量难以保证等诸多问题，严重影响了葡萄产业的健康快速发展，这已经成为制约中国葡萄产业发展的瓶颈，因此葡萄生产实现机械化迫在眉睫。

1  葡萄修剪的目的和意义

葡萄为多年蔓生植物，因枝蔓上生有卷须，能缠绕它物攀援上升，上升枝条虽然能接受更多的风和阳光，但由于枝条稠密会使下面的枝条接受风和阳光的机会大大减少，从而导致枝蔓营养跟不上，这直接影响到葡萄的品质和产量[2]。如果任其随意生长将严重影响葡萄的丰产和稳产[3]。因此及时地修剪多余的葡萄藤蔓是获得丰收和经济效益的前提保障。

对葡萄进行合理的修剪能确保留下强壮芽，去除一定数量弱的萌芽，从而保证每年能长出良好的新生枝蔓[1];能合理地分配结果的数量和养分的供应，减少不必要的营养流失[4];使阳光照射的更充分，使果实充分着色，提高果实的外观和品质;减少病虫的损害，增强果树的抗逆能力;减少用药量，便于机械化管理，降低生产成本。

目前，中国大部分地区葡萄修剪工作仍以人工修剪为主，机械化水平不高。相比人工修剪，机械式修剪大大提高了作业效率、减轻了劳动强度、降低了劳动成本、保证了修剪质量。

2  中国葡萄的种植现状

2.1  新疆是中国葡萄的主产区

新疆占中国1/6的国土，由于其光照和地域等自然条件独特，种植出的葡萄品质好、产量高，再加上面积广阔，新疆成为中国葡萄主产区。

2.2  新疆葡萄种植面积和产量稳步增长

近年来，葡萄在中国的种植面积稳步增长，2011年，中国成为居澳大利亚、智利和南非之前排名世界第六的葡萄生产大国。截至2016年，新疆生产建设兵团葡萄的总种植面积已达近5万hm2，占新疆果树总种植面积的31.3%[5]。新疆具有生产葡萄得天独厚的地理优势，适宜多种类型优质葡萄的种植。近些年新疆葡萄种植面积、单产和总产量都稳步增长。

2.3  新疆酿酒葡萄种植模式适合机械化修剪

葡萄在每年6-9月需要修剪3～4次，工作时气温常常高达30 ℃，存在工作环境差、人工成本高、劳动强度大和效率低等诸多问题。机械化修剪则可以解决这些问题。新疆酿酒葡萄主要采用篱架式种植模式（图1），立柱多为实心水泥树桩，少数采用空心铝制方管，埋入地下部分不少于500 mm;国外发达国家酿酒葡萄立柱多采用木质立柱树桩。新疆酿酒葡萄栽培一般为行距2 500～4 000 mm，株距500 mm，立柱桩距6 000 mm，普通酿酒葡萄叶幕宽度大于1 000 mm，高度2 000 mm左右。新疆酿酒葡萄种植模式与国外种植模式相似，葡萄藤下部枝条较多且葡萄藤根部与水泥立柱间存在间距[6]，利于机械化修剪。

3  葡萄機械修剪国内外研究现状

葡萄的修剪方式主要有两种：单枝选择修剪和整株几何修剪。单枝选择修剪是根据当地的自然条件和果树的种植特点按一定原则选择修剪。该修剪方式技术性强、修剪条件复杂，目前只能通过人工来完成。整株几何修剪是在拖拉机上安装可以上下升降、左右转动的外伸作业臂，臂端装有液压驱动的切割器，对树冠按一定的几何形状进行修剪。

3.1  国内研究现状

中国对葡萄修剪机械的研究起步较晚。目前中国葡萄修剪还主要以人工修剪为主，机械化水平较低。手工修剪结构简单、操作方便。主要分为无动力源的修剪和有动力源的修剪[7]。无动力源的修剪一般修剪20 mm以下的枝条，并完全依靠人力提供修剪动力，劳动强度大，耗时费力，长时间的作业容易对人的关节造成损伤。但由于价格便宜，操作简单，因此还被大量使用（图2）。

有动力源的修剪（电动剪、气动剪和液动剪）大都需要外部提供动力（图3）。修剪刀具一般受动力源的限制，刀具质量一般较大，不易长时间操作[8，9]。

1）电动修枝剪。采用可充电的锂电池（或铅酸电池）作为动力源，具有无污染、低噪声等优点。工作时，将电池背在背上，只需轻按扳机就可完成修剪工作。其携带方便，也适合无电源的野外工作，适合剪切0～25 mm直径的枝条。

2）气动修枝剪。气动剪枝机主要包括动力源、空气压缩机、气动修剪工具以及气动附件气管、气接头等部分。工作原理：按下开关阀（单向阀）时，进入压缩空气，压缩空气推动活塞运动，活塞杆传递给剪刀组件中动刀动力，动刀和定刀咬合完成剪切树枝动作，动作结束后，由回位弹簧将活塞顶回初始位置，并带动动刀回位。

3）液动修枝剪。由液压油缸、控制阀手柄、油管接头、固定刀片和动刀片组成。工作时，手持把手，操纵控制阀，动刀片在活塞推动作用下绕轴转动，从而剪断枝条。液压剪能剪断直径60～120 mm的枝条，剪断时间2～18 s，有短柄和长柄型两种剪刀。在作业中，动力机可以放在地上、挂在树上或背在肩上。液压传动的速度和转矩均可无级调节，振动小、切口平滑、效果好、修剪效率高、造价较高且维修、保养要求比较高，对操作人员技术要求也较高。

华南热带作物机械研究所设计制造的3GS-8型修剪整形自动升降台主要由立柱、伸缩臂、工作台、修枝剪和前支架组成，修剪工可以通过安装在工作台上的操纵手柄来控制工作台的位置[10]。

山东省农业机械科学研究院张德学等[11]设计了一种PJS-1型两冀式萄萄剪枝机械。该机采用拖拉机前挂式液压驱动方式，主机通过机架连接安装于拖拉机前部，液压马达分别驱动左、右及顶部的切削刀旋转，一次可以完成左右两侧葡萄藤的侧面及顶面的修剪工作。该机的使用不仅能够节省大量的人力成本，降低劳动强度，提高劳动生产率，而且能够实现葡萄剪枝的连续、高效和机械化作业。

中国农业大学的徐丽明等[12]发明了一种葡萄果实外部枝叶修剪机，该修剪机由机架部分、移动旋转部分、叶轮部分及修剪部分等组成。葡萄修剪机悬挂在拖拉机后面，通过控制水平方向的伸缩油缸与竖直方向的伸缩油缸来调整割台的侧向位置与高度，通过高速甩动的打草绳将高速旋转叶轮吸入的葡萄枝叶打掉。

2014年，新疆农业大学机械交通学院龙魁[13]设计了一种具有手动仿形机构的单侧往复式葡萄藤修剪机，在葡萄藤侧面进行修剪。通过手动仿形机构调节行间大小，实现对小行距葡萄树的修剪。该修剪机的往复式切割结构简单，功耗小，修剪效率高，但对葡萄藤的不同生长状态适应性差，易堵塞;由于往复性切割，惯性力较大，机架振动大，作业速度不宜过高。

2017年石河子大学机械电气工程学院研制了一种酿酒葡萄藤修剪装置[6]。该装置旋转刀总成主要由轴承座、刀盘、刀片、主轴、法兰盘及端盖等组成。该装置可以有效调节酿酒葡萄藤修剪的高度和宽度，从而大幅度减轻人工修剪的劳动强度，减少人工成本，显著地提高酿酒葡萄藤修剪的效率。

2018年新疆农垦科学院机械装备研究所研制出一种L型酿酒葡萄藤修剪装置。该装置采用前悬挂方式安装在拖拉机上，通过控制开关操作，即可完成葡萄藤侧面及顶面的整株几何修剪，整机结构紧凑，方便实用，能够满足酿酒葡萄园的修剪作业要求，修剪效果好，修剪效率高。

3.2  国外研究现状

国外对葡萄藤修剪机械的研究起步较早，机型也较齐全，主要以经济发达的欧美、日本等国家为代表。早在20世纪初期，西方国家就已开始在果园的繁重作业中应用机械，但当时主要使用的是一些简单的机械式刀剪工具以及使用柴油机和汽油机作为动力来源的小型背负式机械[14]。从20世纪80年代开始，各种园林剪枝专用机械纷纷面世，如剪枝刀、剪枝机、智能剪枝机器手等。发展进程见表1。

国外在葡萄园和采用篱壁式矮化密植栽培的果园多采用整株几何修剪。其优点是作业速度快，缺点是修剪质量比较粗糙。几何修剪可以除掉阻碍机械通行的枝条，修剪后的葡萄园有利于后续的作业实现机械化。整株几何修剪的工具根据切割器类型的不同，又分为往复割刀式修剪机、转刀式修剪机和圆盘锯式修剪机[15]。

1）往复割刀式修剪机由一组往复运动的动刀片和作底刃的定刀片组成修剪机的切割器。切割器的控制由液压系统完成。特点是：割刀结构简单，功耗小，机械效率高，割茬整齐，修剪质量好;但对不同生长环境的葡萄树适应差、易堵塞;由于往复惯性力较大，振动大，限制了作业速度;相对于转刀式割刀和圆盘式割刀工作方式更安全可靠。

2）转刀式修剪机主要由液压马达、液压缸和装在机架上的3～6个钢刀叶片组成。安装在机架上的液压油缸用以调整割刀的切割高度与切割方向。液压马达带动刀片高速旋转来切断枝条。特点是：方便调整，运转较平稳，振动小，工作可靠性强;但其功率消耗较大。由于割刀是靠高速旋转工作的，易造成枝条飞出，引起不安全因素;切割能力较强，适于高速作业，并只适用于修剪比较细嫩的枝条;与往复式割刀和圆盘式割刀相比，其工作效率更高。

3）圓盘锯式修剪机由两排安装在刀架上作回转运动的旋转刀盘组成切割器。利用刀盘的高速回转，削断枝条。液压系统控制着刀盘的转动和刀架位置的变动。特点是：结构紧凑，不需要惯性力平衡，也不会出现堵刀的现象;功率消耗大，割茬不整齐，破碎较多;切割能力较强，适于中、高速作业;利用圆盘刀的回转运动，旋转的方向抛撒枝条，可以方便收集枝条，适于条铺，但是损失较多;比起往复式割刀和转刀式割刀更适合联合作业（图4）。

2001年，澳大利亚Fred Spagnolo[16]设计了一种拖拉机前悬挂式的回转叶片葡萄藤修剪机，旋转叶片均采用液压马达驱动。修剪机整机分为上下两个部分，上部用于修剪葡萄藤的顶部，下部分用于修剪葡萄藤的侧枝。修剪机上部与机架之间采用铰接形式，靠弹簧弹力进行复位，当修剪机上部碰到立柱等障碍物时，可以绕铰接部位转动来实现避障，越过障碍物时靠弹簧弹力复位。修剪机下部可以在液压缸的作用下绕中心部位进行转动，从而实现对不同高度葡萄藤的修剪。

2003年，澳大利亚Fred Spagnolo设计了SG修剪机。该修剪机采用龙门形式，通过拖拉机侧向悬挂骑跨在树上进行修剪。整机分为两个立式修剪机构，每个机构上安装多组回转圆盘刀，通过液压油缸调节，控制修剪机构的张开角度，以实现不同树形的修剪[17]。立式修剪机构可实现上下移动，完成对整个树冠的修剪。龙门架式树冠修剪整形机更适于修剪葡萄藤。

2014年，意大利的Alberto Dorigoni设计了一种窗式修剪机。该机在传统的整株几何修剪机的基础上，配备若干个独立的修剪部分[18]。果树的轮廓由传统整形修剪机械来完成，内部枝条则由独立的修剪部分完成，实现整个果树的修剪[19]。虽然该修剪机尝试对内部枝条修剪，但是该修剪机械仅能修剪成排种植的矮化密植型果树，不能适应复杂树型的修剪。

综上，传统的手工修剪葡萄藤不仅要求工人有较高的修剪技术，而且作业效率低，长期作业还会对人的关节造成损伤;机械式修剪不仅降低成本，而且效率很高，便于葡萄园的机械化管理。

4  葡萄树机械修剪的发展趋势

4.1  农机与农艺相结合

国外的种植模式多为标准化的现代大农业，而国内多是传统的小农经济模式，不同国家、地区有着不同的农业机械。国外的葡萄修剪技术先进，但也存在售后服务问题，因此在国内的葡萄生产管理中应用较少。中国应该从当前的制造技术、工艺和机械的适用性上设计与制造适合本国葡萄生产管理的机械[20]。这样不仅在经济上节约了成本，而且在适用实用上更适合中国国情。

4.2  高效率

传统的手工修剪因效率低、成本高，将会慢慢退出历史舞台，取而代之的是高效率的机械化作业。采用自动化机械化修剪作业可以有效降低人工作业强度，节省时间，降低成本。高效率的机械不仅体现在完成作业速度快，也体现在多机一体组合的应用。修剪机可以和粉碎机、清扫、喷药等机械联合作业，经济效益将进一步提高[21]。

4.3  自动化

随着葡萄修剪机械的不断研发，将优化出结构更加合理、标准化工作的部件，使操作更简便安全、维修更方便。从而实现修剪机械的自动化，进一步提高工作效率，降低操作难度，从而实现机械化作业的普及[22]。

4.4  安全环保

任何机械都是为人类服务的，所以安全可靠、健康环保是设计机械的基本要求。修剪机械由于带有高速运动的危险性刀具，动力机械一般又是大功率的汽油、柴油机，所以安全和环保问题事关修剪机好坏、实用推广的成败。从环境可持续发展的战略上和操作人员的工作环境来看，葡萄树修剪机械的低耗、环保是一大趋势。

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