雷嘵暉，呂曉蘭，張美娜，李 雪，常有宏，Andreas. Herbst

三節(jié)臂機(jī)載式疏花機(jī)的研制與試驗(yàn)

雷嘵暉1，呂曉蘭1※，張美娜1，李 雪1，常有宏2，Andreas. Herbst3

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，南京 210014；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)研究所，南京 210014；3. Institute for Chemical Application Technology of JKI，Braunschweig Messeweg 38104，Germany）

為減小疏果環(huán)節(jié)繁重的用工壓力、提升果園作業(yè)效率和降低用工成本，該文基于自主研發(fā)的三節(jié)臂機(jī)載式疏花機(jī)，在“Y”字棚架形翠冠梨園中進(jìn)行了疏花試驗(yàn)研究。以達(dá)到50%的花蕾保留率為疏花目標(biāo)，結(jié)合疏花繩擊打力度測(cè)試，確定了疏花軸在0.44 m/s行進(jìn)速度下的最佳作業(yè)轉(zhuǎn)速：254 r/min。疏花機(jī)田間性能試驗(yàn)中，研究疏花機(jī)疏花與人工定果、手持式疏花器疏花與人工定果、人工疏花與定果3種作業(yè)方式相比于只人工疏果作業(yè)方式，對(duì)花蕾保留率、坐果率、作業(yè)效率、果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)械疏花與人工疏花在作業(yè)質(zhì)量上無(wú)明顯差異，但疏花機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性較其他作業(yè)方式高；疏花機(jī)可降低梨樹(shù)的絕對(duì)坐果率，雖然對(duì)幼果坐果量有一定的影響，但是經(jīng)過(guò)定果環(huán)節(jié)后并不影響后期果實(shí)的產(chǎn)量及品質(zhì)；疏花機(jī)的疏花效率在所有試驗(yàn)組中最高，相比于單一的人工疏果方式可節(jié)約66.17%的時(shí)間，適合機(jī)械化梨園大規(guī)模作業(yè)；手持式疏花器的作業(yè)效率僅次于疏花機(jī)，相比于單一的人工疏果方式作業(yè)時(shí)間可節(jié)約37.26%，適用于中小規(guī)模梨園。該試驗(yàn)研究有利于提高疏花機(jī)作業(yè)質(zhì)量，為梨園機(jī)械化管理提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；控制；果園；疏花機(jī)；產(chǎn)量；品質(zhì)

0 引 言

疏花疏果是果園管理的三大費(fèi)工環(huán)節(jié)（修枝、疏花疏果、收獲）之一，主要有化學(xué)和物理2種方法，化學(xué)法是在果樹(shù)花期和果實(shí)發(fā)育期噴施疏除藥劑使花朵和果實(shí)脫落，以達(dá)到疏除效果的一種方法[1]?；瘜W(xué)法易受藥劑種類(lèi)、噴施時(shí)間、配制濃度、作業(yè)環(huán)境及果樹(shù)品種等諸多因素的影響[2-5]，另外農(nóng)藥污染問(wèn)題和消費(fèi)者的果品安全觀念都促使在果品生產(chǎn)過(guò)程中盡量不使用或少使用農(nóng)藥，因此物理疏花疏果將成為今后重要的發(fā)展方向。物理法主要是指人工疏果和機(jī)械疏花疏果，人工疏果目前仍為國(guó)內(nèi)的主流疏除方式，但耗工費(fèi)時(shí)。

國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)械疏花疏果的研究相對(duì)較少，機(jī)理研究主要集中在單軸甩繩式疏花機(jī)[6-8]，專(zhuān)利方面多為疏花疏果剪的功能改進(jìn)。如江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院的氣動(dòng)式高枝疏果剪[9]，行進(jìn)方向和角度位置可調(diào)。洛陽(yáng)農(nóng)林科學(xué)院的葡萄疏花疏果裝置[10]，實(shí)現(xiàn)了葡萄花序的統(tǒng)一化修剪。山東省果樹(shù)研究所的葡萄疏花疏果剪[11]，解決了疏果剪葡萄籽的滯留問(wèn)題。重慶文理學(xué)院的藍(lán)莓疏花疏果自動(dòng)剪切裝置[12]，以電力替代人力實(shí)現(xiàn)省力化作業(yè)。國(guó)外對(duì)于機(jī)械疏花研究相對(duì)較早，種類(lèi)較多。如Corollaro等[13]研究濾光防冰雹網(wǎng)對(duì)蘋(píng)果的疏果效用，黑、紅、白、黃、藍(lán)5色光中紅色疏果效果最好：平均果重、甜度及干物質(zhì)量最高。Wouters等[14]研發(fā)的多光譜攝像系統(tǒng)，在可見(jiàn)及近紅外光譜6個(gè)波段中對(duì)果樹(shù)花序量進(jìn)行檢測(cè)，準(zhǔn)確率最高可達(dá)87%。Lyons等[15]的自主式智能疏花系統(tǒng)，借助機(jī)器視覺(jué)定位疏花目標(biāo)，利用機(jī)械手進(jìn)行花朵疏除，可對(duì)不同長(zhǎng)度枝條精準(zhǔn)疏花。Theron等[16]結(jié)合機(jī)械疏花研究1-氨基環(huán)丙烷羧酸在李子樹(shù)上的疏花效果，濃度在400到600L/L時(shí)作業(yè)效果最好。Lordan等[17]以嘎啦和金冠蘋(píng)果為研究對(duì)象，針對(duì)Darwin250疏花機(jī)建立作業(yè)參數(shù)預(yù)測(cè)模型，由花序數(shù)量推測(cè)疏花機(jī)的最佳前進(jìn)速度和疏花軸轉(zhuǎn)速。Assirelli等[18]將單軸旋轉(zhuǎn)式疏花機(jī)疏花繩材質(zhì)替換成柔性玻璃纖維，田間試驗(yàn)中杏樹(shù)、桃樹(shù)分別節(jié)約48%和42.4%的人工疏果時(shí)間。Assirelli等[19]還研究了桃樹(shù)機(jī)械疏果的疏除力，發(fā)現(xiàn)垂直果柄方向疏果力道最小，是沿果柄方向力道的1/3。

機(jī)械疏花疏果可提高果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)，國(guó)外報(bào)道多集中在桃、李子和蘋(píng)果，對(duì)梨樹(shù)研究甚少。國(guó)內(nèi)梨樹(shù)只疏果不疏花，人工手疏成本極高，考慮到梨樹(shù)花期果柄硬度遠(yuǎn)小于坐果期，且機(jī)械疏果易損傷幼果，本文以梨為對(duì)象設(shè)計(jì)一種三節(jié)臂機(jī)載式疏花機(jī)，研究機(jī)械疏花對(duì)“Y”字棚架形栽培模式[20]生產(chǎn)的影響，為梨園機(jī)械化發(fā)展提供參考。

1 材料和方法

1.1 疏花裝備

1.1.1 三節(jié)臂機(jī)載式疏花機(jī)

三節(jié)臂機(jī)載式疏花機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)疏花機(jī)）可用于“Y”字棚架形等適宜機(jī)械化疏花的梨園作業(yè)，圖1為整機(jī)外形結(jié)構(gòu)圖，拖拉機(jī)PTO通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓泵為液壓缸伸縮運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，液路分配閥控制液壓缸伸縮行程，使得活動(dòng)梁相對(duì)基架橫向移動(dòng)，以實(shí)時(shí)控制疏花距離；電控箱內(nèi)放置3塊調(diào)速器，分別控制上中下3組疏花軸旋轉(zhuǎn)速度；2根豎直桿通過(guò)法蘭緊固連接，可根據(jù)樹(shù)體高度拆分和組合。3組疏花節(jié)臂根據(jù)需要，靈活安裝于豎直桿的不同位置上；疏花節(jié)臂支架可沿Ⅰ號(hào)箭頭，在豎直桿周向360°角度內(nèi)固定；疏花節(jié)臂伸縮桿可沿Ⅱ號(hào)箭頭，在疏花節(jié)臂支架周向360°內(nèi)固定；疏花節(jié)臂伸縮桿相對(duì)疏花節(jié)臂支架，可沿Ⅲ號(hào)箭頭在0到0.5 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)固定；疏花軸動(dòng)力總成連同疏花軸，可沿Ⅳ號(hào)箭頭在疏花節(jié)臂支架周向270°角度內(nèi)固定。疏花機(jī)主要結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)見(jiàn)表1。

1.機(jī)架 2.傳動(dòng)軸 3.限位輪 4.活動(dòng)梁 5.液壓缸 6.豎直桿支架 7.豎直桿 8.疏花節(jié)臂支架 9.疏花節(jié)臂伸縮桿 10.疏花軸動(dòng)力總成 11.疏花軸 12.疏花繩 13.液壓油管 14.液壓泵 15.電控箱 16.液路分配閥 17.液壓油箱

1.Frame 2.Transmission shaft 3.Limit wheel 4.Movable beam 5.Hydraulic cylinder 6.Vertical rod bracket 7.Vertical rod 8.Thinning arm bracket 9.Thinning arm extendable rod 10.Thinning shaft power assembly 11.Thinning shaft 12.Thinning rope 13.Hydraulic pipeline 14.Hydraulic pump 15.Electric cabinet 16.Liquid distribution valve 17.Hydraulic oil tank

注：Ⅰ為疏花節(jié)臂支架轉(zhuǎn)動(dòng)方向，Ⅱ?yàn)槭杌ü?jié)臂伸縮桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向，Ⅲ為疏花節(jié)臂伸縮桿移動(dòng)方向，Ⅳ為疏花軸動(dòng)力總成轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

Note: Ⅰ is the rotation direction of thinning arm bracket, Ⅱ is the rotation direction of thinning arm extendable rod, Ⅲ is the movement direction of thinning arm extendable rod, Ⅳ is the rotation direction of thinning shaft power assembly.

圖1 三節(jié)臂機(jī)載式疏花機(jī)

Fig.1 Three arms tractor-mounted flower thinner

Dennis等[21]針對(duì)小冠徑主干形蘋(píng)果樹(shù)，設(shè)計(jì)了1種拖拉機(jī)前置懸掛式疏花機(jī)，試驗(yàn)效果良好。他們還按照式（1）定義了疏花綜合系數(shù)（integrated coefficient of thinning，ICT）來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)具疏花性能的優(yōu)劣[22]：ICT值在10到40范圍內(nèi)時(shí)作業(yè)效果較好，大于50會(huì)損壞果樹(shù)，小于8疏花質(zhì)量低。經(jīng)計(jì)算該疏花機(jī)ICT為25.21，在合適范圍之內(nèi)。相比于Darwin系列單軸甩繩式機(jī)型，該疏花機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：整機(jī)結(jié)構(gòu)小巧，疏花節(jié)臂可拆卸可折疊，運(yùn)輸方便；豎直桿根據(jù)樹(shù)高進(jìn)行分段安裝，且疏花節(jié)臂安裝高度及傾角可調(diào)可變，具有一定仿形功能，適用于多種冠形的機(jī)械化果園；疏花軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)拖拉機(jī)動(dòng)力性能要求不高。

表1 三節(jié)臂機(jī)載式疏花機(jī)主要結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

注：因梨樹(shù)花序在枝條上的間隔距離平均為4到8 cm，故疏花繩軸向間距設(shè)計(jì)為4 cm。

Note: The distance range between the inflorescence on branch is 4 to 8 cm, the axial distance of thinning rope is designed to 4 cm.

式中為單根疏花繩質(zhì)量，kg；為疏花軸轉(zhuǎn)速，r/min；c為絕對(duì)坐果率（疏果前幼果數(shù)比上疏花前花蕾數(shù)），%；為拖拉機(jī)前進(jìn)速度，km/h；為疏花繩旋轉(zhuǎn)半徑，m。

通過(guò)試驗(yàn)和測(cè)量，疏花機(jī)=0.01 kg、=254 r/min、c=32.31%、=1.584 km/h、=0.5 m。

1.1.2 手持式疏花器

Martin等[23-25]針對(duì)桃樹(shù)疏花疏果要求，設(shè)計(jì)了3種手持疏花疏果器，作業(yè)效果良好。本文以自主研發(fā)的電動(dòng)手持式疏花器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)疏花器）作為對(duì)比疏花裝置，其主要結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)如表2所示。

表2 手持式疏花器主要結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

注：通過(guò)梨樹(shù)疏花試驗(yàn)得知，當(dāng)疏花軸轉(zhuǎn)速不小于460 r·min-1時(shí)，花蕾打擊效果好。

Note: Through the flower thinning test, the striking effect of flower bud is good when the rotation speed of the shaft is not less than 460 r·min-1.

1.2 疏花繩擊打區(qū)域分析

“Y”字棚架形果園通過(guò)冬季剪枝和枝條綁定，來(lái)保持果樹(shù)枝條沿“Y”字棚架平面生長(zhǎng)。疏花機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)疏花軸位置及角度，來(lái)保證疏花平面與“Y”字形平面平行；疏花繩通過(guò)伸入“Y”字形平面15 cm左右的距離，來(lái)保證對(duì)枝條另一側(cè)花序的柔性擊打。疏花軸與果樹(shù)枝條的相對(duì)位置分為異面垂直、平行和介于二者之間的異面交叉3種，如圖2所示。假設(shè)花蕾均勻分布于枝條四周且疏花機(jī)在果樹(shù)枝條左側(cè)作業(yè)，通過(guò)將果樹(shù)枝條周邊分區(qū)來(lái)分析3種疏花位置的疏花均勻性，如圖3所示。當(dāng)疏花軸與枝條異面垂直時(shí)，疏花繩能夠?qū)?、、、、區(qū)域進(jìn)行疏花，幾乎覆蓋枝條的四周，疏花區(qū)域接近100%；當(dāng)疏花軸與枝條平行時(shí)，疏花繩能夠?qū)Α^(qū)域進(jìn)行疏花（面積占比已經(jīng)大于50%），疏花繩碰觸枝條后右端懸空部分在慣性作用下逆時(shí)針彎曲，能在區(qū)（甚至、區(qū)）對(duì)部分花蕾進(jìn)行疏除，疏花繩繞過(guò)枝條后，疏花繩在回彈力作用下對(duì)區(qū)部分花蕾進(jìn)行疏除，區(qū)區(qū)域角1因疏花繩擊打力的增加而減小，區(qū)區(qū)域角2因疏花繩硬度的增加而加大，1的減小和2的加大都有利于增大枝條周邊疏花區(qū)域；當(dāng)疏花軸與枝條位置空間傾斜交錯(cuò)時(shí)，疏花區(qū)域介于平行方式與異面垂直方式之間。由此可知，只有區(qū)域和其兩邊一定角度范圍區(qū)域的花蕾不能夠被疏花繩擊打到，當(dāng)疏花軸轉(zhuǎn)速、疏花繩長(zhǎng)度和疏花繩材質(zhì)滿(mǎn)足要求時(shí)，枝條遠(yuǎn)疏花機(jī)側(cè)的花蕾數(shù)量與近疏花機(jī)側(cè)的差距不會(huì)太大。梨園后期還要進(jìn)行人工優(yōu)選定果，果樹(shù)最終結(jié)果所需花蕾數(shù)量要遠(yuǎn)小于疏花后花蕾保留數(shù)量，枝條兩側(cè)花蕾數(shù)目的少量差異會(huì)在人工定果環(huán)節(jié)中得到改善。

a. 異面垂直 a. Perpendicular in different planeb. 平行 b. Parallel

注：A為枝條近疏花機(jī)側(cè)的區(qū)域；B～F為枝條遠(yuǎn)疏花機(jī)側(cè)的區(qū)域；θ1為C區(qū)域的角度，（°）；θ2為F區(qū)域的角度，（°）。

1.3 室內(nèi)與田間試驗(yàn)

試驗(yàn)位于江蘇省泰興市李蕩村燁佳梨園，試驗(yàn)梨樹(shù)品種為“翠冠”。截至2019年樹(shù)齡為6 a，年度果樹(shù)盛花期為4月4日至6日，因?yàn)闄C(jī)械疏花在梨樹(shù)花蕾露白期（盛花期前1周左右開(kāi)始）最易疏除，所以疏花期定為3月29日至4月1日，疏果期為4月22日至30日，采收期為7月20日至27日。梨樹(shù)種植行株距為5 m×3 m，主干高度平均為50 cm，主干粗度平均為8 cm，樹(shù)高平均為2.5 m，2個(gè)“Y”字形分枝直徑平均為5 cm，與地表水平面成55°到60°的夾角。試驗(yàn)拖拉機(jī)型號(hào)為福田雷沃歐豹M604L-E，果園行間一般使用低速1擋（重型農(nóng)機(jī)具）和低速2擋（輕型農(nóng)機(jī)具）進(jìn)行牽引作業(yè)。疏花機(jī)相對(duì)其他農(nóng)機(jī)具結(jié)構(gòu)小巧，所需驅(qū)動(dòng)功率小，故拖拉機(jī)作業(yè)選用速度較快的低速2擋，經(jīng)測(cè)試對(duì)應(yīng)速度平均為0.44 m/s。一株成年翠冠梨樹(shù)約有13%[26]的花結(jié)的果實(shí)達(dá)到成熟就可獲得豐收。Laura等[27]對(duì)不同品種的桃樹(shù)（單花芽）進(jìn)行機(jī)械疏花，平均花朵保留率為60%。McClure等[28]對(duì)蘋(píng)果（混合花芽）進(jìn)行機(jī)械疏花，平均花朵保留率為54.5%。黃宗興等[29]建議梨樹(shù)（混合花芽）疏花中每個(gè)花序留1到3朵花（翠冠每個(gè)花序平均有6朵花，花朵保留率范圍為20%到50%）?？紤]到果實(shí)成長(zhǎng)過(guò)程中受天氣反流、疏花損傷、花期授粉、蟲(chóng)鳥(niǎo)啄食、自然落果等客觀原因的影響，試驗(yàn)中將疏花后的花蕾保留率（疏花后花蕾數(shù)量比上疏花前花蕾數(shù)量）定為50%，后期結(jié)合進(jìn)一步的疏果，再對(duì)幼果進(jìn)行優(yōu)選定果，以保證最終果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)。

1.3.1 疏花力度及轉(zhuǎn)速測(cè)試

梨樹(shù)花柄在疏花過(guò)程中受到疏花繩的擊打而折斷，折斷力一般在2到3 N范圍內(nèi)。在室內(nèi)搭建測(cè)試臺(tái)架對(duì)疏花繩擊打力度進(jìn)行測(cè)試，以確定其疏花軸轉(zhuǎn)速范圍，如圖4所示。間距固定的2個(gè)具有峰值保留功能的彈簧測(cè)力計(jì)下方水平固定1根受力桿，疏花繩以一定的轉(zhuǎn)速和疏花距離對(duì)受力桿進(jìn)行擊打，以測(cè)試疏花力度。試驗(yàn)中，將電阻變位器旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍分成5個(gè)擋位：0擋（電機(jī)轉(zhuǎn)速0 r/min），1擋（電機(jī)轉(zhuǎn)速50 r/min），2擋（電機(jī)轉(zhuǎn)速120 r/min），3擋（電機(jī)轉(zhuǎn)速200 r/min）和4擋（電機(jī)轉(zhuǎn)速300 r/min）。疏花距離保持在30到40 cm（過(guò)遠(yuǎn)，部分花蕾疏花繩打不到；過(guò)近，疏花繩擊打力度小），臺(tái)架一次同時(shí)測(cè)試10根疏花繩在不同轉(zhuǎn)速擋位下，疏花距離為30、35和40 cm時(shí)的擊打力度。為確定疏花軸最佳工作轉(zhuǎn)速，以保證50%的花蕾保留率。疏花期間選取15棵長(zhǎng)勢(shì)相近的梨樹(shù)植株，以3棵樹(shù)為1組均分成5組，每棵樹(shù)隨機(jī)挑選10條樹(shù)枝作為觀測(cè)樣本，將疏花繩擊打力度測(cè)試所確定的200到300 r/min的疏花軸轉(zhuǎn)速范圍均分成5個(gè)擋位：200、225、250、275和300 r/min，分別在“Y”字棚架形梨園中進(jìn)行疏花測(cè)試，計(jì)算5組試驗(yàn)的花蕾保留率后通過(guò)數(shù)據(jù)擬合方法求得疏花軸最佳轉(zhuǎn)速值。

彈簧測(cè)力計(jì)型號(hào)為浙江艾德堡NK-20和NK-50彈簧指針式拉力計(jì)，最大量程分別為20和50 N，精度分別為0.1和0.25 N。疏花電機(jī)型號(hào)為浙江金馳WY1016Z3直流電機(jī)，自帶電阻變位器，額定電壓24 V，最大轉(zhuǎn)速300 r/min。疏花軸轉(zhuǎn)速測(cè)試儀型號(hào)為臺(tái)灣先馳ST722非接觸式光學(xué)轉(zhuǎn)速計(jì)，轉(zhuǎn)速范圍6到99 999 r/min，精度為0.1 r/min。

a. 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) a. Test siteb. 測(cè)試臺(tái)架工作原理 b. Working schematic of test bench

1.3.2 田間性能試驗(yàn)

機(jī)具田間性能試驗(yàn)中，分析疏花機(jī)疏花與人工定果、手持式疏花器疏花與人工定果、人工疏花與定果3種作業(yè)方式相比于只人工疏果作業(yè)方式，對(duì)花蕾保留率、坐果率、作業(yè)效率、果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)[30]的影響。選取24棵長(zhǎng)勢(shì)相近的“Y”字棚架形梨樹(shù)植株作為研究對(duì)象，將樹(shù)冠在高度方向上分成上中下3層，每層隨機(jī)挑選5條樹(shù)枝作為觀測(cè)樣本。以6棵樹(shù)為1組分成4組，疏花處理方式分別為：不疏花（第1組，對(duì)照組）、人工疏花（第2組，試驗(yàn)組）、疏花器疏花（第3組，試驗(yàn)組）和疏花機(jī)疏花（第4組，試驗(yàn)組），圖5為疏花機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及花蕾疏后效果。試驗(yàn)中，除拖拉機(jī)駕駛外，其他作業(yè)選用2名熟練工進(jìn)行單人單樹(shù)作業(yè)。

圖5 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及花蕾疏后圖片

2019年3月29日至4月1日進(jìn)行疏花試驗(yàn)，疏花前記錄樣本枝條花蕾數(shù)量，疏花過(guò)程中記錄每棵樹(shù)作業(yè)時(shí)間，疏花后再次記錄樣本枝條花蕾數(shù)量。2019年4月22日至4月25日進(jìn)行疏果試驗(yàn)，疏果前記錄樣本枝條幼果數(shù)量，疏果過(guò)程中記錄每棵樹(shù)作業(yè)時(shí)間，疏果后再次記錄樣本枝條幼果數(shù)量。所有試驗(yàn)梨樹(shù)均采用間距法[31]進(jìn)行人工疏果和定果。2019年7月22日至7月24日對(duì)梨樹(shù)進(jìn)行采收，參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T440—2001《梨外觀等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[32]、GB/T10650—2008《鮮梨》[33]和試驗(yàn)園區(qū)以往采收、銷(xiāo)售的經(jīng)驗(yàn)，將每棵試驗(yàn)梨樹(shù)的果實(shí)進(jìn)行優(yōu)質(zhì)果和普通果分級(jí)采收，其中優(yōu)質(zhì)果標(biāo)準(zhǔn)為：果形端正，果皮暗綠，果梗完整，果面無(wú)刺傷、劃傷、碰壓傷、磨傷、蟲(chóng)傷等，單果質(zhì)量不小于350 g（外觀上最大果徑不小于7 cm），可溶性固形物含量不小于12%。在每組試驗(yàn)樹(shù)的優(yōu)質(zhì)果和普通果中，各選取3個(gè)（共6個(gè)）梨果，測(cè)定其可溶性固形物（糖度）后求平均值得出各測(cè)試組的果實(shí)糖度，糖度儀型號(hào)為恒儀HY-32T手持糖度測(cè)試儀，量程為0到32%，精度為0.1%。

2 結(jié)果和討論

2.1 疏花軸轉(zhuǎn)速

臺(tái)架試驗(yàn)中每組（同轉(zhuǎn)速同疏花距離）試驗(yàn)進(jìn)行3次，求平均值后列于表3。從表中可以看出，疏花距離和疏花軸轉(zhuǎn)速都與疏花繩擊打力成正相關(guān)。

表3 單根疏花繩擊打力

將30 cm疏花距離（相比于其他疏花距離，在表3中擊打力最?。┑臄?shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得出式（2），其2=0.993，擬合程度高。以=3 N為函數(shù)值，通過(guò)式（2）計(jì)算，得出197.3 r/min的轉(zhuǎn)速值，由此可知疏花機(jī)在翠冠梨園中疏花軸轉(zhuǎn)速要大于197.3 r/min時(shí)才能把花蕾打掉。疏花軸在轉(zhuǎn)速200、225、250、275和300 r/min時(shí)作業(yè)的花蕾保留率分別為60.81%、55.44%、49.33%、46.12%和42.15%。經(jīng)數(shù)據(jù)線性擬合得出式（3），其2=0.986，擬合程度高。按50%花蕾保留率計(jì)算出疏花軸最佳轉(zhuǎn)速為254.07 r/min。疏花機(jī)疏花試驗(yàn)中，設(shè)定疏花軸轉(zhuǎn)速為254 r/min。

=0.016-0.156 3（2）

式中為單根疏花繩擊打力，N。

=-0.186 6+97.41（3）

式中為花蕾保留率，%。

2.2 花蕾保留率

疏花試驗(yàn)中測(cè)試了試驗(yàn)梨樹(shù)每一樣本枝條的花蕾保留率，以評(píng)價(jià)整體疏花質(zhì)量。為了能夠反映單個(gè)試驗(yàn)樹(shù)體間疏花作業(yè)的均勻穩(wěn)定性，對(duì)各層試驗(yàn)樹(shù)變異系數(shù)做了計(jì)算。按照式（4）、（5）、（6）統(tǒng)計(jì)各層平均花蕾保留率后進(jìn)行變異性分析，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 花蕾保留率a

注：梨園樹(shù)冠高度約為2 m，以0.7 m為間隔將其均分成上、中、下3層，下同。

Note: The height of pear canopy is about 2 m, divided it into upper middle lower three layers at 0.7 m intervals, the same below.

式中a為各層第個(gè)樣本組平均花蕾保留率，%。

式中s為各層果樹(shù)花蕾保留率標(biāo)準(zhǔn)差，%。

式中CV為各層果樹(shù)花蕾保留率變異系數(shù)，%。

第1組不疏花只疏果，花蕾保留率為100%，其他3組疏花方式各層及總體花蕾保留率都能較好滿(mǎn)足50%花蕾保留率的疏花要求。3組之間花蕾保留率變異系數(shù)按照從小到大的順序排列，依次為疏花機(jī)疏花、人工疏花和疏花器疏花。疏花機(jī)疏花變異系數(shù)明顯小于其他2組（比第2組小6.68個(gè)百分點(diǎn)，比第3組小9.33個(gè)百分點(diǎn)），這與適合機(jī)械化作業(yè)的棚架模式有關(guān)，拖拉機(jī)牽引疏花機(jī)按照固定路線行駛作業(yè)，比反復(fù)穿梭于棚架內(nèi)外的其他2種模式作業(yè)穩(wěn)定性要高。表4中疏花器疏花（第3組）上中下3層的花蕾保留率表面上較為接近（48.55%、48.13%和48.17%），但每個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)的6棵試驗(yàn)果樹(shù)之間的差異大小實(shí)質(zhì)上由各層的變異系數(shù)表明，各層花蕾保留率在文中主要用來(lái)滿(mǎn)足50%花蕾保留率的疏花要求，從表中可以看到疏花器疏花變異系數(shù)最大（13.53%），而且各層變異系數(shù)之間的波動(dòng)也最大（最大相差15.09%），這些都表明疏花器疏花比人工疏花、疏花機(jī)疏花更難保證疏花均勻性。這與疏花器的作業(yè)方式有關(guān)：人工疏花能夠比較精準(zhǔn)的對(duì)花蕾進(jìn)行定量疏除，但長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)所產(chǎn)生的疲勞會(huì)對(duì)疏花精確性產(chǎn)生較大的影響；疏花器疏花是在人工疏花的基礎(chǔ)上進(jìn)行，它能有效提升人工疏花效率，但疏花繩與花蕾的接觸幅度由作業(yè)者主觀控制，加之人工疲勞因素，樹(shù)體間作業(yè)波動(dòng)性較人工大。

2.3 坐果率

疏花疏果的目的是為了提高果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)，而疏花的目的是為了減小疏果環(huán)節(jié)繁重的用工壓力，提升果園作業(yè)效率。坐果情況是衡量疏花效果最好的證明，24棵試驗(yàn)梨樹(shù)的絕對(duì)坐果率和相對(duì)坐果率（疏果前幼果數(shù)比上疏花后花蕾數(shù)，相對(duì)坐果率是絕對(duì)坐果率與花蕾保留率之比，它能從絕對(duì)坐果率中排除花蕾保留率的干擾，評(píng)價(jià)3種疏花方式對(duì)梨樹(shù)果實(shí)坐果的損傷程度）如表5所示，其中各層絕對(duì)坐果率c、相對(duì)坐果率c及其變異系數(shù)計(jì)算方法與花蕾保留率相同。

表5 絕對(duì)坐果率和相對(duì)坐果率

3個(gè)試驗(yàn)組絕對(duì)坐果率約為對(duì)照組的50%，具體比例依次為54.4%、48.44%和41.66%，這說(shuō)明3種疏花方式明顯降低了梨樹(shù)絕對(duì)坐果率。因疏花繩打中未掉落的受損花蕾在坐果過(guò)程中大多會(huì)慢慢枯萎，故相對(duì)坐果率體現(xiàn)了疏花對(duì)幼果坐果的損傷程度：手持式疏花器相對(duì)坐果率與對(duì)照組絕對(duì)坐果率持平，表明對(duì)梨樹(shù)幼果坐果損傷很??；人工疏花組88.22%的相對(duì)坐果率高于對(duì)照組絕對(duì)坐果率10.66%，體現(xiàn)了人工疏花能一定程度的降低梨樹(shù)自然落果；機(jī)械疏花63.35%的相對(duì)坐果率低于對(duì)照組絕對(duì)坐果率14.21%，表明機(jī)械疏花對(duì)梨樹(shù)幼果坐果有一定的影響，是否影響果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)需要看后期測(cè)驗(yàn)。3個(gè)試驗(yàn)組疏花作業(yè)坐果變異系數(shù)性都小于15%，表明樣本枝條間坐果差異性小，坐果穩(wěn)定。疏花試驗(yàn)組（第2到4組）中，疏花機(jī)疏花（第4組）在表4中的花蕾保留率略高于其他組（多出人工組最多，有3.28個(gè)百分點(diǎn)），但在表5中的絕對(duì)坐果率和相對(duì)坐果率卻遠(yuǎn)低于其他組（相對(duì)坐果率和絕對(duì)坐果率低于人工組最多，分別是9.88個(gè)百分點(diǎn)和14.21個(gè)百分點(diǎn)）。這是因?yàn)樵谑杌ㄟ^(guò)程中，人工疏花對(duì)不需要疏除的花蕾傷害最?。ㄈ耸只蛘呦」魩缀醪辉趺磁鲇|不需要疏除的花蕾），相比于人工疏花，機(jī)械化的疏花機(jī)和半機(jī)械化的疏花器對(duì)不需要疏除的花蕾傷害較大。尤其是疏花機(jī)疏花，疏花繩對(duì)花蕾個(gè)體的擊打具有隨機(jī)性：不少部分的花蕾由于擊打力分散（單根疏花繩一次接觸多個(gè)花蕾）原因未被擊落，但因受到一定程度的擊打傷害后，在后期的開(kāi)花結(jié)果過(guò)程中，逐漸枯萎凋落，這會(huì)造成疏花機(jī)疏花絕對(duì)坐果率和相對(duì)坐果率較大幅度的降低。

2.4 作業(yè)效率

疏花疏果作業(yè)效率越高，梨園管理所產(chǎn)生的用工費(fèi)用就會(huì)越低。每棵樹(shù)即使同齡同形，花量及果量也會(huì)不同。為了減小試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)中對(duì)各組單棵試驗(yàn)梨樹(shù)的疏花疏果作業(yè)時(shí)間分別進(jìn)行記錄，求平均后列于表6。

表6 疏花疏果時(shí)間

疏花機(jī)疏花為后期的疏果節(jié)約大量的時(shí)間，相比人工疏果（第1組，對(duì)照組）總時(shí)間節(jié)約66.17%。人工疏花聯(lián)合人工定果（第2組）與人工疏果作業(yè)時(shí)間相當(dāng)，為后期人工疏果節(jié)約少量的時(shí)間（10.45%），在所有疏花定果聯(lián)合作業(yè)方式中耗時(shí)最長(zhǎng)。疏花器疏花提升了較高的作業(yè)效率，疏花時(shí)間為后期疏果時(shí)間的27.66%，相比于人工疏果總作業(yè)時(shí)間節(jié)約37.26%。同樣是疏除50%的花蕾，疏花機(jī)和疏花器疏花時(shí)間分別為人工疏花時(shí)間的1.9%（幾乎不占用時(shí)間）和36.39%。

2.5 果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)

在果樹(shù)豐產(chǎn)的前提下，果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)是評(píng)價(jià)果實(shí)生產(chǎn)管理好壞的重要考核指標(biāo)，它直接關(guān)系到果農(nóng)的生產(chǎn)收益。試驗(yàn)中測(cè)量留果率（成熟果數(shù)量比上疏花前花蕾數(shù)）、單樹(shù)果實(shí)總產(chǎn)量、優(yōu)質(zhì)果平均單果質(zhì)量、單樹(shù)優(yōu)質(zhì)果產(chǎn)量和果實(shí)糖度5個(gè)指標(biāo)，結(jié)果列于表7。

表7 果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)

注：優(yōu)質(zhì)果標(biāo)準(zhǔn)為果形端正，果皮暗綠，果梗完整，果面無(wú)刺傷、劃傷、碰壓傷、磨傷、蟲(chóng)傷，單果質(zhì)量不小于350 g。

Note: The high quality fruit is defined as the shape correct, the peel dark green, the fruit stem intact, the fruit surface is free of stab, scratch, crush injury, ground injury, worm injury, and the mass of the single fruit is not less than 350 g.

梨樹(shù)疏花完成后，還需要人工優(yōu)選定果，對(duì)照組為疏果定果同時(shí)完成。表7中最小留果率為13.01%（第4組），相比于表5中數(shù)值最小的32.31%疏花機(jī)絕對(duì)坐果率，還要低19.3個(gè)百分點(diǎn)，表明3個(gè)疏花試驗(yàn)組（第2到4組）后期的人工優(yōu)選定果環(huán)節(jié)，至少還有19.3個(gè)百分點(diǎn)的擇優(yōu)疏果余地，所以果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)不受坐果率影響。留果率與單樹(shù)果實(shí)總產(chǎn)量、單樹(shù)優(yōu)質(zhì)果產(chǎn)量成正相關(guān)，與優(yōu)質(zhì)果平均單果質(zhì)量、糖度呈負(fù)相關(guān)。試驗(yàn)組各指標(biāo)相互間差異不大，3組求平均后：留果率13.06%、單樹(shù)果實(shí)總產(chǎn)量29.07 kg、優(yōu)質(zhì)果平均單果質(zhì)量388.7 g、單樹(shù)優(yōu)質(zhì)果產(chǎn)量25 kg、糖度13.1%，相比于對(duì)照組：留果率降低了0.21個(gè)百分點(diǎn)、單樹(shù)果實(shí)總產(chǎn)量降低了11.37%、優(yōu)質(zhì)果單果質(zhì)量升高了6.58%、單樹(shù)優(yōu)質(zhì)果產(chǎn)量降低了8.59%、果實(shí)糖度升高了1.55%。對(duì)照組留果率、單樹(shù)果實(shí)總產(chǎn)量及單樹(shù)優(yōu)質(zhì)果產(chǎn)量較試驗(yàn)組高，這是因?yàn)槭韫?，梨?shù)葉子已成形，茂密的樹(shù)葉一定程度上遮擋了疏果人員的視線，造成部分花序疏果量低、留果率偏高，而試驗(yàn)組幼果量相對(duì)只有約50%，受影響程度較小，留果率較對(duì)照組低。對(duì)照組優(yōu)質(zhì)果單果平均質(zhì)量和糖度較試驗(yàn)組低，這與果樹(shù)營(yíng)養(yǎng)消耗有關(guān)：對(duì)照組果樹(shù)花期沒(méi)有疏花，大部分花蕾基本上都發(fā)育成幼果，并且后期人工疏果保留量又偏高，而3個(gè)試驗(yàn)組約有50%的花蕾在果樹(shù)花期已被疏除，后期發(fā)育成幼果的花蕾數(shù)量比對(duì)照組的少，坐果期間節(jié)約了果實(shí)成長(zhǎng)養(yǎng)分，使得果實(shí)個(gè)體營(yíng)養(yǎng)充足，單果質(zhì)量及糖度有所增加。在果實(shí)外觀完好的前提下，文獻(xiàn)[32]對(duì)各個(gè)品種的梨以質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)，質(zhì)量越大等級(jí)越高，對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)售價(jià)也就越高，對(duì)照組雖然單樹(shù)果實(shí)總產(chǎn)量及單樹(shù)優(yōu)質(zhì)果產(chǎn)量比試驗(yàn)組高，但是其優(yōu)質(zhì)果平均單果質(zhì)量及糖度比試驗(yàn)組小，二者畝產(chǎn)收益高低還要根據(jù)果品具體的市場(chǎng)價(jià)格差額和產(chǎn)量差值而定。另外按照5 m×3 m的行株距計(jì)算，本試驗(yàn)“Y”字棚架形梨園畝產(chǎn)在1 224.64與1 459.6 kg之間，與劉璐璐等[34]建議的翠冠高質(zhì)單位面積產(chǎn)量一致。

3 結(jié) 論

1）介紹了前期設(shè)計(jì)的2種疏花裝置：三節(jié)臂機(jī)載式疏花機(jī)和手持式疏花器。疏花機(jī)采用拖拉機(jī)3點(diǎn)懸掛作業(yè)，機(jī)具寬度液壓缸0到0.5 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)可調(diào)，疏花節(jié)臂空間位置多角度可調(diào)，疏花軸電機(jī)轉(zhuǎn)速0到300 r/min可調(diào)；手持式疏花器0.95到1.6 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)伸縮可調(diào)，疏花軸電機(jī)轉(zhuǎn)速0到900 r/min可調(diào)。

2）測(cè)試了疏花機(jī)疏花軸在50、120、200和300 r/min轉(zhuǎn)速下，疏花距離為30、35和40 cm時(shí)疏花繩的擊打力度，確定疏花軸轉(zhuǎn)速作業(yè)范圍為不小于197.3 r/min。在拖拉機(jī)0.44 m/s牽引速度下測(cè)試疏花軸轉(zhuǎn)速在200、225、250、275和300 r/min時(shí)的花蕾保留率，確定50%花蕾保留率所需疏花軸轉(zhuǎn)速為254 r/min。

3）試驗(yàn)對(duì)比了疏花機(jī)與人工定果、疏花器疏花與人工定果、人工疏花與定果、單一人工疏果4種作業(yè)方式，在“Y”字棚架形梨園中的花蕾保留率、坐果率、作業(yè)效率、果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)。2種裝置疏花質(zhì)量與人工方式無(wú)明顯差異，疏花機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性較其他作業(yè)方式高；疏花機(jī)可降低梨樹(shù)絕對(duì)坐果率，雖然對(duì)幼果坐果有一定的影響，但是經(jīng)過(guò)定果環(huán)節(jié)后不影響后期果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)；疏花機(jī)疏花效率在所有試驗(yàn)組中最高，相比于人工疏果可節(jié)約66.17%的時(shí)間，適合機(jī)械化梨園大規(guī)模作業(yè)；疏花器作業(yè)效率僅次于疏花機(jī)，相比于純?nèi)斯な韫鳂I(yè)時(shí)間節(jié)約37.26%，適用于中小規(guī)模梨園。

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Development and test of three arms tractor-mounted flower thinner

Lei Xiaohui1, Lv Xiaolan1※, Zhang Meina1, Li Xue1, Chang Youhong2, Andreas. Herbst3

(1.,,210014,; 2.,,210014,; 3.,38104,)

Thinning is one of the three labor-consuming sections (pruning, thinning and harvesting) in orchard management process. Chemical thinning, not only unstable but also reduces fruit safety, has been banned gradually in recent years. Pure artificial thinning, especially artificial fruit thinning, needs larger workload and higher labor cost, unsuitable seriously for the requirements of modern orchard planting. Two kinds of pear mechanical flower thinners were designed in the paper. They were three arms tractor-mounted flower thinner (TMFT) and hand-held flower thinner (HHFT), to alleviate the heavy labor pressure in the process of thinning and improve the efficiency of orchard operation. The width of TMFT was controlled by hydraulic cylinder that range from 1.2 to 1.7 m. TMFT rotation speed of thinning shaft that range from 0 to 300 r/min was controlled by electronic governor. The length of HHFT can change through adjusting the extension rod that range from 0.95 to 1.6 m. HHFT rotation speed of thinning shaft that range from 0 to 900 r/min was controlled by electronic governor too. ‘Y’ trellis ‘Cuiguan’ pear was taken as the research object in the paper. TMFT impact forces of thinning rope with different rotation speed of thinning shaft and thinning distance were measured in bench test, to find the working range of rotation speed. Field test setting 50% flower bud preserved rate (it is easier to thin flower buds than flowers) and 0.44 m/s tractor work speed, and the best rotation speed of thinning shaft was ensured: 254 r/min. Flower bud reserve rate, fruit set rate, work efficiency, fruit yield and quality of four kinds of operation methods were tested, which were TMFT combined with artificial fruit thinning, HHFT combined with artificial fruit thinning, artificial flower fruit thinning and artificial fruit thinning only. Twenty-four ‘Y’ trellis pear trees (6 a) with almost same size were selected for four operation methods. The canopies of each tree were divided into the upper middle lower three layers and five branches were selected as samples in each layer. In order to reduce the operation error, except the TMFT, the operation of each group was completed by two workers with experienced job skill. Field test show that three flower thinning methods can meet the requirement of 50% flower bud preserved rate, the coefficient of variation all less than 15%. There is no obvious difference between TMFT and artificial method in thinning quality and the stability of TMFT is the highest among test groups. Mechanical and artificial flower thinning can significantly reduce about 50% absolute fruit set rate. TMFT will damage the young fruits in a certain degree, but does not affect the yield and quality in the last. Work efficiency of TMFT was highest among flower thinning methods and 66.17% artificial fruit thinning time can be saved. TMFT has a higher requirement for pear orchard mechanization degree, suitable for large-scale mechanized pear orchard. Work efficiency of HHFT is second only to TMFT, 37.26% artificial fruit thinning time can be saved. HHFT is suitable for small and medium sized pear orchard. For fruit yield and quality, total and high quality fruit yield per tree of pure artificial fruit thinning group is higher 11.37% and 8.59% respectively than average values of three kinds of flower thinning group, but the average weight of high quality fruit and brix of sugar solids of is lower 6.58% and 1.55% respectively. The research is helpful to improve the working quality of flower thinner and provide reference for the mechanization management of pear orchard.

agricultural machinery; design; control; orchard; flower thinner; yield; quality

雷嘵暉，呂曉蘭，張美娜，李 雪，常有宏，Andreas. Herbst. 三節(jié)臂機(jī)載式疏花機(jī)的研制與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(24)：31－38. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.004 http://www.tcsae.org

Lei Xiaohui, Lv Xiaolan, Zhang Meina, Li Xue, Chang Youhong, Andreas. Herbst. Development and test of three arms tractor-mounted flower thinner[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 31－38. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.004 http://www.tcsae.org

2019-08-07

2019-11-16

國(guó)家梨產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-28-19）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0201400）；江蘇省農(nóng)業(yè)自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目（CX（18）1007）；江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)示范推廣項(xiàng)目（SJC20190001）

雷嘵暉，助理研究員，主要從事果園管理技術(shù)與裝備研究。Email：leixiaohui.2008@163.com

呂曉蘭，研究員，主要從事果園管理技術(shù)與裝備研究。Email：lxlanny@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.004

S237

A

1002-6819(2019)-24-0031-08