基于北斗導航系統的新型履帶式變量施肥機的設計

王維鵬，弋曉康※，何義川

（1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾843300；2.新疆維吾爾自治區現代農業工程重點實驗室）

0 引言

果樹施肥是果園管理中非常必要的環節，開溝施肥可改善果園土壤水分狀況，增加光合產物的積累，提高果樹產量和品質[1]。但我國化肥過量施用，造成了嚴重的環境污染和農產品質量安全問題。2019年中國農業總產值660 66.5億元，同比增長4.6%，化肥用量高達5 403.6萬噸[2]。因此高效、智能化和精細化是農業施肥機的發展趨勢，而變量施肥是精準農業關鍵一環。文中設計的施肥機可通過控制肥料口開度和落肥位置，實現肥料用量和撒布寬度的精確可變控制[3]。

1 新型履帶式開溝施肥機的設計理念

新型履帶式開溝施肥機設計理念為低成本、避障性能好和通過性強、能適用于粗獷農業的長時間作業，且耐磨損[4-6]，具體有以下幾個方面。

（1）設計為農業通用的履帶式底盤，具有良好的避障能力、通過性和承載性，生產成本低。

（2）功率大。較大的功率可以提高機具的穩定性和實用性，熄火停車的概率也大大降低，還可在后期的研究中加裝更多的從屬裝置，更好的對現有機具進行優化，以保證機具的正常運行。

（3）承載平衡。在含有肥料等物料元素的機具設計中要考慮空載和滿載的極限情況，因機具在空載時過輕，滿載時過重，因此要計算強度，并考慮機具空載和滿載時是否會存在側翻、陷車、結構斷裂等情況。

（4）易損零件要易拆卸更換。機械因長時間在戶外使用，工作條件惡劣，發動機和關鍵部件等長時間處于高功率運轉狀態，溫度和承受阻力高，加之塵土作用，其設計壽命往往會低于正常使用壽命，因此履帶式施肥機的關鍵部件一定要易于更換。

2 新型履帶式變量施肥機的設計

2.1 整機結構

整機結構如圖1，使用履帶式底盤使整機的避障、轉向能力增強，設計為自走式可最大程度上縮短機具的長度、增大肥箱的容積、增加了履帶式變量施肥機的靈活性。核心部件為開溝器液壓缸，使用鏈刀式開溝機理，由控制器控制液壓升降從而控制開溝深度。

圖1 履帶式變量開溝施肥機結構

2.2 工作原理

系統控制液壓部分驅動開溝裝置開溝，并將行走路線和施肥處方數據預先輸入系統，智能系統控制液壓鏈刀式開溝機開溝，將處方圖轉化為肥料配比數據，該數據由主控芯片計算后傳遞給步進電機控制模塊給予相應的步進值，后方由步進電機或配比控制器控制肥料混合和開閉裝置進行精量操作，將配比均衡的肥料定量的播撒在鏈式開溝機開溝出的溝槽中。變量施肥結束后，施肥機后方的覆土攪龍將溝槽填埋。施肥機行走到果園行間盡頭后，由已經輸入的作業路線控制機器液壓轉向裝置并自動升起后方的鏈刀式開溝器，由導航裝置提供轉向信號，控制履帶施肥機轉向進入下一行間，從而在復雜地形和無人智能農業條件下實現不同地塊不同施肥量的作業目的。

2.3 控制原理

新型履帶式施肥機由液壓驅動整機行走，以便更好地控制機具轉向。通過無線模塊控制作業并發送作業項目及作業路線，主控制器對機具的行進路線進行規劃，從而控制液壓馬達動作并對開溝器液壓缸進行作用?？刂破髋浔饶K控制施肥量，達到精準施肥和變量施肥的目的，ECU平衡控制器連接運動控制模塊和速度控制模塊，可以更平穩地使施肥機通過行間的溝壑并且可以實時控制其行進速度；肥料配料輸送總成由配料控制模塊和與主控模塊相連的出料控制模塊組成，配料控制模塊連接驅動模塊和分配模塊，驅動模塊連接肥料螺旋攪龍以防止肥料堵塞。通過主控模塊與GNSS接收機、ECU平衡控制器和液壓驅動裝置等相結合，在導航功能下，可以更準確地完成果園開溝施肥作業。

2.4 技術參數

新型履帶式變量施肥機設計為自走型履帶式，搭載55 kW柴油機，使動力源分配更加充足，按照農藝技術要求，使用時為行間雙向作業，機具參數如下。

3 總結

新型履帶式開溝施肥機設計為無人智能化設備，通過應用自動控制系統實現遠程控制操作和發送作業項目，通過北斗導航系統的定位功能，更準確地實現行間開溝施肥的目的。由主控芯片控制鏈刀式開溝器和步進電機的工作以達到精量施肥、變量施肥的目的。通過試驗驗證在整機通過性、穩定性和出料口防堵性能還需深入研究和探索。

變量施肥技術結合北斗導航技術，實現化肥和有機肥的高效深施，減少農業生產損耗，提高農產品生產效率和質量，新時代下科技農機相結合是現階段信息化時代與農業深度融合的橋梁，新型農機將會更適合現階段精準農業和綜合農業的發展。