基于北斗导航系统的新型履带式变量施肥机的设计

王维鹏，弋晓康※，何义川

（1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔843300；2.新疆维吾尔自治区现代农业工程重点实验室）

0 引言

果树施肥是果园管理中非常必要的环节，开沟施肥可改善果园土壤水分状况，增加光合产物的积累，提高果树产量和品质[1]。但我国化肥过量施用，造成了严重的环境污染和农产品质量安全问题。2019年中国农业总产值660 66.5亿元，同比增长4.6%，化肥用量高达5 403.6万吨[2]。因此高效、智能化和精细化是农业施肥机的发展趋势，而变量施肥是精准农业关键一环。文中设计的施肥机可通过控制肥料口开度和落肥位置，实现肥料用量和撒布宽度的精确可变控制[3]。

1 新型履带式开沟施肥机的设计理念

新型履带式开沟施肥机设计理念为低成本、避障性能好和通过性强、能适用于粗犷农业的长时间作业，且耐磨损[4-6]，具体有以下几个方面。

（1）设计为农业通用的履带式底盘，具有良好的避障能力、通过性和承载性，生产成本低。

（2）功率大。较大的功率可以提高机具的稳定性和实用性，熄火停车的概率也大大降低，还可在后期的研究中加装更多的从属装置，更好的对现有机具进行优化，以保证机具的正常运行。

（3）承载平衡。在含有肥料等物料元素的机具设计中要考虑空载和满载的极限情况，因机具在空载时过轻，满载时过重，因此要计算强度，并考虑机具空载和满载时是否会存在侧翻、陷车、结构断裂等情况。

（4）易损零件要易拆卸更换。机械因长时间在户外使用，工作条件恶劣，发动机和关键部件等长时间处于高功率运转状态，温度和承受阻力高，加之尘土作用，其设计寿命往往会低于正常使用寿命，因此履带式施肥机的关键部件一定要易于更换。

2 新型履带式变量施肥机的设计

2.1 整机结构

整机结构如图1，使用履带式底盘使整机的避障、转向能力增强，设计为自走式可最大程度上缩短机具的长度、增大肥箱的容积、增加了履带式变量施肥机的灵活性。核心部件为开沟器液压缸，使用链刀式开沟机理，由控制器控制液压升降从而控制开沟深度。

图1 履带式变量开沟施肥机结构

2.2 工作原理

系统控制液压部分驱动开沟装置开沟，并将行走路线和施肥处方数据预先输入系统，智能系统控制液压链刀式开沟机开沟，将处方图转化为肥料配比数据，该数据由主控芯片计算后传递给步进电机控制模块给予相应的步进值，后方由步进电机或配比控制器控制肥料混合和开闭装置进行精量操作，将配比均衡的肥料定量的播撒在链式开沟机开沟出的沟槽中。变量施肥结束后，施肥机后方的覆土搅龙将沟槽填埋。施肥机行走到果园行间尽头后，由已经输入的作业路线控制机器液压转向装置并自动升起后方的链刀式开沟器，由导航装置提供转向信号，控制履带施肥机转向进入下一行间，从而在复杂地形和无人智能农业条件下实现不同地块不同施肥量的作业目的。

2.3 控制原理

新型履带式施肥机由液压驱动整机行走，以便更好地控制机具转向。通过无线模块控制作业并发送作业项目及作业路线，主控制器对机具的行进路线进行规划，从而控制液压马达动作并对开沟器液压缸进行作用。控制器配比模块控制施肥量，达到精准施肥和变量施肥的目的，ECU平衡控制器连接运动控制模块和速度控制模块，可以更平稳地使施肥机通过行间的沟壑并且可以实时控制其行进速度；肥料配料输送总成由配料控制模块和与主控模块相连的出料控制模块组成，配料控制模块连接驱动模块和分配模块，驱动模块连接肥料螺旋搅龙以防止肥料堵塞。通过主控模块与GNSS接收机、ECU平衡控制器和液压驱动装置等相结合，在导航功能下，可以更准确地完成果园开沟施肥作业。

2.4 技术参数

新型履带式变量施肥机设计为自走型履带式，搭载55 kW柴油机，使动力源分配更加充足，按照农艺技术要求，使用时为行间双向作业，机具参数如下。

3 总结

新型履带式开沟施肥机设计为无人智能化设备，通过应用自动控制系统实现远程控制操作和发送作业项目，通过北斗导航系统的定位功能，更准确地实现行间开沟施肥的目的。由主控芯片控制链刀式开沟器和步进电机的工作以达到精量施肥、变量施肥的目的。通过试验验证在整机通过性、稳定性和出料口防堵性能还需深入研究和探索。

变量施肥技术结合北斗导航技术，实现化肥和有机肥的高效深施，减少农业生产损耗，提高农产品生产效率和质量，新时代下科技农机相结合是现阶段信息化时代与农业深度融合的桥梁，新型农机将会更适合现阶段精准农业和综合农业的发展。