基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的新型履帶式變量施肥機(jī)的設(shè)計(jì)

王維鵬，弋曉康※，何義川

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

果樹(shù)施肥是果園管理中非常必要的環(huán)節(jié)，開(kāi)溝施肥可改善果園土壤水分狀況，增加光合產(chǎn)物的積累，提高果樹(shù)產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。但我國(guó)化肥過(guò)量施用，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題。2019年中國(guó)農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值660 66.5億元，同比增長(zhǎng)4.6%，化肥用量高達(dá)5 403.6萬(wàn)噸[2]。因此高效、智能化和精細(xì)化是農(nóng)業(yè)施肥機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，而變量施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵一環(huán)。文中設(shè)計(jì)的施肥機(jī)可通過(guò)控制肥料口開(kāi)度和落肥位置，實(shí)現(xiàn)肥料用量和撒布寬度的精確可變控制[3]。

1 新型履帶式開(kāi)溝施肥機(jī)的設(shè)計(jì)理念

新型履帶式開(kāi)溝施肥機(jī)設(shè)計(jì)理念為低成本、避障性能好和通過(guò)性強(qiáng)、能適用于粗獷農(nóng)業(yè)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，且耐磨損[4-6]，具體有以下幾個(gè)方面。

（1）設(shè)計(jì)為農(nóng)業(yè)通用的履帶式底盤(pán)，具有良好的避障能力、通過(guò)性和承載性，生產(chǎn)成本低。

（2）功率大。較大的功率可以提高機(jī)具的穩(wěn)定性和實(shí)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(duì)現(xiàn)有機(jī)具進(jìn)行優(yōu)化，以保證機(jī)具的正常運(yùn)行。

（3）承載平衡。在含有肥料等物料元素的機(jī)具設(shè)計(jì)中要考慮空載和滿載的極限情況，因機(jī)具在空載時(shí)過(guò)輕，滿載時(shí)過(guò)重，因此要計(jì)算強(qiáng)度，并考慮機(jī)具空載和滿載時(shí)是否會(huì)存在側(cè)翻、陷車、結(jié)構(gòu)斷裂等情況。

（4）易損零件要易拆卸更換。機(jī)械因長(zhǎng)時(shí)間在戶外使用，工作條件惡劣，發(fā)動(dòng)機(jī)和關(guān)鍵部件等長(zhǎng)時(shí)間處于高功率運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，溫度和承受阻力高，加之塵土作用，其設(shè)計(jì)壽命往往會(huì)低于正常使用壽命，因此履帶式施肥機(jī)的關(guān)鍵部件一定要易于更換。

2 新型履帶式變量施肥機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1，使用履帶式底盤(pán)使整機(jī)的避障、轉(zhuǎn)向能力增強(qiáng)，設(shè)計(jì)為自走式可最大程度上縮短機(jī)具的長(zhǎng)度、增大肥箱的容積、增加了履帶式變量施肥機(jī)的靈活性。核心部件為開(kāi)溝器液壓缸，使用鏈刀式開(kāi)溝機(jī)理，由控制器控制液壓升降從而控制開(kāi)溝深度。

圖1 履帶式變量開(kāi)溝施肥機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

系統(tǒng)控制液壓部分驅(qū)動(dòng)開(kāi)溝裝置開(kāi)溝，并將行走路線和施肥處方數(shù)據(jù)預(yù)先輸入系統(tǒng)，智能系統(tǒng)控制液壓鏈刀式開(kāi)溝機(jī)開(kāi)溝，將處方圖轉(zhuǎn)化為肥料配比數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由主控芯片計(jì)算后傳遞給步進(jìn)電機(jī)控制模塊給予相應(yīng)的步進(jìn)值，后方由步進(jìn)電機(jī)或配比控制器控制肥料混合和開(kāi)閉裝置進(jìn)行精量操作，將配比均衡的肥料定量的播撒在鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)開(kāi)溝出的溝槽中。變量施肥結(jié)束后，施肥機(jī)后方的覆土攪龍將溝槽填埋。施肥機(jī)行走到果園行間盡頭后，由已經(jīng)輸入的作業(yè)路線控制機(jī)器液壓轉(zhuǎn)向裝置并自動(dòng)升起后方的鏈刀式開(kāi)溝器，由導(dǎo)航裝置提供轉(zhuǎn)向信號(hào)，控制履帶施肥機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)入下一行間，從而在復(fù)雜地形和無(wú)人智能農(nóng)業(yè)條件下實(shí)現(xiàn)不同地塊不同施肥量的作業(yè)目的。

2.3 控制原理

新型履帶式施肥機(jī)由液壓驅(qū)動(dòng)整機(jī)行走，以便更好地控制機(jī)具轉(zhuǎn)向。通過(guò)無(wú)線模塊控制作業(yè)并發(fā)送作業(yè)項(xiàng)目及作業(yè)路線，主控制器對(duì)機(jī)具的行進(jìn)路線進(jìn)行規(guī)劃，從而控制液壓馬達(dá)動(dòng)作并對(duì)開(kāi)溝器液壓缸進(jìn)行作用。控制器配比模塊控制施肥量，達(dá)到精準(zhǔn)施肥和變量施肥的目的，ECU平衡控制器連接運(yùn)動(dòng)控制模塊和速度控制模塊，可以更平穩(wěn)地使施肥機(jī)通過(guò)行間的溝壑并且可以實(shí)時(shí)控制其行進(jìn)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(qū)動(dòng)模塊和分配模塊，驅(qū)動(dòng)模塊連接肥料螺旋攪龍以防止肥料堵塞。通過(guò)主控模塊與GNSS接收機(jī)、ECU平衡控制器和液壓驅(qū)動(dòng)裝置等相結(jié)合，在導(dǎo)航功能下，可以更準(zhǔn)確地完成果園開(kāi)溝施肥作業(yè)。

2.4 技術(shù)參數(shù)

新型履帶式變量施肥機(jī)設(shè)計(jì)為自走型履帶式，搭載55 kW柴油機(jī)，使動(dòng)力源分配更加充足，按照農(nóng)藝技術(shù)要求，使用時(shí)為行間雙向作業(yè)，機(jī)具參數(shù)如下。

3 總結(jié)

新型履帶式開(kāi)溝施肥機(jī)設(shè)計(jì)為無(wú)人智能化設(shè)備，通過(guò)應(yīng)用自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作和發(fā)送作業(yè)項(xiàng)目，通過(guò)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位功能，更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)行間開(kāi)溝施肥的目的。由主控芯片控制鏈刀式開(kāi)溝器和步進(jìn)電機(jī)的工作以達(dá)到精量施肥、變量施肥的目的。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證在整機(jī)通過(guò)性、穩(wěn)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(shù)結(jié)合北斗導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)化肥和有機(jī)肥的高效深施，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損耗，提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量，新時(shí)代下科技農(nóng)機(jī)相結(jié)合是現(xiàn)階段信息化時(shí)代與農(nóng)業(yè)深度融合的橋梁，新型農(nóng)機(jī)將會(huì)更適合現(xiàn)階段精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和綜合農(nóng)業(yè)的發(fā)展。