Sodobni kmetijski traktorji vsebujejo toliko vrhunske tehnologije, da so konkurenčni celo najnovejšim vesoljskim plovilom. Toda zadnja stran je še vedno stara šola, ki se v veliki meri opira na fosilna goriva. Vsaka optimizacija učinkovitosti traktorja je torej velika zmaga za okolje.
S tem v mislih so se raziskovalci Univerze Purdue lotili 3.2 milijona dolarjev vrednega projekta Ministrstva za energijo za optimizacijo hidravličnih sistemov, ki povezujejo traktorje in priključke.
"Fluid power je povsod," je rekel Andrea Vacca, Purdue's Maha Fluid Power Faculty Chair, profesor strojništvo in kmetijsko in biološko inženirstvo, in direktorica Maha Fluid Power Research Center, največji akademski hidravlični laboratorij v državi. »Uporablja se v letalih, v avtomobilih in v vseh vrstah težke opreme. Traktor je primer vozila, ki uporablja tekočo moč za aktiviranje vsega, od krmiljenja in pogona do pogona priključkov, ki jih vleče za seboj.«
Toda napajanje priključkov se je izkazalo za težavo. Hidravlični krmilni sistem traktorja je pokazal le 20-odstotno učinkovitost, ko je bil povezan s hidravličnimi sistemi nekaterih priključkov, kot so sadilniki, sejalnice in stiskalnice.
"V krmilnikih je konflikt, kjer se dva sistema skoraj borita drug proti drugemu," je dejal Patrick Stump, doktor znanosti. študent strojništva. "Zato mora traktor, ko je priključen na sejalnico, vedno delovati z izjemno visoko močjo, kar zapravlja gorivo in povečuje emisije."
V tej študiji, ki jo financira ameriško ministrstvo za energijo Urad za energetsko učinkovitost in obnovljivo energijo, se je Vaccina ekipa osredotočila na posebno kombinacijo traktorja in sadilnika, ki sta ju zagotovila Case New Holland Industrial, s hidravličnimi sistemi, ki jih je zagotovil Bosch Rexroth. Oglejte si video.
Sadilnik je širok 40 čevljev, s 16 sadilnimi vrstami.
"Vsaka vrsta ima več strojev, ki delujejo skupaj, da posadijo seme," je dejal Xiaofan Guo, doktor znanosti. študent strojništva. »Spredaj je čistilno kolo za odstranjevanje obstoječe vegetacije. Rezalna plošča izreže majhen jarek v tleh, motor dejansko požene semena v zemljo, razpršilec dovaja vodo in gnojilo v luknjo, nato pa zadnja plošča luknjo prekrije. Obstaja 16 teh sadilnih vrst, ki potrebujejo določen pritisk za uspešno sajenje semen. In vse poganja en sam hidravlični sistem.”
Za reševanje problema optimizacije kombinacije traktorja in sejalnice je Vaccina ekipa izbrala trifazni pristop. Najprej so morali raziskovalci opisati hidravlični sistem in zgraditi simulacijski model v računalniku.
»Ti traktorji so dragi in zapleteni stroji,« je dejal Xin Tian, doktor znanosti. študent, ki je modele razvijal štiri leta. »Tako smo začeli z modeliranjem posameznih komponent in njihovim testiranjem v stacionarnih pogojih tukaj v laboratoriju. Ko so ti točni, modele komponent združimo v sistem – in sistem preizkusimo – da lahko preverimo, ali je celoten model veljaven. Model je tako velik in zapleten, da ga moja ekipa imenuje 'Pošast!'«
Ko so potrdili svoj model, so raziskovalci prešli na drugo fazo: razvoj rešitev, ki bi jih lahko preizkusili.
"Različni pogoji sajenja zahtevajo različne količine tlaka in pretoka," je dejal Tian. "Če model pokaže obetajoče izboljšave v moči in učinkovitosti, potem lahko začnemo izvajati te spremembe v realnih pogojih."
Za tretjo fazo – preizkuse v resničnem svetu – je ekipa opremila kombinacijo traktor-sejalnica z nešteto senzorji.
»Vedeti moramo, koliko energije porabi traktor, kaj počnejo hidravlične črpalke in kolikšen je tlak in pretok v sejalnici,« je povedal Jake Lengacher, doktorat prvega letnika. študent. "Vse te napeljave vodijo v novo škatlo za pridobivanje podatkov, ki smo jo namestili v kabino, tako da imamo popolno sliko o tem, kaj se dogaja med ciklom sajenja."
K sreči za ekipo ima Purdue veliko mest za pohajkovanje ogromnih traktorjev. The Visoka šola za kmetijstvo je Vaccini ekipi dodelil četrt milje velik pas zemlje pri Raziskovalni in izobraževalni center za vede o živalih v West Lafayette.
"V Purdueju imamo veliko srečo," je dejal Vacca. »V Mahi imamo veliko laboratorijskega prostora, kjer lahko testiramo te velike stroje pod nadzorovanimi pogoji; Kmetijstvo pa ima tudi veliko kmetijskih zemljišč, kjer lahko izvajamo terenske raziskave.«
In ker nobeden od članov ekipe še nikoli ni upravljal tako velikega traktorja na terenu, je Case New Holland poskrbel za usposabljanje, da bi jih naučili vožnje.
»Samo moč 25,000 funtov težkega traktorja s 435 konjskimi močmi, ki vleče 10,000 funtov težak sejalnik – je neverjetna,« je dejal Stump. »Vendar se tudi v kabini veliko dogaja, zlasti pri upravljanju sejalnice. Vsekakor gre za delo dveh ljudi, zato je Jake običajno tudi v kabini in spremlja podatke na prenosniku.«
Ekipa je spomladi 2021 izvedla več poskusov, kjer je sejala semena koruze pri različnih vnaprej določenih vrtljajih motorja in stopnjah sajenja. Če so prečesali podatke, so ugotovili, da so njihovi novi hidravlični nadzorni sistemi povzročili skupno 25-odstotno povečanje učinkovitosti.
"Glede na količino goriva, ki jo porabi tipičen traktor, je to velika izboljšava," je dejal Vacca. »In to je šele začetek. Cilj našega projekta je podvojiti učinkovitost celotnega hidravličnega krmilnega sistema. V prihodnosti načrtujemo uvedbo pristopa nadzora tlaka za krmilno logiko, ki ga še nikoli niso poskusili uporabiti pri kmetijskih vozilih.«
"Ko sem videl podatke, ki dokazujejo, da naša rešitev deluje, sem bil tako vesel," je dejal Guo. »Odraščal sem v mestu, zato je biti na takšni kmetiji zame precej razburljiva izkušnja. Moja posebnost so nadzorni sistemi, zato je bilo tako zanimivo videti, kako naše teorije v laboratoriju preizkušajo v resničnem svetu. Fluid power je dobro uveljavljeno področje, vendar je še vedno toliko možnosti za predlaganje novih sistemov in novih arhitektur, da bi stvari naredili še boljše.«
Stump je dejal: »Nikoli si nisem predstavljal, da bom za doktorat vozil traktor po polju. Imel sem načrte za vesoljsko dejavnost. Toda hidravlika na teh traktorjih je tako zapletena kot pri letalu ali raketi. Poglobitev v fluidno moč je zelo uporabna za mojo prihodnost v inženirstvu.«
Tian je rekel: »To je vsekakor vrhunec mojega časa tukaj v Purdueju. Toliko časa sem vložil v te modele in videti izboljšanje rezultatov je bil res srečen trenutek zame.”
Vacca je dejal: »Videti trdo delo naših študentov – in biti priča, kako ideja pride iz laboratorija na teren – je to resnično najboljši del našega dela.«
- Jared Pike, Univerza Purdue