Nowoczesne ciągniki rolnicze zawierają tak wiele najnowocześniejszych technologii, że mogą konkurować nawet z najnowszymi statkami kosmicznymi. Ale zaplecze nadal jest oldschoolowe, opierające się w dużej mierze na paliwach kopalnych. Tak więc każda optymalizacja wydajności ciągnika to ogromna korzyść dla środowiska.
Mając to na uwadze, naukowcy z Purdue University podjęli się realizacji projektu Departamentu Energii o wartości 3.2 miliona dolarów, aby zoptymalizować układy hydrauliczne łączące ciągniki i narzędzia.
„Energia płynów jest wszędzie” — powiedział Andrea Vaca, Katedra Wydziału Energetyki Płynnej Purdue, profesor Inżynieria mechaniczna i inżynieria rolnicza i biologicznai dyrektorem Centrum Badań Energetyki Płynnej Maha, największe akademickie laboratorium hydrauliczne w kraju. „Jest używany w samolotach, samochodach i wszelkiego rodzaju ciężkim sprzęcie. Ciągnik to przykład pojazdu, który wykorzystuje płynną moc do uruchamiania wszystkiego, od układu kierowniczego i napędu po napędzanie narzędzi ciągniętych za nim”.
Problemem okazało się jednak zasilanie narzędzi. Hydrauliczny układ sterowania ciągnika wykazał tylko 20% wydajności, gdy jest podłączony do układów hydraulicznych niektórych narzędzi, takich jak sadzarki, siewniki i prasownice.
„Istnieje konflikt w sterowaniu, gdzie oba systemy prawie walczą ze sobą”, powiedział dr Patrick Stump. student inżynierii mechanicznej. „W rezultacie, gdy jest podłączony do sadzarki, ciągnik zawsze musi pracować z bardzo dużą mocą, co powoduje marnowanie paliwa i zwiększa emisje”.
W tym badaniu, sfinansowanym przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych Biuro Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej, zespół Vacca skupił się na specyficznym zestawieniu ciągnika i sadzarki, dostarczonych przez Skrzynia New Holland Industrial, z układami hydraulicznymi dostarczonymi przez Bosch Rexroth. Zobacz wideo.
Sadzarka ma 40 stóp szerokości i 16 rzędów sadzenia.
„Każdy rząd ma wiele maszyn współpracujących ze sobą, aby sadzić nasiona” – powiedział dr Xiaofan Guo. student inżynierii mechanicznej. „Z przodu znajduje się koło czyszczące do usuwania istniejącej roślinności. Tarcza tnąca wycina niewielki rów w ziemi, silnik faktycznie wbija nasiona w ziemię, opryskiwacz podaje wodę i nawóz do otworu, a ostatnia tarcza zakrywa otwór. Jest 16 takich rzędów, które wymagają określonej siły nacisku, aby skutecznie zasadzić nasiona. A wszystkie są zasilane przez jeden układ hydrauliczny”.
Aby rozwiązać problem optymalizacji zestawu ciągnik-sadzarka, zespół Vacca wybrał podejście trójfazowe. Najpierw naukowcy musieli scharakteryzować układ hydrauliczny i zbudować model symulacyjny w komputerze.
„Te traktory to drogie i skomplikowane maszyny” — powiedział dr Xin Tian. student, który opracowywał modele przez cztery lata. „Zaczęliśmy więc od modelowania poszczególnych komponentów i testowania ich w warunkach stacjonarnych w laboratorium. Gdy są one dokładne, łączymy modele składowe w system – i testujemy system – abyśmy mogli zweryfikować poprawność całego modelu. Model jest tak duży i złożony, że mój zespół nazywa go „Potworem!”
Po zweryfikowaniu modelu naukowcy przeszli do fazy drugiej: opracowania rozwiązań, które mogliby przetestować.
„Różne warunki sadzenia wymagają różnych wartości ciśnienia i szybkości przepływu” – powiedział Tian. „Jeśli model wykaże obiecującą poprawę mocy i wydajności, możemy zacząć wdrażać te zmiany w warunkach rzeczywistych”.
W trzeciej fazie – testach w warunkach rzeczywistych – zespół wyposażył zestaw ciągnik-sadzarka w niezliczone czujniki.
„Musimy wiedzieć, ile mocy zużywa ciągnik, co robią pompy hydrauliczne oraz jakie są ciśnienie i natężenie przepływu w sadzarce” — powiedział Jake Lengacher, doktorant pierwszego roku. student. „Całe okablowanie prowadzi do nowej skrzynki akwizycji danych, którą zainstalowaliśmy w kabinie, dzięki czemu mamy pełny obraz tego, co dzieje się podczas cyklu sadzenia”.
Na szczęście dla zespołu Purdue ma mnóstwo miejsc, w których mogą wędrować gigantyczne traktory. The Wyższa Szkoła Rolnicza przydzielono zespołowi Vacca ćwierćmilowy pas ziemi w Centrum Badawczo-Edukacyjne Nauk o Zwierzętach w Zachodnim Lafayette.
„Jesteśmy bardzo szczęśliwi w Purdue” – powiedział Vacca. „W Maha mamy dużo przestrzeni laboratoryjnej, gdzie możemy testować te duże maszyny w kontrolowanych warunkach; a rolnictwo ma również wiele działek rolnych, na których możemy prowadzić badania terenowe”.
A ponieważ żaden z członków zespołu nigdy nie obsługiwał tak dużego ciągnika w terenie, firma Case New Holland zapewniła im szkolenie uczące jeździć.
„Sama moc ważącego 25,000 435 funtów ciągnika o mocy 10,000 koni mechanicznych, ciągnącego ważącą XNUMX XNUMX funtów sadzarkę – jest niesamowita” – powiedział Stump. „Ale w kabinie dużo się dzieje, zwłaszcza w kwestii obsługi sadzarki. To zdecydowanie praca dla dwóch osób, więc zwykle Jake siedzi w taksówce i monitoruje dane na laptopie.
Zespół przeprowadził kilka przebiegów wiosną 2021 r., podczas których posadzili nasiona kukurydzy przy różnych, wcześniej określonych prędkościach obrotowych silnika i szybkości sadzenia. Przeszukując dane, odkryli, że ich nowe hydrauliczne systemy sterowania przełożyły się na ogólny 25% wzrost wydajności.
„Biorąc pod uwagę ilość paliwa zużywaną przez typowy ciągnik, jest to ogromna poprawa” — powiedział Vacca. "A to dopiero początek. Naszym celem projektowym jest podwojenie wydajności całego układu sterowania hydraulicznego. W przyszłości planujemy wprowadzić podejście do kontroli ciśnienia w logice sterowania, co nigdy nie było stosowane w pojazdach rolniczych.”
„Kiedy zobaczyłem dane, które dowiodły, że nasze rozwiązanie działa, byłem bardzo szczęśliwy” – powiedział Guo. „Dorastałem w mieście, więc przebywanie na takiej farmie jest dla mnie całkiem ekscytującym doświadczeniem. Moją specjalnością są systemy sterowania, więc bardzo interesujące było zobaczyć, jak nasze teorie sprawdzane są w laboratorium w prawdziwym świecie. Energetyka płynów to dobrze ugruntowana dziedzina, ale wciąż istnieje duży potencjał do proponowania nowych systemów i nowych architektur, aby wszystko było jeszcze lepsze”.
Stump powiedział: „Nigdy nie wyobrażałem sobie, że będę jeździł traktorem przez pole rolnicze, żeby zrobić doktorat. Miałem w planach wejście do lotnictwa. Ale hydraulika tych ciągników jest tak samo skomplikowana jak samolot czy rakieta. Zanurzenie się głęboko w technologię płynów ma ogromne znaczenie dla mojej przyszłości w inżynierii”.
Tian powiedział: „To z pewnością najważniejszy moment mojego pobytu w Purdue. Poświęciłem tym modelom tak wiele czasu, a poprawa wyników była dla mnie naprawdę szczęśliwym momentem”.
Vacca powiedziała: „Obserwowanie ciężkiej pracy naszych uczniów – i obserwowanie, jak pomysł przechodzi z laboratorium na teren – to naprawdę najlepsza część naszej pracy”.
- Jared Pike, Uniwersytet Purdue