A modern mezőgazdasági traktorok annyi élvonalbeli technológiát tartalmaznak, hogy még a legújabb űrhajókkal is vetekednek. De a háttér még mindig régi iskola, és nagyrészt fosszilis tüzelőanyagokra támaszkodik. Tehát a traktor hatékonyságának minden optimalizálása óriási hasznot jelent a környezet számára.
Ezt szem előtt tartva a Purdue Egyetem kutatói 3.2 millió dolláros energiaügyi minisztériumi projektet indítottak a traktorokat és munkagépeket összekötő hidraulikus rendszerek optimalizálására.
„A folyékony energia mindenütt jelen van” – mondta Andrea Vacca, Purdue Maha Fluid Power Faculty Chair, professor of gépészet és a mezőgazdasági és biológiai mérnökiés igazgatója a Maha Fluid Power Research Center, az ország legnagyobb akadémiai hidraulikai laborja. „Repülőgépeken, autókban és mindenféle nehéz felszerelésben használják. A traktor egy példa egy olyan járműre, amely folyékony energiát használ a kormányzástól és a meghajtástól kezdve a mögötte húzott munkagépek meghajtásáig.
A munkagépek áramellátása azonban problémásnak bizonyult. A traktor hidraulikus vezérlőrendszere csak 20%-os hatékonyságot mutatott, ha egyes munkagépek, mint pl. vetőgépek, vetőgépek és rakodógépek hidraulikus rendszeréhez csatlakozik.
"Van egy konfliktus a vezérlők között, ahol a két rendszer szinte harcba száll egymással" - mondta Patrick Stump, Ph.D. gépészmérnök hallgató. „Ennek eredményeként, ha vetőgéphez van csatlakoztatva, a traktornak mindig rendkívül nagy teljesítménnyel kell működnie, ami üzemanyagot pazarol és növeli a károsanyag-kibocsátást.”
Ebben a tanulmányban az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumán keresztül finanszírozták Energiahatékonysági és Megújuló Energia Hivatal, a Vacca csapata a traktor és a vetőgép sajátos kombinációjára összpontosította figyelmét, mindkettőt a Case New Holland Industrialáltal biztosított hidraulikus rendszerekkel Bosch Rexroth. Lásd videó.
Az ültetőgép 40 láb széles, 16 ültetősorral.
„Minden sorban több gép dolgozik együtt a vetőmag elültetésében” – mondta Xiaofan Guo, Ph.D. gépészmérnök hallgató. „Van egy tisztító kerék elöl, amely eltávolítja a meglévő növényzetet. A vágótárcsa egy apró árkot vág a talajba, egy motor ténylegesen a magokat a talajba hajtja, a permetező vizet és műtrágyát táplál a lyukba, majd egy végső tárcsa fedi be a lyukat. 16 ilyen ültetősor van, amelyeknek bizonyos nyomásra van szükségük a magvak sikeres elültetéséhez. És mindegyiket egyetlen hidraulikus rendszer hajtja.”
A traktor-vetőgép kombináció optimalizálásának problémájának megoldására a Vacca csapata háromfázisú megközelítést választott. A kutatóknak először jellemezniük kellett a hidraulikus rendszert, és szimulációs modellt kellett felépíteniük a számítógépben.
„Ezek a traktorok drága és összetett gépek” – mondta Xin Tian, Ph.D. diák, aki négy éven keresztül fejlesztette ki a modelleket. „Tehát úgy kezdtük, hogy az egyes alkatrészeket modelleztük, és fix állapotban teszteltük őket itt, a laborban. Ha ezek pontosak, a komponensmodelleket rendszerré egyesítjük – és teszteljük a rendszert –, így ellenőrizhetjük, hogy a teljes modell érvényes-e. A modell olyan nagy és összetett, hogy a csapatom „The Monster”-nak hívja.”
Miután validálták modelljüket, a kutatók a második fázisba léptek: olyan megoldásokat dolgoztak ki, amelyeket tesztelni tudtak.
"A különböző ültetési körülmények eltérő nyomást és áramlási sebességet igényelnek" - mondta Tian. "Ha a modell ígéretes teljesítmény- és hatékonyságjavulást mutat, akkor elkezdhetjük ezeket a változtatásokat valós körülmények között végrehajtani."
A harmadik fázishoz – a valós tesztekhez – a csapat számtalan érzékelővel szerelte fel a traktor-vetőgép kombinációt.
„Tudnunk kell, hogy mennyi energiát fogyaszt a traktor, mit csinálnak a hidraulikus szivattyúk, és milyen a nyomás és az áramlási sebesség az egész vetőgépben” – mondta Jake Lengacher, elsőéves Ph.D. diák. „Az összes vezeték egy új adatgyűjtő dobozba vezet, amelyet a fülkébe telepítettünk, így teljes képet kaphatunk arról, hogy mi történik az ültetési ciklus során.”
A csapat szerencséjére Purdue-ban rengeteg hely van az óriástraktoroknak. A Mezőgazdasági Főiskola kiosztott Vacca csapatának egy negyed mérföldes földsávot a Állattudományi Kutató és Oktatási Központ West Lafayette-ben.
„Nagyon szerencsések vagyunk Purdue-nál” – mondta Vacca. „Sok laborterületünk van Mahában, ahol ellenőrzött körülmények között tesztelhetjük ezeket a nagy gépeket; és a mezőgazdaságnak is sok parcellája van, ahol terepkutatást végezhetünk.”
És mivel a csapat egyik tagja sem üzemeltetett még ekkora traktort a szántóföldön, a Case New Holland képzésben részesítette őket, hogy megtanítsa őket vezetni.
„Egy 25,000 lóerős, 435 10,000 kilós traktor puszta ereje, amely egy XNUMX XNUMX kilós vetőgépet vontat – ez csodálatos” – mondta Stump. „De a fülkében is elég sok minden történik, különösen a vetőgép működtetése terén. Ez határozottan két emberes munka, így általában Jake is a fülkében van, és egy laptopon figyeli az adatokat.”
A csapat 2021 tavaszán több futtatást is végrehajtott, ahol kukorica vetőmagot vetettek különböző előre meghatározott motorfordulatszámon és vetési arányon. Az adatokat átfésülve azt találták, hogy új hidraulikus vezérlőrendszereik összességében 25%-os hatékonyságnövekedést eredményeztek.
„Tekintettel a tipikus traktorok által fogyasztott üzemanyag mennyiségére, ez hatalmas előrelépés” – mondta Vacca. „És ez még csak a kezdet. Projektünk célja a teljes hidraulikus vezérlőrendszer hatékonyságának megduplázása. A jövőben olyan nyomásszabályozási megközelítést tervezünk bevezetni a vezérlési logikára, amelyet még soha nem próbáltak ki mezőgazdasági járművekben.”
„Amikor megláttam azokat az adatokat, amelyek bebizonyították, hogy megoldásunk működik, nagyon boldog voltam” – mondta Guo. „Városban nőttem fel, így egy ilyen farmon lenni nagyon izgalmas élmény számomra. Az én szakterületem a vezérlőrendszerek, ezért olyan érdekes volt látni, hogy a laboratóriumi elméleteinket a való világban tesztelik. A folyékony energia egy jól bevált terület, de még mindig nagyon sok lehetőség van új rendszerek és architektúrák javaslatára a dolgok még jobbá tételére.”
Stump azt mondta: „Soha nem gondoltam volna, hogy egy traktort fogok vezetni egy mezőgazdasági területen a doktori fokozatért. Terveim voltak, hogy repüléssel foglalkozom. De ezeknek a traktoroknak a hidraulikája olyan bonyolult, mint egy repülőgép vagy egy rakéta. A folyékony energia mélyére merülése rendkívül hasznos volt a mérnöki jövőmben.”
Tian azt mondta: „Minden bizonnyal ez a Purdue-ban töltött időm fénypontja. Nagyon sok időt fektettem ezekre a modellekre, és az eredmények javulását igazán boldog pillanat volt számomra.”
Vacca azt mondta: „Látva diákjaink kemény munkáját – és tanúi lehetünk annak, hogy egy ötlet eljut a laborból a terepre –, ez valóban munkánk legjobb része.”
- Jared Pike, Purdue Egyetem