Съвременните селскостопански трактори съдържат толкова много авангардни технологии, че съперничат дори на най-новите космически кораби. Но задната част все още е старата школа, разчитайки до голяма степен на изкопаеми горива. Така че всяка оптимизация на ефективността на трактора е огромна печалба за околната среда.
Имайки това предвид, изследователите от университета Purdue са предприели проект на Министерството на енергетиката на стойност 3.2 милиона долара за оптимизиране на хидравличните системи, които свързват трактори и инвентар.
„Флуидната мощност е навсякъде“, каза Андреа Вака, председател на факултета Maha Fluid Power на Purdue, професор по машиностроенето намлява селскостопанско и биологично инженерство, и директор на Maha Fluid Power Research Center, най-голямата академична лаборатория по хидравлика в страната. „Използва се в самолети, в автомобили и във всички видове тежко оборудване. Тракторът е пример за превозно средство, което използва плавна мощност, за да задейства всичко - от кормилното управление и задвижването, до захранването на приспособленията, които тегли зад себе си.
Но захранването на инструментите се оказа проблем. Хидравличната система за управление на трактора е показала само 20% ефективност, когато е свързана към хидравличните системи на определени приспособления като сеялки, сеялки и преси.
„Има конфликт в контролите, където двете системи почти се борят една с друга“, каза Патрик Стъмп, доктор по философия. студент по машинно инженерство. „В резултат на това, когато е свързан към сеялка, тракторът винаги трябва да работи с изключително висока мощност, което губи гориво и увеличава емисиите.“
В това проучване, финансирано от Министерството на енергетиката на САЩ Офис по енергийна ефективност и възобновяема енергия, екипът на Vacca фокусира вниманието си върху специфична комбинация от трактор и сеялка, и двете предоставени от Case New Holland Industrial, с хидравлични системи предоставени от Бош Рексрот. Виж видео.
Сеялката е широка 40 фута, с 16 реда за засаждане.
„Всеки ред има множество машини, които работят заедно, за да засадят семената“, каза Xiaofan Guo, доктор по философия. студент по машинно инженерство. „Отпред има почистващо колело за премахване на съществуваща растителност. Режещ диск изрязва малък канал в земята, мотор всъщност задвижва семената в земята, пръскачка подава вода и тор в дупката и след това последен диск покрива дупката. Има 16 от тези редове за засаждане, които се нуждаят от специфично количество натиск, за да засадят успешно семената. И всички те се задвижват от една хидравлична система.“
За да се справи с проблема с оптимизирането на комбинацията трактор-сеялка, екипът на Vacca избра трифазен подход. Първо, изследователите трябваше да характеризират хидравличната система и да изградят симулационен модел в компютъра.
„Тези трактори са скъпи и сложни машини“, каза Xin Tian, доктор по философия. студент, който разработва моделите в продължение на четири години. „Затова започнахме с моделиране на отделни компоненти и тестване в стационарни условия тук, в лабораторията. Когато те са точни, ние комбинираме компонентните модели в система – и тестваме системата – за да можем да проверим дали целият модел е валиден. Моделът е толкова голям и сложен, че екипът ми го нарича „Чудовището!“
След като утвърдиха модела си, изследователите преминаха към втора фаза: разработване на решения, които могат да тестват.
„Различните условия на засаждане изискват различно налягане и скорост на потока“, каза Тиан. „Ако моделът покаже обещаващи подобрения в мощността и ефективността, тогава можем да започнем да прилагаме тези промени в реални условия.“
За третата фаза – тестове в реалния свят – екипът оборудва комбинацията трактор-сеялка с безброй сензори.
„Трябва да знаем колко енергия консумира тракторът, какво правят хидравличните помпи и какво е налягането и скоростта на потока в сеялката“, каза Джейк Ленгачер, първа година доктор по философия. студент. „Всички тези кабели водят до нова кутия за събиране на данни, която инсталирахме в кабината, така че имаме пълна картина на това, което се случва по време на цикъл на засаждане.“
За щастие на екипа, Purdue разполага с много места за разходка на гигантски трактори. The Земеделски колеж разпредели на екипа на Вака ивица земя от четвърт миля Изследователски и образователен център по животновъдни науки в Уест Лафайет.
„Имаме голям късмет в Purdue“, каза Вака. „Имаме много лабораторно пространство в Maha, където можем да тестваме тези големи машини при контролирани условия; и селското стопанство също има много земеделски парцели, където можем да провеждаме теренни изследвания.“
И тъй като никой от членовете на екипа никога не е управлявал толкова голям трактор на полето, Case New Holland осигури обучение, за да ги научи как да шофират.
„Чистата мощност на трактор от 25,000 435 паунда с 10,000 конски сили, теглещ сеялка от XNUMX XNUMX паунда – това е невероятно,“ каза Стъмп. „Но също така в кабината се случват доста неща, особено за работа със сеялката. Това определено е работа за двама, така че обикновено Джейк също е в кабината и следи данните на лаптоп.“
Екипът проведе няколко проби през пролетта на 2021 г., при които засади семена от царевица при различни предварително определени обороти на двигателя и скорости на засаждане. Преглеждайки данните, те откриха, че техните нови хидравлични системи за управление водят до общо 25% увеличение на ефективността.
„Като се има предвид количеството гориво, което консумира един типичен трактор, това е огромно подобрение“, каза Вака. „И това е само началото. Целта на нашия проект е да удвоим ефективността на цялостната хидравлична система за управление. В бъдеще планираме да въведем подход за контрол на налягането за контролната логика, който никога не е бил опитван в селскостопански превозни средства.
„Когато видях данните, които доказаха, че нашето решение работи, бях толкова щастлив“, каза Гуо. „Израснал съм в град, така че да бъда във ферма като тази е доста вълнуващо преживяване за мен. Моята специалност са системите за управление, така че беше толкова интересно да видя как нашите теории в лабораторията се подлагат на изпитание в реалния свят. Флуидната мощност е добре установена област, но все още има толкова много потенциал да се предложат нови системи и нови архитектури, които да направят нещата още по-добри.“
Стъмп каза: „Никога не съм си представял, че ще карам трактор през земеделско поле за докторската си степен. Имах планове да се занимавам с космонавтика. Но хидравликата на тези трактори е толкова сложна, колкото на самолет или ракета. Гмуркането дълбоко във флуидната мощност беше изключително приложимо за моето бъдеще в инженерството.“
Тиан каза: „Това със сигурност е връхната точка на времето ми тук в Purdue. Вложих толкова много време в тези модели и да видя подобрението в резултатите беше наистина щастлив момент за мен.“
Вака каза: „Да видим упоритата работа на нашите студенти – и да станем свидетели как идеята преминава от лабораторията към полето – това наистина е най-добрата част от нашата работа.“
- Джаред Пайк, университет Пърдю