Nykyaikaiset maataloustraktorit sisältävät niin paljon huipputeknologiaa, että ne kilpailevat jopa uusimpien avaruusalusten kanssa. Mutta takapää on edelleen vanhaa koulua, joka perustuu suurelta osin fossiilisiin polttoaineisiin. Joten mikä tahansa traktorin tehokkuuden optimointi on valtava voitto ympäristölle.
Tätä silmällä pitäen Purduen yliopiston tutkijat ovat käynnistäneet 3.2 miljoonan dollarin energiaministeriön projektin traktoreita ja työkoneita yhdistävien hydraulijärjestelmien optimoimiseksi.
"Nestevoimaa on kaikkialla", sanoi Andrea Vacca, Purduen Maha Fluid Power tiedekunnan puheenjohtaja, professori mekaaninen suunnittelu ja maatalous- ja biologinen tekniikkaja johtaja Maha Fluid Power Research Center, maan suurin akateeminen hydrauliikkalaboratorio. ”Se on käytössä lentokoneissa, autoissa ja kaikenlaisissa raskaissa laitteissa. Traktori on esimerkki ajoneuvosta, joka käyttää nestevoimaa kaiken ohjaamiseen ja työntövoimaan sen takana vetämien työkoneiden voimanlähteeseen."
Mutta työlaitteiden virran saaminen on osoittautunut ongelmaksi. Traktorin hydraulinen ohjausjärjestelmä on osoittanut vain 20 %:n tehokkuutta, kun se on liitetty tiettyjen työkoneiden, kuten kylvökoneen, kylvökoneen ja kylvökoneen, hydraulijärjestelmiin.
"Säätimissä on ristiriita, jossa kaksi järjestelmää melkein taistelevat keskenään", sanoi Patrick Stump, Ph.D. konetekniikan opiskelija. – Tämän seurauksena traktorin on aina käytettävä kylvökoneeseen kytkettynä erittäin suurella teholla, mikä kuluttaa polttoainetta ja lisää päästöjä.
Tässä tutkimuksessa rahoitettiin Yhdysvaltain energiaministeriön kautta Energiatehokkuuden ja uusiutuvan energian toimisto, Vaccan tiimi keskitti huomionsa tiettyyn traktorin ja istutuskoneen yhdistelmään Case New Holland Industrial, toimittamilla hydraulijärjestelmillä Bosch Rexroth. Katso video.
Istutuskone on 40 jalkaa leveä, ja siinä on 16 istutusriviä.
"Jokaisella rivillä on useita koneita, jotka työskentelevät yhdessä siementen kylvämiseksi", sanoi tohtori Xiaofan Guo. konetekniikan opiskelija. ”Edessä on puhdistuspyörä olemassa olevan kasvillisuuden poistamiseksi. Leikkuulaikka leikkaa pienen ojan maahan, moottori itse asiassa ajaa siemenet maahan, ruisku syöttää vettä ja lannoitetta reikään ja lopullinen kiekko peittää reiän. Näitä istutusrivejä on 16, jotka tarvitsevat tietyn määrän painetta siementen onnistuneeseen kylväämiseen. Ja ne kaikki saavat voimansa yhdestä hydraulijärjestelmästä.
Vaccan tiimi valitsi kolmivaiheisen lähestymistavan ratkaistakseen traktorin ja kylvökoneen yhdistelmän optimoinnin ongelman. Ensin tutkijoiden piti karakterisoida hydraulijärjestelmä ja rakentaa simulaatiomalli tietokoneeseen.
"Nämä traktorit ovat kalliita ja monimutkaisia koneita", sanoi Xin Tian, Ph.D. opiskelija, joka kehitti mallit neljän vuoden aikana. ”Aloitimme siis mallintamalla yksittäisiä komponentteja ja testaamalla niitä paikallaan laboratoriossa. Kun ne ovat tarkkoja, yhdistämme komponenttimallit järjestelmään – ja testaamme järjestelmää – jotta voimme varmistaa, että koko malli on kelvollinen. Malli on niin suuri ja monimutkainen, että tiimini kutsuu sitä "Hirviöksi!"
Kun he olivat validoineet mallinsa, tutkijat siirtyivät toiseen vaiheeseen: kehittämään ratkaisuja, joita he voisivat testata.
"Eri istutusolosuhteet vaativat erilaisia paineita ja virtausnopeutta", Tian sanoi. "Jos malli osoittaa lupaavia parannuksia tehossa ja tehokkuudessa, voimme alkaa toteuttaa näitä muutoksia todellisissa olosuhteissa."
Kolmannessa vaiheessa – tosielämän testeissä – tiimi varusti traktorin ja kylvökoneen yhdistelmän lukemattomilla antureilla.
"Meidän on tiedettävä, kuinka paljon tehoa traktori kuluttaa, mitä hydraulipumput tekevät ja mitkä paine- ja virtausnopeudet ovat koko kylvökoneessa", sanoi Jake Lengacher, ensimmäisen vuoden tohtori. opiskelija. "Kaikki johdotus johtaa uuteen tiedonkeruulaatikkoon, jonka asensimme ohjaamoon, joten meillä on täydellinen kuva siitä, mitä istutusjakson aikana tapahtuu."
Tiimin onneksi Purduessa on runsaasti paikkoja jättimäisille traktoreille. The Maatalouden korkeakoulu jakoi Vaccan tiimille neljännesmailin maakaistaleen Eläintieteen tutkimus- ja koulutuskeskus West Lafayettessa.
"Olemme erittäin onnekkaita Purduessa", Vacca sanoi. ”Meillä on Mahassa paljon laboratoriotilaa, jossa voimme testata näitä suuria koneita valvotuissa olosuhteissa; ja maataloudella on myös paljon viljelypalstoja, joilla voimme tehdä kenttätutkimusta."
Ja koska kukaan tiimin jäsenistä ei ollut koskaan käyttänyt niin suurta traktoria pellolla, Case New Holland järjesti heille koulutuksen opettaakseen ajamaan.
"25,000 435 punnan painoisen 10,000 hevosvoiman traktorin pelkkä teho, joka vetää XNUMX XNUMX punnan kylvökonetta, on hämmästyttävää", Stump sanoi. ”Mutta ohjaamossa tapahtuu myös paljon, varsinkin kylvökoneen käyttöä varten. Se on ehdottomasti kahden miehen työ, joten yleensä Jake on myös ohjaamossa tarkkailemassa kannettavan tietokoneen tietoja."
Tiimi teki keväällä 2021 useita ajoja, joissa he kylvivät maissin siemeniä erilaisilla ennalta määrätyillä moottorin nopeuksilla ja kylvönopeuksilla. Tietoja kammatessaan he havaitsivat, että heidän uudet hydrauliikkaohjausjärjestelmänsä paransivat kokonaistehokkuutta 25 %.
"Kun otetaan huomioon tyypillisen traktorin kuluttama polttoainemäärä, se on valtava parannus", Vacca sanoi. "Ja tämä on vasta alkua. Projektimme tavoitteena on kaksinkertaistaa kokonaishydrauliikan ohjausjärjestelmän tehokkuus. Tulevaisuudessa aiomme ottaa käyttöön ohjauslogiikkaan paineenhallintamenetelmän, jota ei ole koskaan kokeiltu maatalousajoneuvoissa.
"Kun näin datan, joka osoitti ratkaisumme toimivan, olin niin onnellinen", Guo sanoi. ”Kasvoin kaupungissa, joten tällaisella maatilalla oleminen on minulle melko jännittävä kokemus. Erikoisalani ovat ohjausjärjestelmät, joten oli niin mielenkiintoista nähdä, kuinka laboratoriossa teorioitamme testattiin todellisessa maailmassa. Nestevoima on vakiintunut ala, mutta potentiaalia on vielä niin paljon ehdottaa uusia järjestelmiä ja uusia arkkitehtuureja, jotka parantavat asioita entisestään.
Stump sanoi: "En koskaan kuvitellut ajavani traktorilla maatilan pellolla tohtorintutkintooni. Minulla oli suunnitelmia mennä ilmailualalle. Mutta näiden traktoreiden hydrauliikka on aivan yhtä monimutkaista kuin lentokone tai raketti. Sukellus syvälle nestevoimaan on soveltunut valtavasti tulevaisuuteni tekniikan alalla.
Tian sanoi: "Se on varmasti aikani kohokohta täällä Purduessa. Panin niin paljon aikaa näihin malleihin, ja tulosten paranemisen näkeminen oli minulle todella iloinen hetki.
Vacca sanoi: "Nähdä opiskelijoiden kovan työn - ja nähdä idean siirtyvän laboratoriosta kentälle - se on todella parasta työssämme."
- Jared Pike, Purduen yliopisto