Kaasaegsed põllumajandustraktorid sisaldavad nii palju tipptehnoloogiat, et nad konkureerivad isegi uusimate kosmoselaevadega. Kuid tagumine ots on endiselt vana kooli, tuginedes suuresti fossiilkütustele. Seega on igasugune traktori efektiivsuse optimeerimine keskkonnale suur võit.
Seda silmas pidades on Purdue ülikooli teadlased käivitanud 3.2 miljoni dollari suuruse energiaosakonna projekti, et optimeerida traktoreid ja tööseadmeid ühendavaid hüdrosüsteeme.
"Vedelikuenergia on kõikjal," ütles Andrea Vacca, Purdue Maha Fluid Power teaduskonna õppetool, professor masinaehitus ja põllumajandus- ja biotehnoloogiaja direktor Maha vedelikuenergia uurimiskeskus, riigi suurim akadeemiline hüdraulika labor. „Seda kasutatakse lennukites, autodes ja igasuguste raskete seadmete puhul. Traktor on näide sõidukist, mis kasutab vedelat jõudu, et käivitada kõike alates roolist ja tõukejõust kuni enda järel veetavate seadmete jõuallikani.
Kuid tööseadmete toide on osutunud probleemiks. Traktori hüdrauliline juhtimissüsteem on näidanud vaid 20% efektiivsust, kui see on ühendatud teatud tööseadmete hüdrosüsteemidega, nagu istutusmasinad, külvikud ja külvikud.
"Juhtimisseadmetes on konflikt, kus kaks süsteemi peaaegu võitlevad üksteisega," ütles Ph.D Patrick Stump. masinaehituse eriala üliõpilane. "Selle tulemusena peab traktor istutusmasinaga ühendatud alati töötama väga suure võimsusega, mis kulutab kütust ja suurendab heitgaase."
Selles uuringus rahastati USA energeetikaministeeriumi kaudu Energiatõhususe ja taastuvenergia büroo, keskendus Vacca meeskond konkreetsele traktori ja istutusmasina kombinatsioonile, mida mõlemad pakuvad Case New Holland Industrial, hüdrosüsteemidega, mida pakub Bosch Rexroth. Vaata videot.
Istutusmasin on 40 jalga lai ja 16 istutusreaga.
"Igal real on mitu masinat, mis töötavad koos seemne külvamiseks," ütles Ph.D Xiaofan Guo. masinaehituse eriala üliõpilane. “Ees on puhastusratas, et eemaldada olemasolev taimestik. Lõikeketas lõikab maasse pisikese kraavi, mootor ajab seemned maasse, pihusti toidab auku vett ja väetist ning seejärel katab augu viimane ketas. Neid istutusridu on 16, mis vajavad seemnete edukaks istutamiseks kindlat survet. Ja neid kõiki toidab üks hüdrosüsteem.
Traktori ja istutusmasina kombinatsiooni optimeerimise probleemi lahendamiseks valis Vacca meeskond kolmefaasilise lähenemisviisi. Esiteks pidid teadlased iseloomustama hüdrosüsteemi ja koostama arvutis simulatsioonimudeli.
"Need traktorid on kallid ja keerukad masinad," ütles Ph.D Xin Tian. õpilane, kes töötas mudelid välja nelja aasta jooksul. "Seega alustasime üksikute komponentide modelleerimisest ja nende katsetamisest statsionaarses olekus siin laboris. Kui need on täpsed, ühendame komponentide mudelid süsteemiks – ja testime süsteemi –, et saaksime kontrollida, kas kogu mudel on kehtiv. Mudel on nii suur ja keeruline, et minu meeskond nimetab seda "Koletiseks!"
Kui nad olid oma mudeli kinnitanud, liikusid teadlased teise faasi: lahenduste väljatöötamine, mida nad saaksid testida.
"Erinevad istutustingimused nõuavad erinevat survet ja voolukiirust, " ütles Tian. "Kui mudel näitab paljutõotavat võimsuse ja tõhususe paranemist, saame hakata neid muudatusi reaalsetes tingimustes rakendama."
Kolmandas etapis – reaalsetes katsetes – varustas meeskond traktori ja istutusmasina kombinatsiooni hulgaliselt anduritega.
"Peame teadma, kui palju võimsust traktor tarbib, mida hüdropumbad teevad ning milline on rõhk ja voolukiirus kogu istutusmasinas," ütles Jake Lengacher, esimese aasta doktorant. õpilane. "Kogu see juhtmestik viib uude andmehõivekasti, mille paigaldasime kabiini, nii et meil on täielik ülevaade istutustsükli ajal toimuvast."
Tänu meeskonnale on Purduel hiiglaslike traktorite jaoks palju kohti. The Põllumajanduskolledž eraldas Vacca meeskonnale veerandmiilise maariba Loomateaduste uurimis- ja hariduskeskus Lääne-Lafayette'is.
"Meil on Purdues väga vedanud," ütles Vacca. „Meil on Mahas palju laboriruume, kus saame neid suuri masinaid kontrollitud tingimustes testida; ja põllumajanduses on ka palju põllulappe, kus saame väliuuringuid teha.
Ja kuna ükski meeskonnaliige polnud kunagi põllul nii suurt traktorit juhtinud, korraldas Case New Holland neile sõidu õpetamise koolituse.
"25,000 435-naelise 10,000 hobujõuga traktori võimsus, mis veab XNUMX XNUMX-naelist istutusmasinat – see on hämmastav," ütles Stump. "Kuid kabiinis toimub ka üsna palju, eriti istutusmasina juhtimiseks. See on kindlasti kahe mehe töö, nii et tavaliselt on Jake kabiinis ja jälgib sülearvuti andmeid.
Meeskond viis 2021. aasta kevadel läbi mitu jooksu, kus nad külvasid maisiseemneid erinevatel eelnevalt kindlaksmääratud mootori pöörlemiskiirustel ja külvinormidel. Andmeid läbi kammides leidsid nad, et nende uued hüdraulilised juhtimissüsteemid suurendasid tõhusust üldiselt 25%.
"Arvestades kütuse kogust, mida tüüpiline traktor tarbib, on see tohutu edasiminek," ütles Vacca. "Ja see on alles algus. Meie projekti eesmärk on kahekordistada üldise hüdraulika juhtimissüsteemi tõhusust. Tulevikus plaanime kehtestada juhtimisloogika jaoks rõhu reguleerimise lähenemisviisi, mida pole põllumajandussõidukites kunagi proovitud.
"Kui ma nägin andmeid, mis tõestasid, et meie lahendus töötab, olin ma nii õnnelik," ütles Guo. „Kasvasin üles linnas, nii et sellises talus olemine on minu jaoks päris põnev kogemus. Minu erialaks on juhtimissüsteemid, seega oli nii huvitav näha, kuidas meie teooriaid laboris pärismaailmas proovile pandi. Vedelikenergia on väljakujunenud valdkond, kuid veel on nii palju potentsiaali uute süsteemide ja uute arhitektuuride väljapakkumiseks, et asju veelgi paremaks muuta.
Stump ütles: „Ma poleks kunagi ette kujutanud, et sõidan traktoriga läbi põllumaa doktorikraadi saamiseks. Mul oli plaan minna kosmosesse. Kuid nende traktorite hüdraulika on sama keeruline kui lennuk või rakett. Sukeldumine sügavale voolavasse energiasse on olnud minu tuleviku jaoks insenerivaldkonnas tohutult rakendatav.
Tian ütles: "See on kindlasti minu Purdue's veedetud aja tipphetk. Panin nendesse mudelitesse nii palju aega ja tulemuste paranemise nägemine oli minu jaoks tõesti rõõmus hetk.
Vacca ütles: "Näha meie õpilaste rasket tööd – ja olla tunnistajaks, kuidas idee jõuab laborist põllule – see on tõesti meie töö parim osa."
- Jared Pike, Purdue ülikool