Сучасні сільськогосподарські трактори містять стільки передових технологій, що вони конкурують навіть з найновішими космічними кораблями. Але бек-енд все ще старої школи, в основному покладаючись на викопне паливо. Тож будь-яка оптимізація ефективності трактора є величезною перемогою для довкілля.
Зважаючи на це, дослідники Університету Пердью розпочали проект Міністерства енергетики вартістю 3.2 мільйона доларів з оптимізації гідравлічних систем, які з’єднують трактори та знаряддя.
«Потужність рідини всюди», — сказав Андреа Вакка, Голова факультету Maha Fluid Power Purdue, професор машинобудування та сільськогосподарська та біологічна інженерія, та директор о Дослідницький центр Maha Fluid Power, найбільша в країні академічна лабораторія гідравліки. «Він використовується в літаках, автомобілях і у всіх видах важкого обладнання. Трактор є прикладом транспортного засобу, який використовує рідинну потужність, щоб привести в дію все, починаючи від рульового управління та рушійної сили, і закінчуючи живленням знарядь, які він тягне за собою».
Але живлення інструментів виявилося проблемою. Гідравлічна система керування трактора показала лише 20% ефективності при підключенні до гідравлічних систем певних знарядь, таких як сівалки, сівалки та преси.
«Існує конфлікт в елементах керування, коли дві системи майже борються одна з одною», — сказав Патрік Стамп, доктор філософії. студент машинобудування. «Як результат, коли трактор підключений до сівалки, він завжди має працювати на надзвичайно високій потужності, що витрачає паливо та збільшує викиди».
У цьому дослідженні фінансується Міністерством енергетики США Управління енергоефективності та відновлюваних джерел енергії, команда Vacca зосередила свою увагу на певній комбінації трактора та сівалки, обидва надані компанією Корпус New Holland Industrial, з гідравлічними системами Bosch Rexroth. дивіться відео.
Сівалка має ширину 40 футів і 16 рядів.
«У кожному ряду є кілька машин, які працюють разом, щоб висіяти насіння», — сказав Сяофань Го, доктор філософії. студент машинобудування. «Попереду є очисне колесо для видалення існуючої рослинності. Ріжучий диск прорізає крихітну ямку в землі, двигун фактично вганяє насіння в землю, розпилювач подає воду та добриво в отвір, а потім останній диск закриває отвір. Існує 16 таких рядів посіву, які потребують певного тиску для успішного висаджування насіння. І всі вони працюють від однієї гідравлічної системи».
Щоб вирішити проблему оптимізації комбінованого трактора та сівалки, команда Vacca обрала трифазний підхід. По-перше, дослідникам потрібно було охарактеризувати гідравлічну систему та побудувати імітаційну модель у комп’ютері.
«Ці трактори — дорогі та складні машини, — сказав Сінь Тянь, доктор філософії. студент, який розробляв моделі протягом чотирьох років. «Тож ми почали з моделювання окремих компонентів і тестування їх у стаціонарних умовах тут, у лабораторії. Коли вони точні, ми об’єднуємо моделі компонентів у систему та тестуємо систему, щоб переконатися, що вся модель дійсна. Модель настільки велика і складна, що моя команда називає її «Монстр!»
Після перевірки своєї моделі дослідники перейшли до другої фази: розробки рішень, які вони могли б перевірити.
«Різні умови посіву вимагають різного тиску та швидкості потоку», — сказав Тіан. «Якщо модель демонструє багатообіцяючі покращення потужності та ефективності, ми можемо почати впроваджувати ці зміни в реальних умовах».
Для третього етапу – реальних випробувань – команда оснастила комбінований трактор-сівалку безліччю датчиків.
«Нам потрібно знати, скільки енергії споживає трактор, що роблять гідравлічні насоси, який тиск і швидкість потоку в сівалки», — сказав Джейк Ленгачер, доктор філософії першого курсу. студент. «Уся ця проводка веде до нової коробки збору даних, яку ми встановили в кабіні, тому ми маємо повну картину того, що відбувається під час циклу посіву».
На щастя для команди, у Перд’ю є багато місць для гігантських тракторів. The Сільськогосподарський технікум виділив команді Вакки смугу землі в чверть милі на Науково-освітній центр тваринництва у Вест Лафайєт.
«Нам дуже пощастило в Пердью», — сказав Вакка. «У нас є багато лабораторних приміщень у Maha, де ми можемо випробовувати ці великі машини в контрольованих умовах; у сільському господарстві також є багато сільськогосподарських ділянок, де ми можемо проводити польові дослідження».
І оскільки жоден із членів команди ніколи не керував таким великим трактором у полі, компанія Case New Holland провела навчання, щоб навчити їх керувати автомобілем.
«Велика потужність трактора вагою 25,000 435 фунтів із потужністю 10,000 кінських сил, який буксирує сівалку вагою XNUMX XNUMX фунтів, — це вражає», — сказав Стамп. «Але в кабіні також багато чого відбувається, особливо це стосується роботи сівалки. Це, безумовно, робота двох людей, тому зазвичай Джейк також сидить у кабіні, відстежуючи дані на ноутбуці».
Навесні 2021 року команда провела кілька запусків, під час яких вони сіяли насіння кукурудзи на різних заздалегідь визначених обертах двигуна та нормах висіву. Проаналізувавши дані, вони виявили, що їхні нові системи гідравлічного керування призвели до загального підвищення ефективності на 25%.
«Враховуючи кількість палива, яку споживає типовий трактор, це значне покращення», — сказав Вакка. «І це лише початок. Метою нашого проекту є подвоїти ефективність загальної системи гідравлічного керування. У майбутньому ми плануємо запровадити підхід до контролю тиску для логіки керування, який ніколи не застосовувався в сільськогосподарських транспортних засобах».
«Коли я побачив дані, які довели, що наше рішення спрацювало, я був такий щасливий», — сказав Го. «Я виріс у місті, тож перебування на такій фермі для мене є дуже захоплюючим досвідом. Моя спеціалізація — системи керування, тому було так цікаво спостерігати, як наші теорії в лабораторії перевіряються в реальному світі. Гідравлічна енергетика є добре зарекомендував себе в галузі, але все ще є великий потенціал, щоб запропонувати нові системи та нові архітектури, щоб зробити речі ще кращими».
Стамп сказав: «Я ніколи не міг собі уявити, що буду їздити на тракторі полем ферми, щоб отримати ступінь доктора філософії. У мене були плани піти в космонавтику. Але гідравліка цих тракторів така ж складна, як у літака чи ракети. Глибоке занурення в рідинну енергетику надзвичайно застосовно для мого майбутнього в інженерії».
Тіан сказав: «Це, безумовно, найяскравіший момент мого часу тут, у Пердью. Я присвятив стільки часу цим моделям, і побачити покращення результатів було справді щасливим моментом для мене».
Вакка сказав: «Бачити наполегливу роботу наших студентів – і бути свідками того, як ідея потрапляє з лабораторії на поле – це дійсно найкраща частина нашої роботи».
- Джаред Пайк, Університет Пердью