Moderne landbrukstraktorer inneholder så mye banebrytende teknologi at de konkurrerer med selv de nyeste romfartøyene. Men bakenden er fortsatt gammeldags, og er i stor grad avhengig av fossilt brensel. Så enhver optimalisering av traktorens effektivitet er en stor gevinst for miljøet.
Med dette i tankene har forskere fra Purdue University gjennomført et 3.2 millioner dollar Department of Energy-prosjekt for å optimalisere de hydrauliske systemene som kobler sammen traktorer og redskaper.
"Væskekraft er overalt," sa Andrea Vacca, Purdue's Maha Fluid Power fakultetsleder, professor i maskinteknikk og landbruks- og biologisk teknikk, og direktør for Maha Fluid Power Research Center, det største akademiske hydraulikklaboratoriet i landet. «Det brukes i fly, i biler og i all slags tungt utstyr. En traktor er et eksempel på et kjøretøy som bruker væskekraft til å aktivere alt fra styring og fremdrift, til å drive redskapene den trekker bak seg.»
Men å drive redskapene har vist seg å være et problem. Det hydrauliske kontrollsystemet til traktoren har vist bare 20 % effektivitet når det er koblet til hydraulikksystemene til visse redskaper som plantemaskiner, såmaskiner og bøyler.
"Det er en konflikt i kontrollene, der de to systemene nesten kjemper mot hverandre," sa Patrick Stump, en Ph.D. student i maskinteknikk. "Som et resultat, når den er koblet til en planter, må traktoren alltid kjøre med ekstremt høy effekt, noe som sløser med drivstoff og øker utslippene."
I denne studien, finansiert gjennom US Department of Energy's Kontor for energieffektivitet og fornybar energi, fokuserte Vaccas team oppmerksomheten på en spesifikk kombinasjon av traktor og planter, begge levert av Case New Holland Industrial, med hydrauliske systemer levert av Bosch Rexroth. se video.
Plantekassen er 40 fot bred, med 16 planterader.
"Hver rad har flere maskiner som jobber sammen for å plante frøet," sa Xiaofan Guo, en Ph.D. student i maskinteknikk. «Det er et rensehjul foran for å fjerne eksisterende vegetasjon. En skjæreskive skjærer en liten grøft i bakken, en motor driver faktisk frøene ned i bakken, en sprøyte mater vann og gjødsel inn i hullet og deretter dekker en siste skive hullet. Det er 16 av disse planteradene, som trenger spesifikke mengder press for å lykkes med å plante frøene. Og alle drives av ett enkelt hydraulisk system.»
For å takle problemet med å optimalisere kombinasjonen av traktor og plantemaskin, valgte Vaccas team en trefasetilnærming. Først trengte forskerne å karakterisere det hydrauliske systemet og bygge en simuleringsmodell i datamaskinen.
"Disse traktorene er dyre og komplekse maskiner," sa Xin Tian, en Ph.D. student som utviklet modellene over en fireårsperiode. "Så vi startet med å modellere individuelle komponenter og teste dem i stasjonær tilstand her i laboratoriet. Når de er nøyaktige, kombinerer vi komponentmodellene til et system – og tester systemet – slik at vi kan verifisere at hele modellen er gyldig. Modellen er så stor og kompleks at teamet mitt kaller det 'The Monster!'»
Når de hadde validert modellen sin, gikk forskerne til fase to: å utvikle løsninger de kunne teste.
"Ulike planteforhold krever forskjellige mengder trykk og strømningshastighet," sa Tian. "Hvis modellen viser lovende forbedringer i kraft og effektivitet, kan vi begynne å implementere disse endringene under virkelige forhold."
For den tredje fasen – virkelige tester – utstyrte teamet traktor-planter-kombinasjonen med et mylder av sensorer.
"Vi trenger å vite hvor mye strøm traktoren bruker, hva de hydrauliske pumpene gjør, og hva trykket og strømningshastighetene er gjennom plantemaskinen," sa Jake Lengacher, en førsteårs Ph.D. student. "Alle ledningene fører inn i en ny datainnsamlingsboks vi installerte i førerhuset, så vi har et fullstendig bilde av hva som skjer under en plantesyklus."
Heldigvis for teamet har Purdue mange steder for gigantiske traktorer å streife rundt på. De Landbrukshøgskolen tildelte Vaccas team en kvart mil landstripe ved Husdyrvitenskapelig forsknings- og utdanningssenter i West Lafayette.
"Vi er veldig heldige i Purdue," sa Vacca. «Vi har mye labplass på Maha hvor vi kan teste disse store maskinene under kontrollerte forhold; og Landbruk har også mange gårdsplasser hvor vi kan utføre feltundersøkelser.»
Og siden ingen av teammedlemmene noen gang hadde kjørt en så stor traktor i felten, ga Case New Holland opplæring for å lære dem å kjøre.
"Den rene kraften til en traktor på 25,000 435 pund med 10,000 hestekrefter, som sleper en plantemaskin på XNUMX XNUMX pund - det er utrolig," sa Stump. «Men det skjer også ganske mye i førerhuset, spesielt for å betjene plantekassen. Det er definitivt en tomannsjobb, så vanligvis er Jake også i førerhuset og overvåker dataene på en bærbar datamaskin.»
Teamet gjennomførte flere løp våren 2021, hvor de sådde maisfrø med forskjellige forhåndsbestemte motorhastigheter og plantehastigheter. Ved å gå gjennom dataene fant de ut at deres nye hydrauliske kontrollsystemer ble oversatt til en samlet effektivitetsøkning på 25 %.
"Gitt mengden drivstoff som en typisk traktor bruker, er det en enorm forbedring," sa Vacca. "Og dette er bare begynnelsen. Vårt prosjektmål er å doble effektiviteten til det totale hydrauliske kontrollsystemet. I fremtiden planlegger vi å innføre en trykkkontrolltilnærming for kontrolllogikken, som aldri har vært forsøkt i landbrukskjøretøy.»
"Da jeg så dataene som viste at løsningen vår fungerte, ble jeg så glad," sa Guo. «Jeg vokste opp i en by, så å være ute på en gård som dette er en ganske spennende opplevelse for meg. Min spesialitet er kontrollsystemer, så det var så interessant å se teoriene våre i laboratoriet bli satt på prøve i den virkelige verden. Fluid power er et veletablert felt, men det er fortsatt så mye potensial til å foreslå nye systemer og nye arkitekturer for å gjøre ting enda bedre.»
Stump sa: «Jeg hadde aldri forestilt meg at jeg skulle kjøre traktor gjennom en gårdsmark for doktorgraden min. Jeg hadde planer om å gå inn i romfart. Men hydraulikken på disse traktorene er like kompleks som et fly eller en rakett. Å dykke dypt inn i flytende kraft har vært enormt anvendelig for fremtiden min innen ingeniørfag.»
Tian sa: «Det er absolutt høydepunktet i min tid her på Purdue. Jeg brukte så mye tid på disse modellene, og å se forbedringen i resultatene var virkelig et lykkelig øyeblikk for meg.»
Vacca sa: "Å se studentenes harde arbeid - og være vitne til en idé komme fra laboratoriet til feltet - det er virkelig den beste delen av jobben vår."
- Jared Pike, Purdue University