Moderni poljoprivredni traktori sadrže toliko vrhunske tehnologije da mogu konkurirati čak i najnovijim svemirskim letjelicama. Ali pozadina je još uvijek stara škola, oslanjajući se uglavnom na fosilna goriva. Dakle, svaka optimizacija učinkovitosti traktora velika je pobjeda za okoliš.
Imajući to na umu, istraživači Sveučilišta Purdue poduzeli su projekt Ministarstva energetike vrijedan 3.2 milijuna dolara za optimizaciju hidrauličkih sustava koji povezuju traktore i priključke.
"Fluidna snaga je posvuda", rekao je Andrea Vacca, Purdue's Maha Fluid Power Faculty Chair, profesor strojarstvo i poljoprivredno i biološko inženjerstvo, i ravnateljica Maha Fluid Power Research Center, najveći akademski hidraulički laboratorij u zemlji. “Koristi se u zrakoplovima, automobilima i svim vrstama teške opreme. Traktor je primjer vozila koje koristi fluidnu snagu za pokretanje svega, od upravljanja i pogona, do pokretanja oruđa koje vuče za sobom.”
Ali napajanje alata pokazalo se kao problem. Hidraulički upravljački sustav traktora pokazao je samo 20% učinkovitosti kada je spojen na hidrauličke sustave određenih priključaka poput sadilica, sijačica i strojeva za sipanje.
"Postoji sukob u kontrolama, gdje se dva sustava gotovo međusobno bore", rekao je Patrick Stump, dr.sc. student strojarstva. "Kao rezultat toga, kada je spojen na sadilicu, traktor uvijek mora raditi izuzetno visokom snagom, što troši gorivo i povećava emisije."
U ovoj studiji, koju je financiralo Ministarstvo energetike SAD-a Ured za energetsku učinkovitost i obnovljivu energiju, Vaccin tim svoju je pozornost usmjerio na specifičnu kombinaciju traktora i sadilice, oboje koje je osigurao Case New Holland Industrial, s hidrauličkim sustavima koje osigurava Bosch Rexroth. Pogledajte video.
Sadilica je široka 40 stopa, sa 16 redova sadnje.
"Svaki red ima više strojeva koji zajedno rade na sadnji sjemena", rekao je Xiaofan Guo, dr. sc. student strojarstva. “Ispred je kotač za čišćenje za uklanjanje postojeće vegetacije. Rezni disk reže maleni jarak u zemlji, motor zapravo gura sjeme u zemlju, raspršivač dovodi vodu i gnojivo u rupu, a zatim završni disk pokriva rupu. Postoji 16 ovih redova za sadnju, koji zahtijevaju određenu količinu pritiska za uspješnu sadnju sjemena. I sve ih pokreće jedan hidraulički sustav.”
Kako bi se uhvatio u koštac s problemom optimizacije kombinacije traktora i sadilice, Vaccin tim odabrao je trofazni pristup. Prvo su istraživači trebali karakterizirati hidraulički sustav i izgraditi simulacijski model u računalu.
"Ovi traktori su skupi i složeni strojevi", rekao je Xin Tian, dr.sc. student koji je razvijao modele tijekom četiri godine. “Započeli smo modeliranjem pojedinačnih komponenti i njihovim testiranjem u stacionarnim uvjetima ovdje u laboratoriju. Kada su oni točni, kombiniramo modele komponenti u sustav – i testiramo sustav – kako bismo mogli provjeriti je li cijeli model valjan. Model je toliko velik i složen da ga moj tim zove 'Čudovište!'”
Nakon što su potvrdili svoj model, istraživači su prešli na drugu fazu: razvoj rješenja koja bi mogli testirati.
"Različiti uvjeti sadnje zahtijevaju različite količine pritiska i protoka", rekao je Tian. "Ako model pokaže obećavajuća poboljšanja u snazi i učinkovitosti, tada možemo početi provoditi te promjene u stvarnim uvjetima."
Za treću fazu – testove u stvarnom svijetu – tim je opremio kombinaciju traktora i sadilice bezbrojnim senzorima.
"Moramo znati koliko energije troši traktor, što rade hidrauličke pumpe i koliki su tlak i protok kroz sadilicu", rekao je Jake Lengacher, doktorat prve godine. student. "Sve te žice vode u novu kutiju za prikupljanje podataka koju smo instalirali u kabini, tako da imamo potpunu sliku o tome što se događa tijekom ciklusa sadnje."
Srećom za tim, Purdue ima mnogo mjesta za lutanje ogromnih traktora. The Poljoprivredni fakultet dodijelio Vaccinom timu pojas zemlje od četvrt milje na Znanstveno-istraživački i obrazovni centar za životinje u West Lafayetteu.
"Imamo veliku sreću u Purdueu", rekao je Vacca. “Imamo puno laboratorijskog prostora u Mahi gdje možemo testirati ove velike strojeve pod kontroliranim uvjetima; a Poljoprivreda također ima puno poljoprivrednih parcela na kojima možemo provoditi terenska istraživanja.”
A budući da nitko od članova tima nikada nije upravljao tako velikim traktorom na terenu, Case New Holland im je omogućio obuku kako bi ih naučili voziti.
“Čista snaga traktora od 25,000 funti sa 435 konjskih snaga, koji vuče sadilicu od 10,000 funti – nevjerojatna je,” rekao je Stump. „Ali također se dosta toga događa u kabini, posebno kada je u pitanju upravljanje sadilicom. To je definitivno posao za dva čovjeka, tako da je Jake obično također u taksiju i prati podatke na prijenosnom računalu.”
Tim je proveo nekoliko ispitivanja u proljeće 2021., gdje su posijali sjeme kukuruza pri različitim unaprijed određenim brzinama motora i brzinama sjetve. Pročešljavajući podatke, otkrili su da su njihovi novi sustavi hidrauličke kontrole doveli do ukupnog povećanja učinkovitosti od 25%.
"S obzirom na količinu goriva koju tipični traktor troši, to je ogromno poboljšanje", rekao je Vacca. “A ovo je samo početak. Cilj našeg projekta je udvostručiti učinkovitost cjelokupnog hidrauličkog upravljačkog sustava. U budućnosti planiramo uvesti pristup kontroli tlaka za upravljačku logiku, što nikada nije pokušano u poljoprivrednim vozilima.”
"Kada sam vidio podatke koji su dokazali da naše rješenje funkcionira, bio sam tako sretan", rekao je Guo. “Odrastao sam u gradu, tako da je boravak na ovakvoj farmi za mene prilično uzbudljivo iskustvo. Moja specijalnost su sustavi upravljanja, pa je bilo tako zanimljivo vidjeti kako se naše teorije u laboratoriju testiraju u stvarnom svijetu. Fluidna energija dobro je uhodano polje, ali još uvijek postoji toliko potencijala da se predlože novi sustavi i nove arhitekture kako bi stvari bile još bolje.”
Stump je rekao: “Nikada nisam zamišljao da ću voziti traktor kroz farmu za doktorat. Imao sam planove otići u zrakoplovstvo. Ali hidraulika na ovim traktorima jednako je složena kao kod aviona ili rakete. Duboko zaranjanje u fluidnu snagu bilo je iznimno primjenjivo na moju budućnost u inženjerstvu.”
Tian je rekao: “Ovo je svakako vrhunac mog vremena ovdje u Purdueu. Toliko sam vremena uložio u ove modele, a vidjeti poboljšanje rezultata bio je stvarno sretan trenutak za mene.”
Vacca je rekao: "Vidjeti naporan rad naših studenata – i svjedočiti kako ideja iz laboratorija stiže na teren – to je zaista najbolji dio našeg posla."
- Jared Pike, Sveučilište Purdue