Os tractores agrícolas modernos conteñen tanta tecnoloxía de punta, que rivalizan ata coas naves espaciais máis recentes. Pero a parte traseira segue sendo da vella escola, baseándose en gran medida nos combustibles fósiles. Polo tanto, calquera optimización da eficiencia do tractor é unha gran vitoria para o medio ambiente.
Con isto en mente, os investigadores da Universidade de Purdue levaron a cabo un proxecto do Departamento de Enerxía de 3.2 millóns de dólares para optimizar os sistemas hidráulicos que conectan tractores e aperos.
"A enerxía fluída está en todas partes", dixo Andrea Vacca, Catedrático da Facultade de Maha Fluid Power de Purdue, profesor de Enxeñaría Mecánica enxeñaría agrícola e biolóxica, e director da Centro de Investigación Maha Fluid Power, o maior laboratorio académico de hidráulica do país. "Úsase en avións, en coches e en todo tipo de equipos pesados. Un tractor é un exemplo de vehículo que usa enerxía fluída para accionar todo, desde a dirección e a propulsión ata alimentar os apeiros que tira detrás del.
Pero alimentar os apeiros demostrou ser un problema. O sistema de control hidráulico do tractor mostrou só un 20% de eficiencia cando está conectado aos sistemas hidráulicos de certos apeiros como sementadoras, sementadoras e apiladoras.
"Hai un conflito nos controis, onde os dous sistemas case loitan entre si", dixo Patrick Stump, doutor. estudante de enxeñaría mecánica. "Como resultado, cando está conectado a unha sembradora, o tractor sempre ten que funcionar a unha potencia extremadamente alta, o que desperdicia combustible e aumenta as emisións".
Neste estudo, financiado polo Departamento de Enerxía dos Estados Unidos Oficina de Eficiencia Enerxética e Enerxías Renovables, o equipo de Vacca centrou a súa atención nun combo específico de tractor e xardineira, ambos proporcionados por Case New Holland Industrial, con sistemas hidráulicos proporcionados por Bosch Rexroth. Ver o vídeo.
A plantadora ten 40 pés de ancho, con 16 filas de plantación.
"Cada fila ten varias máquinas que traballan xuntas para plantar a semente", dixo Xiaofan Guo, doutor. estudante de enxeñaría mecánica. “Diante hai unha roda de limpeza para eliminar a vexetación existente. Un disco de corte corta unha pequena gabia no chan, un motor realmente conduce as sementes ao chan, un pulverizador alimenta auga e fertilizantes no burato e despois un disco final cobre o burato. Hai 16 destas filas de plantación, que necesitan cantidades específicas de presión para plantar con éxito as sementes. E todos eles están alimentados por un único sistema hidráulico”.
Para abordar o problema da optimización do combo tractor-plantadora, o equipo de Vacca escolleu un enfoque en tres fases. En primeiro lugar, os investigadores necesitaban caracterizar o sistema hidráulico e construír un modelo de simulación na computadora.
"Estes tractores son máquinas caras e complexas", dixo Xin Tian, doutor. estudante que desenvolveu os modelos durante un período de catro anos. "Entón comezamos modelando compoñentes individuais e probándoos nun estado estacionario aquí no laboratorio. Cando son precisos, combinamos os modelos de compoñentes nun sistema e probamos o sistema para verificar que todo o modelo é válido. O modelo é tan grande e complexo que o meu equipo chámao 'O Monstro'”.
Unha vez que validaron o seu modelo, os investigadores pasaron á fase dúas: desenvolver solucións que puidesen probar.
"As diferentes condicións de plantación requiren diferentes cantidades de presión e caudal", dixo Tian. "Se o modelo mostra melloras prometedoras en potencia e eficiencia, entón podemos comezar a implementar estes cambios en condicións do mundo real".
Para a terceira fase, probas no mundo real, o equipo equipou o combo tractor-plantadora cunha infinidade de sensores.
"Necesitamos saber canta potencia está a consumir o tractor, o que están a facer as bombas hidráulicas e cales son a presión e o caudal en toda a plantadora", dixo Jake Lengacher, un doutoramento de primeiro ano. estudante. "Todo ese cableado conduce a unha nova caixa de adquisición de datos que instalamos na cabina, polo que temos unha imaxe completa do que está a suceder durante un ciclo de plantación".
Afortunadamente para o equipo, Purdue ten moitos lugares para os tractores xigantes. O Facultade de Agricultura asignoulle ao equipo de Vacca unha franxa de terreo de un cuarto de milla no Centro de Investigación e Educación en Ciencias Animales en West Lafayette.
"Somos moi afortunados en Purdue", dixo Vacca. “Temos moito espazo de laboratorio en Maha onde podemos probar estas grandes máquinas en condicións controladas; e Agricultura tamén ten moitas parcelas agrícolas nas que podemos realizar investigacións de campo”.
E como ningún dos membros do equipo manexara nunca un tractor tan grande no campo, Case New Holland proporcionou formación para ensinarlles a conducir.
"A gran potencia dun tractor de 25,000 libras con 435 cabalos de potencia, remolcando unha sembradora de 10,000 libras - é incrible", dixo Stump. "Pero tamén hai moitas cousas na cabina, especialmente para manexar a sementadora. Definitivamente é un traballo de dous, polo que normalmente Jake tamén está na cabina monitorizando os datos nun portátil.
O equipo realizou varias carreiras na primavera de 2021, onde plantaron sementes de millo a diferentes velocidades do motor e taxas de plantación predeterminadas. Analizando os datos, descubriron que os seus novos sistemas de control hidráulico traducíronse nun aumento global de eficiencia do 25%.
"Dada a cantidade de combustible que consome un tractor típico, é unha mellora enorme", dixo Vacca. "E isto é só o comezo. O noso obxectivo do proxecto é duplicar a eficiencia do sistema de control hidráulico global. No futuro, planeamos instituír un enfoque de control de presión para a lóxica de control, que nunca se intentou en vehículos agrícolas".
"Cando vin os datos que demostraron que a nosa solución funcionaba, estaba moi feliz", dixo Guo. "Crecín nunha cidade, así que estar nunha granxa como esta é unha experiencia moi emocionante para min. A miña especialidade son os sistemas de control, polo que foi moi interesante ver as nosas teorías no laboratorio sendo postas a proba no mundo real. A enerxía dos fluídos é un campo ben establecido, pero aínda hai moito potencial para propoñer novos sistemas e novas arquitecturas para mellorar aínda máis as cousas".
Stump dixo: "Nunca imaxinei que conduciría un tractor por un campo de granxa para o meu doutoramento. Tiña plans para ir ao aeroespacial. Pero o sistema hidráulico destes tractores é tan complexo como un avión ou un foguete. Mergullo profundamente na enerxía fluída foi moi aplicable ao meu futuro na enxeñería.
Tian dixo: "Certamente é o momento máis destacado do meu tempo aquí en Purdue. Dediquei moito tempo a estes modelos e ver a mellora dos resultados foi realmente un momento feliz para min".
Vacca dixo: "Ver o traballo duro dos nosos estudantes, e ser testemuña dunha idea pasar do laboratorio ao campo, esa é realmente a mellor parte do noso traballo".
- Jared Pike, Universidade de Purdue