Šiuolaikiniuose žemės ūkio traktoriuose yra tiek daug pažangiausių technologijų, kad jie konkuruoja net su naujausiais erdvėlaiviais. Tačiau užpakalinė dalis vis dar yra senoji, daugiausia priklausoma nuo iškastinio kuro. Taigi bet koks traktoriaus efektyvumo optimizavimas yra didžiulis laimėjimas aplinkai.
Turėdami tai omenyje, Purdue universiteto mokslininkai ėmėsi 3.2 mln. USD vertės Energetikos departamento projekto, siekdami optimizuoti traktorius ir padargus jungiančias hidraulines sistemas.
„Skysčio energija yra visur“, - sakė Andrea Vacca, Purdue Maha Fluid Power fakulteto katedra, profesorė Mechaninė inžinerija ir žemės ūkio ir biologijos inžinerija, ir direktorius Maha Fluid Power tyrimų centras, didžiausia akademinė hidraulikos laboratorija šalyje. „Jis naudojamas lėktuvuose, automobiliuose ir visokioje sunkioje įrangoje. Traktorius yra pavyzdys transporto priemonės, kuri naudoja skystą jėgą, kad įjungtų viską nuo vairo ir varymo iki padargų, kuriuos jis tempia iš paskos, maitinimas.
Tačiau prietaisų maitinimas pasirodė esąs problema. Traktoriaus hidraulinė valdymo sistema parodė tik 20% efektyvumą, kai prijungta prie tam tikrų padargų, tokių kaip sėjamosios, sėjamosios ir sėjamosios, hidraulinės sistemos.
„Valdymo įtaisuose kyla konfliktas, kai dvi sistemos beveik kovoja viena su kita“, – sakė mokslų daktaras Patrickas Stumpas. mechanikos inžinerijos studentas. „Todėl, kai jis prijungtas prie sėjamosios, traktorius visada turi važiuoti itin didele galia, o tai eikvoja degalus ir padidina išmetamųjų teršalų kiekį.
Šiame tyrime finansavo JAV Energetikos departamentas Energijos efektyvumo ir atsinaujinančios energijos biuras, Vacca komanda sutelkė dėmesį į konkretų traktoriaus ir sėjamosios derinį, kurį abu pateikė Case New Holland Industrial, su hidraulinėmis sistemomis, kurias teikia Bosch Rexroth. Žiūrėti vaizdo įrašą.
Sėjamoji yra 40 pėdų pločio, su 16 sodinimo eilių.
„Kiekvienoje eilėje yra kelios mašinos, kurios kartu sėja sėklą“, – sakė mokslų daktaras Xiaofanas Guo. mechanikos inžinerijos studentas. „Priekyje yra valymo ratas, skirtas pašalinti esamą augmeniją. Pjovimo diskas žemėje išpjauna mažą griovelį, variklis iš tikrųjų varo sėklas į žemę, purkštuvas tiekia vandenį ir trąšas į skylę, o tada paskutinis diskas uždengia skylę. Yra 16 šių sodinimo eilučių, kurioms reikia tam tikro slėgio, kad būtų sėkmingai pasodintos sėklos. Ir visi jie yra varomi vienos hidraulinės sistemos.
Siekdama išspręsti traktoriaus ir sėjamosios derinio optimizavimo problemą, Vacca komanda pasirinko trijų fazių metodą. Pirmiausia mokslininkams reikėjo apibūdinti hidraulinę sistemą ir kompiuteryje sukurti modeliavimo modelį.
„Šie traktoriai yra brangios ir sudėtingos mašinos“, – sakė mokslų daktaras Xin Tian. studentas, kuris kūrė modelius per ketverius metus. „Taigi mes pradėjome modeliuodami atskirus komponentus ir išbandėme juos stacionariai čia, laboratorijoje. Kai jie tikslūs, sujungiame komponentų modelius į sistemą ir išbandome sistemą, kad galėtume patikrinti, ar visas modelis galioja. Modelis yra toks didelis ir sudėtingas, kad mano komanda jį vadina „Pabaisa!“
Kai jie patvirtino savo modelį, mokslininkai perėjo prie antrojo etapo: kūrė sprendimus, kuriuos galėtų išbandyti.
„Dėl skirtingų sodinimo sąlygų reikia skirtingo slėgio ir srauto greičio“, - sakė Tianas. „Jei modelis rodo daug žadantį galios ir efektyvumo patobulinimą, galime pradėti įgyvendinti šiuos pokyčius realiomis sąlygomis.
Trečiajam etapui – realaus pasaulio bandymams – komanda traktoriaus ir sėjamosios kombinaciją aprūpino daugybe jutiklių.
„Turime žinoti, kiek galios sunaudoja traktorius, ką veikia hidrauliniai siurbliai ir koks slėgis bei srautas yra visoje sėjamoje“, – sakė Jake'as Lengacheris, pirmo kurso mokslų daktaras. studentas. „Visi tie laidai veda į naują duomenų rinkimo dėžę, kurią įrengėme kabinoje, todėl turime visą vaizdą apie tai, kas vyksta sodinimo ciklo metu.
Laimei, komandai, Purdue yra daug vietų, kur gali klajoti milžiniški traktoriai. The Žemės ūkio kolegija paskyrė Vacca komandai ketvirčio mylios žemės juostą Gyvūnų mokslų tyrimų ir švietimo centras Vakarų Lafajete.
„Mums labai pasisekė Purdue“, – sakė Vacca. „Mes Mahoje turime daug laboratorijos patalpų, kuriose galime išbandyti šias dideles mašinas kontroliuojamomis sąlygomis; Žemės ūkis taip pat turi daug ūkinių sklypų, kuriuose galime atlikti lauko tyrimus.
Ir kadangi nė vienas komandos narys niekada nebuvo vairavęs tokio didelio traktoriaus lauke, Case New Holland surengė mokymus, kad išmokytų juos vairuoti.
„Didžiulė 25,000 435 svarų sveriančio 10,000 arklio galių traktoriaus, velkančio XNUMX XNUMX svarų sėjamąją, galia yra nuostabi“, – sakė Stump. „Tačiau kabinoje taip pat daug kas vyksta, ypač norint valdyti sėjamąją. Tai neabejotinai dviejų žmonių darbas, todėl dažniausiai Džeikas taip pat yra kabinoje ir stebi duomenis nešiojamame kompiuteryje.
2021 m. pavasarį komanda atliko kelis bandymus, kuriuose sėjo kukurūzų sėklas skirtingais iš anksto nustatytais variklio sūkiais ir sėjos greičiu. Surinkę duomenis, jie nustatė, kad jų naujos hidraulinės valdymo sistemos padidino bendrą 25 % efektyvumą.
„Atsižvelgiant į įprasto traktoriaus sunaudojamą degalų kiekį, tai didžiulis patobulinimas“, – sakė Vacca. „Ir tai tik pradžia. Mūsų projekto tikslas – padvigubinti visos hidraulinės valdymo sistemos efektyvumą. Ateityje planuojame įdiegti slėgio valdymo metodą valdymo logikai, kuris dar niekada nebuvo bandytas žemės ūkio transporto priemonėse.
„Kai pamačiau duomenis, kurie įrodė, kad mūsų sprendimas veikia, buvau toks laimingas“, – sakė Guo. „Aš užaugau mieste, todėl buvimas tokioje fermoje man yra gana jaudinanti patirtis. Mano specialybė yra valdymo sistemos, todėl buvo taip įdomu stebėti, kaip mūsų teorijos laboratorijoje išbandomos realiame pasaulyje. Skysčių energija yra nusistovėjusi sritis, tačiau vis dar yra tiek daug galimybių pasiūlyti naujas sistemas ir naujas architektūras, kad viskas būtų dar geriau.
Stump sakė: „Niekada neįsivaizdavau, kad važiuosiu traktoriumi per ūkio lauką doktorantūroje. Turėjau planų eiti į aviaciją. Tačiau šių traktorių hidraulika yra tokia pat sudėtinga kaip lėktuvo ar raketos. Gilus nardymas į skystąją energiją buvo labai naudingas mano ateičiai inžinerijos srityje.
Tianas sakė: „Tai tikrai svarbiausias mano laikas čia Purdue. Aš skyriau tiek daug laiko šiems modeliams, o pamatyti geresnius rezultatus man buvo tikrai laiminga akimirka.
Vacca sakė: „Matyti sunkų mūsų studentų darbą ir matyti, kaip idėja iš laboratorijos patenka į lauką – tai tikrai geriausia mūsų darbo dalis“.
- Jaredas Pike'as, Purdue universitetas