Tractoarele agricole moderne conțin atât de multă tehnologie de ultimă oră, încât rivalizează chiar și cu cele mai recente nave spațiale. Dar partea din spate este încă vechi, bazându-se în mare parte pe combustibili fosili. Deci, orice optimizare a eficienței tractorului este un câștig uriaș pentru mediu.
Având în vedere acest lucru, cercetătorii de la Universitatea Purdue au întreprins un proiect al Departamentului de Energie de 3.2 milioane de dolari pentru a optimiza sistemele hidraulice care conectează tractoare și unelte.
„Puterea fluidelor este peste tot”, a spus Andrea Vacca, Purdue's Maha Fluid Power Faculty Chair, profesor de Inginerie Mecanică și ingineria agricola si biologica, și director al Centrul de cercetare Maha Fluid Power, cel mai mare laborator academic de hidraulica din tara. „Este folosit în avioane, în mașini și în tot felul de echipamente grele. Un tractor este un exemplu de vehicul care folosește puterea fluidelor pentru a acționa totul, de la direcție și propulsie, până la acționarea instrumentelor pe care le trage în spate.”
Dar alimentarea instrumentelor s-a dovedit a fi o problemă. Sistemul de control hidraulic al tractorului a arătat o eficiență de doar 20% atunci când este conectat la sistemele hidraulice ale anumitor unelte, cum ar fi plantatoare, semănători și găleți.
„Există un conflict în comenzi, în cazul în care cele două sisteme aproape se luptă între ele”, a spus Patrick Stump, Ph.D. student la inginerie mecanică. „Ca urmare, atunci când este conectat la o jardinieră, tractorul trebuie să funcționeze întotdeauna la o putere extrem de mare, ceea ce irosește combustibil și crește emisiile.”
În acest studiu, finanțat prin Departamentul de Energie al SUA Oficiul pentru eficiență energetică și energie regenerabilă, echipa lui Vacca și-a concentrat atenția asupra unui combo specific de tractor și jardinieră, ambele furnizate de Carcasa New Holland Industrial, cu sisteme hidraulice asigurate de Bosch Rexroth. Vedeți videoclipul.
Jardiniera are 40 de picioare lățime, cu 16 rânduri de plantare.
„Fiecare rând are mai multe mașini care lucrează împreună pentru a planta sămânța”, a spus Xiaofan Guo, Ph.D. student la inginerie mecanică. „În față este o roată de curățare pentru a îndepărta vegetația existentă. Un disc de tăiere taie un șanț mic în pământ, un motor conduce de fapt semințele în pământ, un pulverizator alimentează cu apă și îngrășământ în gaură și apoi un disc final acoperă gaura. Există 16 dintre aceste rânduri de plantare, care au nevoie de cantități specifice de presiune pentru a planta cu succes semințele. Și toate sunt alimentate de un singur sistem hidraulic.”
Pentru a aborda problema optimizării combinației tractor-plantătoare, echipa lui Vacca a ales o abordare în trei faze. În primul rând, cercetătorii trebuiau să caracterizeze sistemul hidraulic și să construiască un model de simulare în computer.
„Aceste tractoare sunt mașini scumpe și complexe”, a spus Xin Tian, Ph.D. student care a dezvoltat modelele pe o perioadă de patru ani. „Așa că am început prin a modela componente individuale și a le testa într-o stare staționară aici, în laborator. Când acestea sunt exacte, combinăm modelele componente într-un sistem – și testăm sistemul – astfel încât să putem verifica dacă întregul model este valid. Modelul este atât de mare și complex, încât echipa mea îl numește „Monstrul!””
Odată ce și-au validat modelul, cercetătorii au trecut la faza a doua: dezvoltarea de soluții pe care le puteau testa.
„Condițiile de plantare diferite necesită cantități diferite de presiune și debit”, a spus Tian. „Dacă modelul arată îmbunătățiri promițătoare în ceea ce privește puterea și eficiența, atunci putem începe să implementăm aceste schimbări în condiții reale.”
Pentru a treia fază – teste în lumea reală – echipa a echipat combo-ul tractor-plantătoare cu o multitudine de senzori.
„Trebuie să știm cât de multă putere consumă tractorul, ce fac pompele hidraulice și care sunt presiunea și debitele pe tot plantatorul”, a spus Jake Lengacher, doctor în primul an. student. „Toate aceste cablaje conduc la o nouă cutie de achiziție de date pe care am instalat-o în cabină, așa că avem o imagine completă a ceea ce se întâmplă în timpul unui ciclu de plantare.”
Din fericire pentru echipă, Purdue are o mulțime de locuri pentru tractoare gigantice să hoinărească. The Colegiul de Agricultură a alocat echipei lui Vacca o fâșie de pământ de un sfert de milă la Centrul de Cercetare și Educație în Științe Animale în West Lafayette.
„Suntem foarte norocoși la Purdue”, a spus Vacca. „Avem mult spațiu de laborator la Maha unde putem testa aceste mașini mari în condiții controlate; iar Agricultura are, de asemenea, o mulțime de terenuri agricole unde putem efectua cercetări de teren.”
Și din moment ce niciunul dintre membrii echipei nu a operat vreodată un tractor atât de mare pe câmp, Case New Holland a oferit instruire pentru a-i învăța cum să conducă.
„Puterea absolută a unui tractor de 25,000 de lire sterline cu 435 de cai putere, remorcând o jardinieră de 10,000 de lire sterline – este uimitoare”, a spus Stump. „Dar se întâmplă și destul de multe în cabină, în special pentru a opera plantatorul. Este cu siguranță o muncă de doi oameni, așa că, de obicei, Jake se află și în cabină și monitorizează datele de pe un laptop.”
Echipa a efectuat mai multe curse în primăvara anului 2021, unde au plantat semințe de porumb la diferite turații ale motorului și rate de plantare predeterminate. Analizând datele, ei au descoperit că noile lor sisteme de control hidraulic s-au tradus într-o creștere generală a eficienței cu 25%.
„Având în vedere cantitatea de combustibil pe care o consumă un tractor obișnuit, aceasta este o îmbunătățire masivă”, a spus Vacca. „Și acesta este doar începutul. Scopul proiectului nostru este de a dubla eficiența întregului sistem de control hidraulic. În viitor, intenționăm să instituim o abordare de control al presiunii pentru logica de control, care nu a fost niciodată încercată la vehiculele agricole.”
„Când am văzut datele care au demonstrat că soluția noastră funcționează, am fost atât de fericit”, a spus Guo. „Am crescut într-un oraș, așa că să fiu într-o fermă ca aceasta este o experiență destul de interesantă pentru mine. Specialitatea mea sunt sistemele de control, așa că a fost atât de interesant să văd că teoriile noastre în laborator sunt puse la încercare în lumea reală. Fluid power este un domeniu bine stabilit, dar există încă atât de mult potențial de a propune noi sisteme și noi arhitecturi pentru a face lucrurile și mai bune.”
Stump a spus: „Nu mi-am imaginat niciodată că voi conduce un tractor printr-un câmp de fermă pentru doctoratul meu. Aveam planuri să merg în domeniul aerospațial. Dar hidraulica acestor tractoare este la fel de complexă ca un avion sau o rachetă. Scufundarea adânc în puterea fluidelor a fost extrem de aplicabilă viitorului meu în inginerie.”
Tian a spus: „Este cu siguranță punctul culminant al timpului meu aici la Purdue. Am dedicat atât de mult timp acestor modele și să văd îmbunătățirea rezultatelor a fost cu adevărat un moment fericit pentru mine.”
Vacca a spus: „Văzând munca asiduă a studenților noștri – și asistând la o idee care trece de la laborator la teren – aceasta este cu adevărat cea mai bună parte a muncii noastre.”
- Jared Pike, Universitatea Purdue