Mūsdienu lauksaimniecības traktoriem ir tik daudz progresīvu tehnoloģiju, ka tie konkurē pat ar jaunākajiem kosmosa kuģiem. Bet aizmugure joprojām ir vecā skola, galvenokārt paļaujoties uz fosilo kurināmo. Tāpēc jebkura traktora efektivitātes optimizācija ir milzīgs ieguvums videi.
Paturot to prātā, Purdue universitātes pētnieki ir uzsākuši Enerģētikas departamenta projektu 3.2 miljonu ASV dolāru apmērā, lai optimizētu hidrauliskās sistēmas, kas savieno traktorus un agregātus.
"Šķidruma jauda ir visur," sacīja Andrea Vacca, Purdue Maha Fluid Power fakultātes katedra, profesore mehāniskā inženierija un lauksaimniecības un bioloģiskā inženierija, un direktors Maha šķidruma enerģijas pētniecības centrs, lielākā akadēmiskā hidraulikas laboratorija valstī. “To izmanto lidmašīnās, automašīnās un visa veida smagajā aprīkojumā. Traktors ir transportlīdzekļa piemērs, kas izmanto šķidruma jaudu, lai darbinātu visu, sākot no stūres un piedziņas, līdz darbināšanai agregātiem, ko tas velk aiz tā.
Taču agregātu barošana ir izrādījusies problēma. Traktora hidrauliskā vadības sistēma ir uzrādījusi tikai 20% efektivitāti, ja tā ir savienota ar noteiktu agregātu, piemēram, stādītāju, sējmašīnu un sējmašīnu, hidrauliskajām sistēmām.
"Ir konflikts vadības ierīcēs, kur abas sistēmas gandrīz cīnās viena ar otru," sacīja Patriks Stumps, Ph.D. mašīnbūves students. "Tā rezultātā, kad tas ir savienots ar stādītāju, traktoram vienmēr ir jādarbojas ar ārkārtīgi lielu jaudu, kas tērē degvielu un palielina izmešu daudzumu."
Šajā pētījumā, ko finansēja ASV Enerģētikas departaments Energoefektivitātes un atjaunojamās enerģijas birojs, Vacca komanda koncentrēja savu uzmanību uz īpašu traktora un stādāmā aprīkojuma kombināciju, ko abus nodrošināja Case New Holland Industrial, ar hidrauliskajām sistēmām, ko nodrošina Bosch Rexroth.. Skatīt video.
Stādītājs ir 40 pēdas plats, un tajā ir 16 stādīšanas rindas.
"Katrā rindā ir vairākas mašīnas, kas strādā kopā, lai iesētu sēklas," teica Sjaofans Guo, Ph.D. mašīnbūves students. “Priekšpusē ir tīrīšanas ritenis, lai noņemtu esošo veģetāciju. Griešanas disks izgriež niecīgu grāvi zemē, motors faktiski iedzen sēklas zemē, smidzinātājs ievada caurumā ūdeni un mēslojumu, un tad pēdējais disks aizsedz caurumu. Ir 16 no šīm stādīšanas rindām, kurām nepieciešams noteikts spiediens, lai veiksmīgi iestādītu sēklas. Un tos visus darbina viena hidrauliskā sistēma.
Lai risinātu traktora-stādītāju kombinācijas optimizēšanas problēmu, Vacca komanda izvēlējās trīsfāžu pieeju. Pirmkārt, pētniekiem bija jāraksturo hidrauliskā sistēma un jāizveido simulācijas modelis datorā.
"Šie traktori ir dārgas un sarežģītas mašīnas," sacīja Sjiņ Tiaņs, Ph.D. students, kurš izstrādāja modeļus četru gadu laikā. "Tāpēc mēs sākām ar atsevišķu komponentu modelēšanu un testēšanu stacionārā stāvoklī šeit, laboratorijā. Kad tie ir precīzi, mēs apvienojam komponentu modeļus sistēmā un pārbaudām sistēmu, lai mēs varētu pārbaudīt, vai viss modelis ir derīgs. Modelis ir tik liels un sarežģīts, ka mana komanda to sauc par briesmoni!
Kad viņi bija apstiprinājuši savu modeli, pētnieki pārgāja uz otro posmu: izstrādāja risinājumus, kurus viņi varētu pārbaudīt.
"Dažādiem stādīšanas apstākļiem ir vajadzīgs atšķirīgs spiediens un plūsmas ātrums," sacīja Tians. "Ja modelis uzrāda daudzsološus jaudas un efektivitātes uzlabojumus, mēs varam sākt ieviest šīs izmaiņas reālos apstākļos."
Trešajā fāzē — reālās pasaules testiem — komanda aprīkoja traktora-sējmašīnas kombināciju ar neskaitāmiem sensoriem.
"Mums ir jāzina, cik daudz jaudas patērē traktors, ko dara hidrauliskie sūkņi un kāds ir spiediens un plūsmas ātrums visā stādītājā," sacīja Džeiks Lengahers, pirmā kursa doktora grāds. students. "Visa šī elektroinstalācija ved uz jaunu datu ieguves lodziņu, ko uzstādījām kabīnē, tāpēc mums ir pilnīgs priekšstats par to, kas notiek stādīšanas cikla laikā."
Par laimi komandai, Purdjū ir daudz vietu, kur klīst milzu traktori. The Lauksaimniecības koledža piešķīra Vacca komandai ceturtdaļjūdzi garu zemes joslu pie Dzīvnieku zinātņu pētniecības un izglītības centrs Rietumlafajetā.
"Mums Purdue ir ļoti paveicies," sacīja Vaka. “Mums Mahā ir daudz laboratorijas telpu, kur mēs varam pārbaudīt šīs lielās iekārtas kontrolētos apstākļos; un lauksaimniecībai ir arī daudz lauksaimniecības zemes gabalu, kur mēs varam veikt lauka izpēti.
Un tā kā neviens no komandas locekļiem nekad nebija vadījis tik lielu traktoru uz lauka, Case New Holland nodrošināja apmācību, lai iemācītu viņiem braukt.
“25,000 435 mārciņu smaga traktora ar 10,000 zirgspēkiem, kas velk XNUMX XNUMX mārciņu stādītāju, jauda ir pārsteidzoša,” sacīja Stumps. “Bet arī kabīnē notiek diezgan daudz, jo īpaši, lai darbinātu stādītāju. Tas noteikti ir divu cilvēku darbs, tāpēc parasti Džeiks ir arī kabīnē un pārrauga datus klēpjdatorā.
2021. gada pavasarī komanda veica vairākus izmēģinājumus, kuros iesēja kukurūzas sēklas ar dažādiem iepriekš noteiktiem dzinēja apgriezieniem un stādīšanas ātrumiem. Apkopojot datus, viņi atklāja, ka viņu jaunās hidrauliskās vadības sistēmas kopumā uzlaboja efektivitāti par 25%.
"Ņemot vērā degvielas daudzumu, ko patērē tipisks traktors, tas ir milzīgs uzlabojums," sacīja Vacca. "Un tas ir tikai sākums. Mūsu projekta mērķis ir dubultot kopējās hidrauliskās vadības sistēmas efektivitāti. Nākotnē mēs plānojam ieviest spiediena kontroles pieeju vadības loģikai, kas nekad nav izmēģināta lauksaimniecības transportlīdzekļos.
"Kad es redzēju datus, kas pierādīja, ka mūsu risinājums darbojas, es biju ļoti priecīgs," sacīja Guo. “Es uzaugu pilsētā, tāpēc atrašanās tādā fermā kā šī man ir diezgan aizraujoša pieredze. Mana specialitāte ir vadības sistēmas, tāpēc bija tik interesanti redzēt, ka mūsu teorijas laboratorijā tiek pārbaudītas reālajā pasaulē. Šķidruma jauda ir labi izveidota joma, taču joprojām ir tik daudz iespēju piedāvāt jaunas sistēmas un jaunas arhitektūras, lai padarītu lietas vēl labākas.
Stumps teica: “Es nekad nebiju iedomājies, ka braukšu ar traktoru pa lauku, lai iegūtu doktora grādu. Man bija plāns doties kosmosa jomā. Taču šo traktoru hidraulika ir tikpat sarežģīta kā lidmašīnai vai raķetei. Dziļa niršana šķidrās enerģijas jomā ir bijusi ļoti piemērota manai nākotnei inženierzinātnēs.
Tjans teica: "Tas noteikti ir mana laika spilgtākais notikums šeit Purdue. Es veltīju tik daudz laika šiem modeļiem, un redzēt rezultātu uzlabošanos man bija patiesi priecīgs brīdis.
Vacca teica: "Redzot mūsu studentu smago darbu un redzēt, kā ideja no laboratorijas nonāk laukā, tā patiešām ir mūsu darba labākā daļa."
- Džareds Paiks, Purdjū universitāte