Современите земјоделски трактори содржат толку многу најсовремена технологија, што им конкурираат дури и на најновите вселенски летала. Но, заднината е сè уште стара, главно потпирајќи се на фосилните горива. Значи, секоја оптимизација на ефикасноста на тракторот е огромна победа за животната средина.
Имајќи го ова на ум, истражувачите од Универзитетот Пердју презедоа проект од Одделот за енергетика вреден 3.2 милиони долари за оптимизирање на хидрауличните системи што ги поврзуваат тракторите и имплементите.
„Моќта на течноста е насекаде“, рече Андреа Вака, Претседател на Факултетот за Маха Флуид Моќ на Пердју, професор по механички инжинеринг земјоделско и биолошко инженерство, и директор на Истражувачки центар за флуидната моќ Маха, најголемата академска хидраулика лабораторија во земјата. „Се користи во авиони, во автомобили и во сите видови тешка опрема. Тракторот е пример за возило што користи флуидна сила за да активира сè, од управувањето и погонот, до напојувањето на алатките што ги влече зад себе.
Но, напојувањето на апаратите се покажа како проблем. Хидрауличниот контролен систем на тракторот покажа само 20% ефикасност кога е поврзан со хидрауличните системи на одредени уреди како што се жардинери, сеалки и бајлери.
„Има конфликт во контролите, каде што двата системи речиси се борат еден против друг“, рече Патрик Стамп, д-р. студент по машинство. „Како резултат на тоа, кога е поврзан со жардинери, тракторот секогаш мора да работи со екстремно висока моќност, што троши гориво и ги зголемува емисиите.
Во оваа студија, финансирана преку Министерството за енергетика на САД Канцеларија за енергетска ефикасност и обновливи извори на енергија, тимот на Вака го фокусираше своето внимание на специфична комбинација на трактор и жардинери, обете обезбедени од Случај New Holland Industrial, со хидраулични системи обезбедени од Bosch Rexroth. Погледнете видео.
Садот за садење е широк 40 стапки, со 16 реда за садење.
„Секој ред има повеќе машини кои работат заедно за да го засадат семето“, рече Ксијаофан Гуо, д-р. студент по машинство. „Напред има тркало за чистење за да се отстрани постоечката вегетација. Дискот за сечење сече мал ров во земјата, моторот всушност ги внесува семките во земјата, распрскувачот внесува вода и ѓубриво во дупката, а потоа последниот диск ја покрива дупката. Има 16 од овие редови за садење, на кои им е потребен одреден притисок за успешно да се засади семето. И сите тие се напојуваат од еден хидрауличен систем“.
За да се справи со проблемот на оптимизирање на комбинацијата трактор-жардинар, тимот на Вака избра трифазен пристап. Прво, истражувачите требаше да го карактеризираат хидрауличниот систем и да изградат симулациски модел во компјутерот.
„Овие трактори се скапи и сложени машини“, рече Ксин Тиан, д-р. студент кој ги развил моделите во период од четири години. „Значи, почнавме со моделирање на поединечни компоненти и нивно тестирање во стационарна состојба овде во лабораторија. Кога тие се точни, ги комбинираме моделите на компоненти во систем - и го тестираме системот - за да можеме да потврдиме дека целиот модел е валиден. Моделот е толку голем и комплексен, што мојот тим го нарекува „Чудовиште!“
Откако го потврдија нивниот модел, истражувачите преминаа во втората фаза: развивање решенија што би можеле да ги тестираат.
„Различни услови за садење бараат различни количества притисок и брзина на проток“, рече Тијан. „Ако моделот покаже ветувачки подобрувања во моќта и ефикасноста, тогаш можеме да почнеме да ги спроведуваме овие промени во реални услови“.
За третата фаза - тестови во реалниот свет - тимот ја опреми комбинацијата на трактор-плантирање со огромен број сензори.
„Треба да знаеме колкава енергија троши тракторот, што прават хидрауличните пумпи и колкави се притисокот и брзината на протокот низ садот“, рече Џејк Ленгачер, д-р прва година. студент. „Сето тоа поврзување води во нова кутија за собирање податоци што ја инсталиравме во кабината, така што имаме целосна слика за тоа што се случува за време на циклусот на садење“.
За среќа за тимот, Пердју има многу места за шетање на огромни трактори. На Колеџ за земјоделство му додели на тимот на Вака една четвртина милја појас земја во Центар за истражување и едукација на науки за животните во Западен Лафајет.
„Ние сме многу среќни во Пердју“, рече Вака. „Имаме многу лабораториски простор во Маха каде што можеме да ги тестираме овие големи машини под контролирани услови; и Земјоделството, исто така, има многу фарми каде што можеме да спроведеме теренско истражување“.
И бидејќи ниту еден од членовите на тимот никогаш не управувал со толку голем трактор на терен, Кејс Њу Холанд обезбеди обука за да ги научи како да возат.
„Големата моќ на трактор од 25,000 фунти со 435 коњски сили, влечење жардињер од 10,000 фунти – тоа е неверојатно“, рече Стамп. „Но, исто така, многу се случува во кабината, особено за ракување со жардиниерата. Дефинитивно тоа е работа за двајца луѓе, така што обично Џејк е и во кабината и ги следи податоците на лаптоп“.
Тимот спроведе неколку трки во пролетта 2021 година, каде што засадија семе од пченка со различни однапред одредени брзини на моторот и стапки на садење. Проверувајќи ги податоците, тие открија дека нивните нови хидраулични контролни системи се претворија во севкупно зголемување на ефикасноста од 25%.
„Со оглед на количината на гориво што троши типичен трактор, тоа е огромно подобрување“, рече Вака. „И ова е само почеток. Нашата цел на проектот е да ја удвоиме ефикасноста на целокупниот систем за хидраулична контрола. Во иднина планираме да воведеме пристап за контрола на притисокот за контролната логика, кој никогаш не бил обид за земјоделски возила“.
„Кога ги видов податоците кои докажаа дека нашето решение функционира, бев многу среќен“, рече Гуо. „Пораснав во град, па излегувањето на фарма како оваа е прилично возбудливо искуство за мене. Мојата специјалност се контролните системи, па беше толку интересно да се видат нашите теории во лабораторија како се ставаат на тест во реалниот свет. Флуидната енергија е добро воспоставено поле, но сè уште има толку многу потенцијал да се предложат нови системи и нови архитектури за да се направат работите уште подобри“.
Стамп рече: „Никогаш не замислував дека ќе возам трактор низ полето на фармата за мојот докторат. Имав планови да одам во воздухопловството. Но, хидрауликата на овие трактори е сложена како авион или ракета. Нуркањето длабоко во флуидната моќ беше многу применливо за мојата иднина во инженерството“.
Тијан рече: „Тоа секако е врв на моето време овде во Пердју. Положив толку многу време на овие модели и да видам подобрување на резултатите беше навистина среќен момент за мене“.
Вака рече: „Гледањето на напорната работа на нашите студенти - и сведоците на идејата како од лабораторијата на терен - тоа е навистина најдобриот дел од нашата работа“.
- Џаред Пајк, Универзитетот Пердју