Современные сельскохозяйственные тракторы содержат столько передовых технологий, что могут конкурировать даже с новейшими космическими кораблями. Но инфраструктура по-прежнему придерживается старой школы и в основном опирается на ископаемое топливо. Таким образом, любая оптимизация эффективности тракторов – это огромная победа для окружающей среды.
Имея это в виду, исследователи из Университета Пердью реализовали проект Министерства энергетики стоимостью 3.2 миллиона долларов по оптимизации гидравлических систем, соединяющих тракторы и навесное оборудование.
«Жидкая энергия повсюду», — сказал Андреа Вакка, заведующий факультетом гидроэнергетики Purdue, профессор машиностроение и сельскохозяйственная и биологическая инженерия, и директор компании Исследовательский центр гидроэнергетики Маха, крупнейшая академическая лаборатория гидравлики в стране. «Он используется в самолетах, автомобилях и во всех видах тяжелого оборудования. Трактор — это пример транспортного средства, которое использует гидравлическую энергию для приведения в действие всего: от рулевого управления и тяги до привода в действие навесного оборудования, которое он тянет за собой».
Но питание орудий оказалось проблемой. Гидравлическая система управления трактора показала КПД всего 20% при подключении к гидравлическим системам некоторых орудий, таких как сеялки, сеялки и пресс-подборщики.
«Происходит конфликт в системе управления, когда две системы почти борются друг с другом», — сказал Патрик Стамп, доктор философии. студент машиностроительного факультета. «В результате, когда трактор подсоединен к сеялке, ему всегда приходится работать на чрезвычайно высокой мощности, что приводит к перерасходу топлива и увеличению выбросов».
В этом исследовании, финансируемом Министерством энергетики США Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, команда Вакки сосредоточила свое внимание на конкретной комбинации трактора и сеялки, предоставленных компанией Корпус Нью Холланд Индастриал, с гидравлическими системами, предоставленными Bosch Rexroth. Смотрите видео.
Сеялка имеет ширину 40 футов и 16 рядов посадки.
«В каждом ряду есть несколько машин, которые вместе сеют семена», — сказал Сяофань Го, доктор философии. студент машиностроительного факультета. «Впереди имеется чистящее колесо для удаления существующей растительности. Режущий диск прорезает крошечную канавку в земле, двигатель фактически загоняет семена в землю, опрыскиватель подает в лунку воду и удобрения, а затем последний диск закрывает ямку. Существует 16 таких посадочных рядов, которые требуют определенного давления для успешной посадки семян. И все они приводятся в действие единой гидравлической системой».
Чтобы решить проблему оптимизации комбинации трактор-сеялка, команда Вакки выбрала трехэтапный подход. Во-первых, исследователям необходимо было охарактеризовать гидравлическую систему и построить имитационную модель на компьютере.
«Эти тракторы — дорогие и сложные машины», — сказал Синь Тянь, доктор философии. студент, который разрабатывал модели в течение четырех лет. «Итак, мы начали с моделирования отдельных компонентов и тестирования их в стационарных условиях здесь, в лаборатории. Если они точны, мы объединяем модели компонентов в систему и тестируем ее, чтобы убедиться, что вся модель действительна. Модель настолько большая и сложная, что моя команда называет ее «Монстр!»»
После проверки своей модели исследователи перешли ко второму этапу: разработке решений, которые можно было бы протестировать.
«Различные условия посева требуют разного давления и скорости потока», — сказал Тиан. «Если модель покажет многообещающее улучшение мощности и эффективности, тогда мы сможем начать внедрять эти изменения в реальных условиях».
Для третьего этапа — реальных испытаний — команда оснастила трактор-сеялку множеством датчиков.
«Нам нужно знать, сколько мощности потребляет трактор, что делают гидравлические насосы, а также какое давление и скорость потока в сеялке», — сказал Джейк Ленгачер, доктор философии-первокурсник. студент. «Вся эта проводка ведет к новому блоку сбора данных, который мы установили в кабине, поэтому у нас есть полная картина того, что происходит во время посевного цикла».
К счастью для команды, в Purdue есть много мест, где могут разгуляться гигантские тракторы. Колледж сельского хозяйства выделил команде Вакки полосу земли длиной в четверть мили на Научно-исследовательский и образовательный центр зоотехники в Западном Лафайете.
«Нам в Purdue очень повезло», — сказал Вакка. «У нас в Маха есть много лабораторных помещений, где мы можем тестировать эти большие машины в контролируемых условиях; и в сельском хозяйстве также есть много фермерских участков, где мы можем проводить полевые исследования».
А поскольку никто из членов команды никогда не управлял таким большим трактором в поле, компания Case New Holland провела обучение, чтобы научить их вождению.
«Потрясающая мощность трактора массой 25,000 435 фунтов и мощностью 10,000 лошадиных сил, буксирующего сеялку массой XNUMX XNUMX фунтов, — это потрясающе», — сказал Стамп. «Но в кабине также происходит довольно много всего, особенно при управлении сеялкой. Это определенно работа двух человек, поэтому обычно Джейк тоже находится в такси и отслеживает данные на ноутбуке».
Весной 2021 года команда провела несколько заездов, во время которых посеяла семена кукурузы с различными заранее заданными оборотами двигателя и нормами высева. Изучив данные, они обнаружили, что их новые гидравлические системы управления привели к общему увеличению эффективности на 25%.
«Учитывая количество топлива, которое потребляет типичный трактор, это значительное улучшение», — сказал Вакка. "И это только начало. Цель нашего проекта — удвоить эффективность всей системы гидравлического управления. В будущем мы планируем внедрить подход к управлению давлением в логике управления, который никогда не применялся в сельскохозяйственных машинах».
«Когда я увидел данные, доказывающие, что наше решение работает, я был так счастлив», — сказал Го. «Я вырос в городе, поэтому пребывание на такой ферме для меня очень захватывающий опыт. Моя специальность — системы управления, поэтому было так интересно наблюдать, как наши теории в лаборатории проверяются в реальном мире. Гидравлическая энергетика — это хорошо зарекомендовавшая себя область, но у нее еще есть большой потенциал для предложения новых систем и новых архитектур, которые сделают ситуацию еще лучше».
Стамп сказал: «Я никогда не думал, что буду водить трактор по фермерскому полю, чтобы защитить докторскую диссертацию. У меня были планы заняться аэрокосмической деятельностью. Но гидравлика этих тракторов ничуть не сложнее, чем у самолета или ракеты. Глубокое погружение в гидроэнергетику оказало огромное влияние на мое будущее в области инженерии».
Тиан сказал: «Это, безусловно, самое яркое событие моего времени здесь, в Purdue. Я потратил так много времени на эти модели, и увидеть улучшение результатов было для меня действительно счастливым моментом».
Вакка сказал: «Видеть тяжелую работу наших студентов – и быть свидетелем того, как идея переходит из лаборатории в поле – это действительно лучшая часть нашей работы».
– Джаред Пайк, Университет Пердью