Traktor pertanian moden mengandungi begitu banyak teknologi canggih, mereka menyaingi kapal angkasa terkini. Tetapi bahagian belakangnya masih lama, bergantung pada bahan api fosil. Jadi sebarang pengoptimuman dalam kecekapan traktor adalah kemenangan besar untuk alam sekitar.
Dengan mengambil kira perkara ini, penyelidik Universiti Purdue telah menjalankan projek Jabatan Tenaga bernilai $3.2 juta untuk mengoptimumkan sistem hidraulik yang menyambungkan traktor dan peralatan.
"Kuasa cecair ada di mana-mana," kata Andrea Vacca, Pengerusi Fakulti Kuasa Bendalir Maha Purdue, profesor kejuruteraan mekanikal and kejuruteraan pertanian dan biologi, dan pengarah Pusat Penyelidikan Kuasa Bendalir Maha, makmal hidraulik akademik terbesar di negara ini. “Ia digunakan dalam kapal terbang, dalam kereta, dan dalam semua jenis peralatan berat. Traktor ialah contoh kenderaan yang menggunakan kuasa bendalir untuk menggerakkan segala-galanya daripada stereng dan pendorongan, hingga menggerakkan alat yang ditarik di belakangnya.”
Tetapi membekalkan kuasa alat telah terbukti menjadi masalah. Sistem kawalan hidraulik traktor hanya menunjukkan kecekapan 20% apabila disambungkan kepada sistem hidraulik alatan tertentu seperti penanam, pembenih dan bailer.
"Terdapat konflik dalam kawalan, di mana kedua-dua sistem hampir berlawan antara satu sama lain," kata Patrick Stump, Ph.D. pelajar dalam bidang kejuruteraan mekanikal. "Akibatnya, apabila ia disambungkan ke penanam, traktor sentiasa perlu berjalan pada kuasa yang sangat tinggi, yang membazir bahan api dan meningkatkan pelepasan."
Dalam kajian ini, dibiayai melalui Jabatan Tenaga AS Pejabat Kecekapan Tenaga dan Tenaga Boleh Diperbaharui, pasukan Vacca menumpukan perhatiannya pada kombo khusus traktor dan penanam, kedua-duanya disediakan oleh Kes Perindustrian New Holland, dengan sistem hidraulik yang disediakan oleh Bosch Rexroth. Lihat video.
Penanam adalah 40 kaki lebar, dengan 16 baris penanaman.
"Setiap baris mempunyai beberapa mesin yang bekerja bersama untuk menanam benih," kata Xiaofan Guo, Ph.D. pelajar dalam bidang kejuruteraan mekanikal. “Terdapat roda pembersihan di hadapan untuk membuang tumbuh-tumbuhan sedia ada. Cakera pemotong memotong parit kecil di dalam tanah, motor sebenarnya memacu benih ke dalam tanah, penyembur menyuap air dan baja ke dalam lubang dan kemudian cakera akhir menutup lubang. Terdapat 16 baris penanaman ini, yang memerlukan jumlah tekanan tertentu untuk berjaya menanam benih. Dan kesemuanya dikuasakan oleh satu sistem hidraulik.”
Untuk menangani masalah mengoptimumkan kombo penanam traktor, pasukan Vacca memilih pendekatan tiga fasa. Pertama, penyelidik perlu mencirikan sistem hidraulik dan membina model simulasi dalam komputer.
"Traktor ini adalah mesin yang mahal dan kompleks," kata Xin Tian, Ph.D. pelajar yang membangunkan model dalam tempoh empat tahun. "Jadi kami mulakan dengan memodelkan komponen individu dan mengujinya dalam keadaan pegun di sini di makmal. Apabila ia adalah tepat, kami menggabungkan model komponen ke dalam sistem - dan menguji sistem - supaya kami boleh mengesahkan bahawa keseluruhan model adalah sah. Model itu sangat besar dan kompleks, pasukan saya memanggilnya 'The Monster!'”
Sebaik sahaja mereka telah mengesahkan model mereka, para penyelidik berpindah ke fasa dua: membangunkan penyelesaian yang boleh mereka uji.
"Keadaan penanaman yang berbeza memerlukan jumlah tekanan dan kadar aliran yang berbeza," kata Tian. "Jika model menunjukkan peningkatan yang menjanjikan dalam kuasa dan kecekapan, maka kami boleh mula melaksanakan perubahan ini dalam keadaan dunia sebenar."
Untuk fasa ketiga - ujian dunia sebenar - pasukan itu melengkapkan kombo penanam traktor dengan pelbagai penderia.
"Kita perlu tahu berapa banyak kuasa yang digunakan oleh traktor, apa yang dilakukan oleh pam hidraulik, dan apakah tekanan dan kadar aliran di seluruh penanam," kata Jake Lengacher, Ph.D tahun pertama. pelajar. "Semua pendawaian itu membawa ke dalam kotak pemerolehan data baharu yang kami pasang di dalam teksi, jadi kami mempunyai gambaran penuh tentang perkara yang berlaku semasa kitaran penanaman."
Syukurlah untuk pasukan itu, Purdue mempunyai banyak tempat untuk traktor gergasi berkeliaran. The Kolej Pertanian memperuntukkan pasukan Vacca jalur tanah suku batu di Pusat Penyelidikan dan Pendidikan Sains Haiwan di West Lafayette.
"Kami sangat bernasib baik di Purdue," kata Vacca. “Kami mempunyai banyak ruang makmal di Maha di mana kami boleh menguji mesin besar ini di bawah keadaan terkawal; dan Pertanian juga mempunyai banyak plot ladang di mana kita boleh menjalankan penyelidikan lapangan.”
Dan kerana tiada ahli pasukan yang pernah mengendalikan traktor sebesar itu di lapangan, Case New Holland menyediakan latihan untuk mengajar mereka cara memandu.
"Kuasa semata-mata traktor 25,000 paun dengan 435 kuasa kuda, menunda penanam 10,000 paun - ia menakjubkan," kata Stump. “Tetapi terdapat juga banyak perkara yang berlaku di dalam teksi, terutamanya untuk mengendalikan penanam. Ia sememangnya kerja dua orang, jadi biasanya Jake juga berada di dalam teksi memantau data pada komputer riba.”
Pasukan ini menjalankan beberapa larian pada musim bunga 2021, di mana mereka menanam benih jagung pada kelajuan enjin dan kadar penanaman yang berbeza yang telah ditetapkan. Menyisir data, mereka mendapati bahawa sistem kawalan hidraulik baharu mereka diterjemahkan kepada peningkatan kecekapan keseluruhan 25%.
"Memandangkan jumlah bahan api yang digunakan oleh traktor biasa, itu adalah peningkatan yang besar," kata Vacca. “Dan ini hanyalah permulaan. Matlamat projek kami adalah untuk menggandakan kecekapan keseluruhan sistem kawalan hidraulik. Pada masa hadapan, kami merancang untuk memulakan pendekatan kawalan tekanan untuk logik kawalan, yang tidak pernah dicuba dalam kenderaan pertanian."
"Apabila saya melihat data yang membuktikan penyelesaian kami berkesan, saya sangat gembira," kata Guo. “Saya dibesarkan di sebuah bandar, jadi berada di ladang seperti ini merupakan pengalaman yang cukup mengujakan bagi saya. Kepakaran saya ialah sistem kawalan, jadi sangat menarik untuk melihat teori kami dalam makmal diuji di dunia nyata. Kuasa bendalir adalah bidang yang mantap, tetapi masih terdapat banyak potensi untuk mencadangkan sistem baharu dan seni bina baharu untuk menjadikan sesuatu lebih baik lagi.”
Stump berkata, “Saya tidak pernah membayangkan saya akan memandu traktor melalui ladang untuk Ph.D saya. Saya mempunyai rancangan untuk pergi ke aeroangkasa. Tetapi hidraulik pada traktor ini sama kompleksnya dengan kapal terbang atau roket. Menyelam jauh ke dalam kuasa bendalir sangat sesuai untuk masa depan saya dalam bidang kejuruteraan."
Tian berkata, “Sudah tentu ia adalah kemuncak masa saya di sini di Purdue. Saya meluangkan banyak masa ke dalam model-model ini, dan untuk melihat peningkatan dalam keputusan adalah detik yang menggembirakan bagi saya.”
Vacca berkata, "Melihat kerja keras pelajar kami - dan menyaksikan idea yang diperoleh dari makmal ke lapangan - itu benar-benar bahagian terbaik dalam tugas kami."
- Jared Pike, Universiti Purdue