Moderni poljoprivredni traktori sadrže toliko najsavremenije tehnologije da su konkurenti čak i najnovijim svemirskim letjelicama. Ali zadnja strana je još uvijek stara škola, oslanjajući se uglavnom na fosilna goriva. Dakle, svaka optimizacija efikasnosti traktora je velika pobjeda za okoliš.
Imajući ovo na umu, istraživači sa Univerziteta Purdue su preduzeli projekat Ministarstva energetike vredan 3.2 miliona dolara za optimizaciju hidrauličnih sistema koji povezuju traktore i priključke.
„Snaga fluida je posvuda“, rekao je Andrea Vacca, Purdue's Maha Fluid Power Faculty Katedra, profesor mehanički inžinjering i poljoprivredno i biološko inženjerstvo, i direktor Maha Fluid Power Research Center, najveća akademska hidraulička laboratorija u zemlji. “Koristi se u avionima, u automobilima i u svim vrstama teške opreme. Traktor je primjer vozila koje koristi tekućinu za pokretanje svega, od upravljanja i pogona, do pokretanja opreme koje vuče iza sebe.”
Ali napajanje uređaja pokazalo se problemom. Hidraulički upravljački sistem traktora pokazao je samo 20% efikasnosti kada je povezan sa hidrauličkim sistemima određenih mašina kao što su sadilice, sejalice i bajleri.
“Postoji sukob u kontrolama, gdje se dva sistema gotovo bore jedan protiv drugog,” rekao je Patrick Stump, dr. student mašinstva. „Kao rezultat toga, kada je spojen na sadilicu, traktor uvijek mora raditi s izuzetno velikom snagom, što troši gorivo i povećava emisije.“
U ovoj studiji, finansiranoj preko Ministarstva energetike SAD-a Ured za energetsku efikasnost i obnovljivu energiju, Vaccin tim je svoju pažnju usmerio na specifičnu kombinaciju traktora i sadilice, obe koje je obezbedio Case New Holland Industrial, sa hidrauličnim sistemima koje obezbeđuje Bosch Rexroth. Pogledajte video.
Sadilica je široka 40 stopa, sa 16 redova za sadnju.
“Svaki red ima više mašina koje rade zajedno za sadnju sjemena,” rekao je Xiaofan Guo, Ph.D. student mašinstva. “Ispred je točak za čišćenje za uklanjanje postojeće vegetacije. Disk za rezanje seče mali jarak u zemlji, motor zapravo gura seme u zemlju, raspršivač dovodi vodu i đubrivo u rupu, a zatim završni disk pokriva rupu. Postoji 16 ovih redova sadnje, kojima je potreban određeni pritisak da bi seme uspešno zasadilo. I sve ih pokreće jedan hidraulični sistem.”
Kako bi se pozabavio problemom optimizacije kombinacije traktora i sadilice, Vaccin tim je izabrao trofazni pristup. Prvo, istraživači su morali da karakterišu hidraulički sistem i naprave simulacioni model u računaru.
„Ovi traktori su skupe i složene mašine“, rekao je Xin Tian, dr. student koji je razvijao modele u periodu od četiri godine. „Tako smo počeli modeliranjem pojedinačnih komponenti i testiranjem u stacionarnom stanju ovdje u laboratoriji. Kada su oni tačni, kombinujemo modele komponenti u sistem – i testiramo sistem – kako bismo mogli da potvrdimo da je ceo model validan. Model je toliko velik i složen, moj tim ga zove 'Čudovište!'”
Nakon što su potvrdili svoj model, istraživači su prešli na drugu fazu: razvoj rješenja koja su mogli testirati.
„Različiti uslovi sadnje zahtevaju različite količine pritiska i protoka“, rekao je Tian. “Ako model pokaže obećavajuća poboljšanja u snazi i efikasnosti, tada možemo početi implementirati ove promjene u stvarnim uvjetima.”
Za treću fazu – testove u stvarnom svijetu – tim je opremio kombinaciju traktora i sadilice s bezbroj senzora.
„Moramo znati koliko snage traktor troši, šta rade hidraulične pumpe i koliki su pritisak i protok u sejalici,“ rekao je Jake Lengacher, prva godina dr. student. „Sve te žice vode do nove kutije za prikupljanje podataka koju smo ugradili u kabinu, tako da imamo potpunu sliku o tome šta se dešava tokom ciklusa sadnje.”
Srećom po timu, Purdue ima dosta mjesta za divovske traktore. The Visoka poljoprivredna škola dodijelio je Vaccinom timu četvrt milje pojas zemlje u Centar za istraživanje i obrazovanje za nauku o životinjama West Lafayette.
„Veoma smo sretni u Purdueu“, rekao je Vacca. „Imamo mnogo laboratorijskog prostora u Mahi gde možemo testirati ove velike mašine u kontrolisanim uslovima; i Poljoprivreda također ima puno poljoprivrednih parcela na kojima možemo provoditi terenska istraživanja.”
A pošto niko od članova tima nikada nije upravljao tako velikim traktorom na terenu, Case New Holland je pružio obuku kako bi ih naučio kako da voze.
„Prava snaga traktora od 25,000 funti sa 435 konjskih snaga, koji vuče sadilicu od 10,000 funti – to je neverovatno,“ rekao je Stump. „Ali u kabini se takođe dosta toga dešava, posebno u upravljanju sadilom. To je definitivno posao za dva čovjeka, tako da je Jake obično u taksiju i nadgleda podatke na laptopu.”
Tim je proveo nekoliko vožnji u proljeće 2021., gdje su posadili sjeme kukuruza pri različitim unaprijed određenim brzinama motora i stopama sadnje. Pročešljavajući podatke, otkrili su da su njihovi novi hidraulički kontrolni sistemi doveli do ukupnog povećanja efikasnosti od 25%.
„S obzirom na količinu goriva koju tipičan traktor troši, to je ogromno poboljšanje“, rekao je Vacca. “A ovo je samo početak. Naš cilj projekta je udvostručiti efikasnost cjelokupnog hidrauličkog upravljačkog sistema. U budućnosti planiramo uvesti pristup kontroli pritiska za logiku upravljanja, što nikada nije pokušano u poljoprivrednim vozilima.”
“Kada sam vidio podatke koji su dokazali da naše rješenje radi, bio sam tako sretan”, rekao je Guo. “Odrastao sam u gradu, tako da je boravak na ovakvoj farmi za mene prilično uzbudljivo iskustvo. Moja specijalnost su kontrolni sistemi, tako da je bilo tako zanimljivo vidjeti kako se naše teorije u laboratoriji testiraju u stvarnom svijetu. Fluidna energija je dobro uspostavljena oblast, ali još uvijek postoji toliko potencijala da se predlože novi sistemi i nove arhitekture kako bi stvari bile još bolje.”
Stump je rekao: „Nikad nisam zamišljao da ću voziti traktor kroz poljoprivredno polje za doktorat. Imao sam planove da odem u svemir. Ali hidraulika na ovim traktorima je složena poput aviona ili rakete. Zaroniti duboko u fluidnu snagu bilo je izuzetno primjenjivo na moju budućnost u inženjerstvu.”
Tian je rekao: „To je svakako vrhunac mog vremena ovdje u Purdueu. Uložio sam toliko vremena u ove modele, a vidjeti napredak u rezultatima bio je zaista srećan trenutak za mene.”
Vacca je rekao: „Vidjeti naporan rad naših učenika – i svjedočiti kako ideja prelazi iz laboratorije na teren – to je zaista najbolji dio našeg posla.”
- Jared Pike, Univerzitet Purdue