Moderne landbrugstraktorer indeholder så meget banebrydende teknologi, at de kan konkurrere med selv de nyeste rumfartøjer. Men bagenden er stadig gammeldags, og er i vid udstrækning afhængig af fossile brændstoffer. Så enhver optimering af traktorens effektivitet er en kæmpe gevinst for miljøet.
Med dette i tankerne har forskere fra Purdue University iværksat et 3.2 millioner dollars Department of Energy-projekt for at optimere de hydrauliske systemer, der forbinder traktorer og redskaber.
"Flydende kraft er overalt," sagde Andrea Vacca, Purdue's Maha Fluid Power Faculty Chair, professor i maskiningeniør , landbrugs- og biologisk teknikog direktør for Maha Fluid Power Research Center, det største akademiske hydrauliklaboratorium i landet. "Det bruges i fly, i biler og i alt slags tungt udstyr. En traktor er et eksempel på et køretøj, der bruger flydende kraft til at aktivere alt fra styring og fremdrift til at drive de redskaber, det trækker bag sig."
Men at drive redskaberne har vist sig at være et problem. Traktorens hydrauliske kontrolsystem har kun vist 20 % effektivitet, når det er forbundet med hydrauliksystemerne på visse redskaber som plantemaskiner, såmaskiner og bailere.
"Der er en konflikt i kontrollerne, hvor de to systemer næsten kæmper mod hinanden," sagde Patrick Stump, en Ph.D. studerende i maskinteknik. "Som et resultat, når den er tilsluttet en plantemaskine, skal traktoren altid køre med ekstrem høj effekt, hvilket spilder brændstof og øger emissionerne."
I denne undersøgelse finansieret gennem det amerikanske energiministerium Kontoret for energieffektivitet og vedvarende energi, fokuserede Vaccas team sin opmærksomhed på en specifik kombination af traktor og plantemaskine, begge leveret af Case New Holland Industrial, med hydrauliske systemer leveret af Bosch Rexroth. Se video.
Plantekassen er 40 fod bred med 16 plantningsrækker.
"Hver række har flere maskiner, der arbejder sammen om at plante frøet," sagde Xiaofan Guo, en Ph.D. studerende i maskinteknik. ”Der er et rensehjul foran til at fjerne eksisterende vegetation. En skæreskive skærer en lillebitte grøft i jorden, en motor driver faktisk frøene ned i jorden, en sprøjte fører vand og gødning ind i hullet, og så dækker en sidste skive hullet. Der er 16 af disse plantningsrækker, som har brug for specifikke mængder pres for at kunne plante frøene. Og alle er drevet af et enkelt hydraulisk system."
For at løse problemet med at optimere traktor-planter-kombinationen, valgte Vaccas team en trefaset tilgang. Først skulle forskerne karakterisere det hydrauliske system og bygge en simuleringsmodel i computeren.
"Disse traktorer er dyre og komplekse maskiner," sagde Xin Tian, en Ph.D. studerende, der udviklede modellerne over en fireårig periode. ”Så vi startede med at modellere individuelle komponenter og teste dem i stationær tilstand her i laboratoriet. Når de er nøjagtige, kombinerer vi komponentmodellerne i et system – og tester systemet – så vi kan verificere, at hele modellen er gyldig. Modellen er så stor og kompleks, at mit team kalder den 'The Monster!'”
Da de havde valideret deres model, gik forskerne til fase to: at udvikle løsninger, de kunne teste.
"Forskellige planteforhold kræver forskellige mængder tryk og flowhastighed," sagde Tian. "Hvis modellen viser lovende forbedringer i kraft og effektivitet, så kan vi begynde at implementere disse ændringer under virkelige forhold."
Til den tredje fase - test i den virkelige verden - udstyrede holdet traktor-planter-kombinationen med et utal af sensorer.
"Vi har brug for at vide, hvor meget strøm traktoren bruger, hvad de hydrauliske pumper gør, og hvad trykket og flowhastighederne er i hele plantemaskinen," sagde Jake Lengacher, en førsteårs Ph.D. studerende. "Alt det ledningsnet fører ind i en ny dataindsamlingsboks, vi installerede i førerhuset, så vi har et fuldt overblik over, hvad der foregår under en plantecyklus."
Heldigvis for holdet har Purdue masser af steder, hvor gigantiske traktorer kan strejfe. Det Landbrugshøjskolen tildelt Vaccas hold en kvart mil stribe jord ved Husdyrvidenskabeligt Forsknings- og Uddannelsescenter i West Lafayette.
"Vi er meget heldige i Purdue," sagde Vacca. “Vi har en masse laboratorieplads på Maha, hvor vi kan teste disse store maskiner under kontrollerede forhold; og Landbrug har også masser af landbrugsparceller, hvor vi kan udføre feltforskning."
Og da ingen af teammedlemmerne nogensinde havde kørt så stor en traktor i marken, sørgede Case New Holland for træning for at lære dem at køre.
"Den store kraft af en traktor på 25,000 pund med 435 hestekræfter, der trækker en plantemaskine på 10,000 pund - det er fantastisk," sagde Stump. "Men der sker også en del i førerhuset, især for at betjene plantemaskinen. Det er bestemt et tomandsjob, så normalt sidder Jake også i førerhuset og overvåger dataene på en bærbar computer.”
Holdet gennemførte flere kørsler i foråret 2021, hvor de plantede majsfrø ved forskellige forudbestemte motorhastigheder og plantehastigheder. Ved at gennemse dataene fandt de ud af, at deres nye hydrauliske styresystemer blev oversat til en samlet effektivitetsforøgelse på 25 %.
"I betragtning af mængden af brændstof, som en typisk traktor forbruger, er det en massiv forbedring," sagde Vacca. "Og dette er kun begyndelsen. Vores projektmål er at fordoble effektiviteten af det overordnede hydrauliske styresystem. I fremtiden planlægger vi at indføre en trykkontroltilgang til kontrollogikken, som aldrig er blevet forsøgt i landbrugskøretøjer."
"Da jeg så de data, der beviste, at vores løsning virkede, blev jeg så glad," sagde Guo. ”Jeg er vokset op i en by, så at være ude på en gård som denne her er en ret spændende oplevelse for mig. Mit speciale er kontrolsystemer, så det var så interessant at se vores teorier i laboratoriet blive sat på prøve i den virkelige verden. Fluid power er et veletableret felt, men der er stadig så meget potentiale til at foreslå nye systemer og nye arkitekturer for at gøre tingene endnu bedre."
Stump sagde: "Jeg havde aldrig forestillet mig, at jeg ville køre en traktor gennem en gårdmark til min ph.d. Jeg havde planer om at gå ind i rumfart. Men hydraulikken på disse traktorer er lige så kompleks som et fly eller en raket. At dykke dybt ned i flydende kraft har været enormt anvendelig for min fremtid inden for ingeniørvidenskab."
Tian sagde: "Det er bestemt højdepunktet i min tid her på Purdue. Jeg brugte så meget tid på disse modeller, og at se forbedringen i resultaterne var virkelig et lykkeligt øjeblik for mig.”
Vacca sagde: "At se vores elevers hårde arbejde - og se en idé komme fra laboratoriet til marken - det er virkelig den bedste del af vores job."
- Jared Pike, Purdue University