טרקטורים חקלאיים מודרניים מכילים כל כך הרבה טכנולוגיה חדשנית, שהם מתחרים אפילו בחללית העדכנית ביותר. אבל החלק האחורי הוא עדיין מהבית הספר הישן, מסתמך בעיקר על דלקים מאובנים. אז כל אופטימיזציה ביעילות הטרקטור היא ניצחון ענק לסביבה.
מתוך מחשבה על כך, חוקרי אוניברסיטת Purdue ביצעו פרויקט של 3.2 מיליון דולר של משרד האנרגיה כדי לייעל את המערכות ההידראוליות המחברים טרקטורים וכלים.
"כוח נוזלי נמצא בכל מקום," אמר אנדריאה ואקה, יו"ר הפקולטה לפקולטה ל-Maha Fluid Power של Purdue, פרופסור ל הנדסת מכונות ו הנדסה חקלאית וביולוגית, ומנהל ה מאהא מרכז מחקר כוח נוזלי, מעבדת ההידראוליקה האקדמית הגדולה בארץ. "משתמשים בו במטוסים, במכוניות ובכל מיני ציוד כבד. טרקטור הוא דוגמה לרכב שמשתמש בכוח נוזלי כדי להפעיל הכל מההיגוי וההנעה ועד להנעת הכלים שהוא מושך מאחוריו".
אבל הפעלת הכלים הוכחה כבעיה. מערכת הבקרה ההידראולית של הטרקטור הראתה יעילות של 20% בלבד כאשר היא מחוברת למערכות ההידראוליות של כלים מסוימים כמו אדניות, זריעה ואבזור.
"יש קונפליקט בבקרות, שבו שתי המערכות כמעט נלחמות זו בזו", אמר פטריק סטמפ, דוקטור. סטודנט להנדסת מכונות. "כתוצאה מכך, כאשר הוא מחובר לאדנית, הטרקטור תמיד צריך לפעול בהספק גבוה במיוחד, מה שמבזבז דלק ומגביר את הפליטות".
במחקר זה, ממומן באמצעות משרד האנרגיה האמריקאי משרד יעילות אנרגטית ואנרגיה מתחדשת, הצוות של Vacca מיקד את תשומת הלב שלו בשילוב ספציפי של טרקטור ואדנית, שניהם מסופקים על ידי קייס ניו הולנד תעשייתי, עם מערכות הידראוליות המסופקות על ידי בוש Rexroth. ראה וידאו.
רוחב האדנית 40 רגל, עם 16 שורות שתילה.
"לכל שורה יש מכונות מרובות שעובדות יחד כדי לשתול את הזרע", אמר Xiaofan Guo, דוקטור. סטודנט להנדסת מכונות. "יש גלגל ניקוי מלפנים כדי להסיר צמחייה קיימת. דיסק חיתוך חותך תעלה זעירה באדמה, מנוע למעשה מניע את הזרעים לתוך האדמה, מרסס מזין מים ודשן לתוך החור ואז דיסק אחרון מכסה את החור. ישנן 16 משורות השתילה הללו, אשר זקוקות לכמויות ספציפיות של לחץ כדי לשתול את הזרעים בהצלחה. וכולם מופעלים על ידי מערכת הידראולית אחת".
כדי להתמודד עם בעיית האופטימיזציה של השילוב של טרקטור-עציץ, הצוות של Vacca בחר בגישה תלת-שלבית. ראשית, החוקרים נדרשו לאפיין את המערכת ההידראולית ולבנות מודל סימולציה במחשב.
"הטרקטורים האלה הם מכונות יקרות ומורכבות", אמר שין טיאן, דוקטור. סטודנט שפיתח את המודלים במשך ארבע שנים. "אז התחלנו במודלים של רכיבים בודדים ובדיקתם במצב נייח כאן במעבדה. כאשר אלה מדויקים, אנו משלבים את המודלים המרכיבים למערכת - ובודקים את המערכת - כדי שנוכל לוודא שהמודל כולו תקף. הדגם כל כך גדול ומורכב, שהצוות שלי קורא לו 'המפלצת!'”.
לאחר שהם אימתו את המודל שלהם, החוקרים עברו לשלב שני: פיתוח פתרונות שהם יוכלו לבדוק.
"תנאי שתילה שונים דורשים כמויות שונות של לחץ וקצב זרימה", אמר טיאן. "אם המודל יראה שיפורים מבטיחים בהספק וביעילות, אז נוכל להתחיל ליישם את השינויים האלה בתנאים של העולם האמיתי."
לשלב השלישי - בדיקות בעולם האמיתי - הצוות צייד את השילוב של טרקטור-עציץ עם אינספור חיישנים.
"אנחנו צריכים לדעת כמה כוח הטרקטור צורך, מה עושות המשאבות ההידראוליות, ומהם הלחץ וקצבי הזרימה בכל העציץ", אמר ג'ייק לנגכר, דוקטור שנה ראשונה. סטוּדֶנט. "כל החיווט הזה מוביל לקופסת איסוף נתונים חדשה שהתקנו בתא הנהג, כך שיש לנו תמונה מלאה של מה שקורה במהלך מחזור השתילה."
למרבה המזל עבור הצוות, ל-Purdue יש הרבה מקומות לטרקטורים ענקיים לשוטט בהם. ה המכללה לחקלאות הקצתה לצוות של ואקה רצועת אדמה של רבע מייל ב- מרכז מחקר וחינוך למדעי בעלי החיים במערב לאפייט.
"יש לנו מזל גדול ב-Purdue", אמר ואקה. "יש לנו הרבה שטח מעבדה ב-Maha שבו אנחנו יכולים לבדוק את המכונות הגדולות האלה בתנאים מבוקרים; ולחקלאות יש גם הרבה חלקות חקלאיות בהן נוכל לערוך מחקר שדה".
ומכיוון שאיש מחברי הצוות מעולם לא הפעיל טרקטור כל כך גדול בשטח, קייס ניו הולנד סיפקה הכשרה כדי ללמד אותם איך לנהוג.
"הכוח העצום של טרקטור 25,000 פאונד עם 435 כוחות סוס, גורר אדנית במשקל 10,000 פאונד - זה מדהים", אמר סטאמפ. "אבל יש גם די הרבה דברים בתא הנהג, במיוחד לתפעול האדנית. זו בהחלט עבודה של שני אנשים, אז בדרך כלל ג'ייק נמצא גם במונית ומנטר את הנתונים במחשב נייד".
הצוות ערך מספר ריצות באביב 2021, בהן שתלו זרעי תירס במהירויות מנוע שונות ובקצבי שתילה שונים שנקבעו מראש. בחיפוש אחר הנתונים, הם גילו שמערכות הבקרה ההידראולית החדשות שלהם תורגמו לעלייה כוללת של 25% ביעילות.
"בהתחשב בכמות הדלק שצורך טרקטור טיפוסי, זה שיפור מסיבי", אמר ואקה. "וזו רק ההתחלה. מטרת הפרויקט שלנו היא להכפיל את היעילות של מערכת הבקרה ההידראולית הכוללת. בעתיד, אנו מתכננים להנהיג גישת בקרת לחץ עבור היגיון הבקרה, שמעולם לא נוסה בכלי רכב חקלאיים".
"כשראיתי את הנתונים שהוכיחו שהפתרון שלנו עובד, שמחתי כל כך", אמר גואו. "גדלתי בעיר, אז להיות בחווה כזו זו חוויה די מרגשת עבורי. המומחיות שלי היא מערכות בקרה, אז זה היה כל כך מעניין לראות את התיאוריות שלנו במעבדה עומדות למבחן בעולם האמיתי. כוח נוזלים הוא תחום מבוסס היטב, אבל עדיין יש כל כך הרבה פוטנציאל להציע מערכות חדשות וארכיטקטורות חדשות כדי לשפר עוד יותר את הדברים".
סטמפ אמר, "מעולם לא דמיינתי שאסע בטרקטור דרך שדה חווה לצורך הדוקטורט שלי. היו לי תוכניות ללכת לחלל. אבל ההידראוליקה בטרקטורים האלה מורכבת באותה מידה כמו מטוס או רקטה. צלילה עמוקה לתוך כוח נוזלי הייתה מאוד ישימה לעתיד שלי בהנדסה."
טיאן אמר, "זה בהחלט גולת הכותרת של התקופה שלי כאן ב-Purdue. השקעתי כל כך הרבה זמן במודלים האלה, ולראות את השיפור בתוצאות היה ממש רגע מאושר עבורי".
ואקה אמר, "לראות את העבודה הקשה של התלמידים שלנו - ולראות רעיון מגיע מהמעבדה לשטח - זה באמת החלק הכי טוב בעבודה שלנו".
- ג'ארד פייק, אוניברסיטת פרדו