تراکتورهای کشاورزی مدرن به قدری دارای فناوری پیشرفته هستند که حتی با جدیدترین فضاپیماها رقابت می کنند. اما عقبنشینی هنوز قدیمی است و عمدتاً به سوختهای فسیلی متکی است. بنابراین هر گونه بهینه سازی در بهره وری تراکتور یک پیروزی بزرگ برای محیط زیست است.
با در نظر گرفتن این موضوع، محققان دانشگاه پردو پروژه 3.2 میلیون دلاری وزارت انرژی را برای بهینه سازی سیستم های هیدرولیکی که تراکتورها و ادوات را به هم متصل می کنند، انجام داده اند.
گفت: «نیروی سیال در همه جا وجود دارد آندریا واکا، رئیس دانشکده قدرت سیالات ماها پوردو، استاد مهندسی مکانیک و مهندسی کشاورزی و بیولوژیکی، و مدیر مرکز تحقیقات نیروی سیال ماهابزرگترین آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاهی کشور. در هواپیماها، ماشینها و در انواع تجهیزات سنگین استفاده میشود. تراکتور نمونه ای از وسیله نقلیه ای است که از نیروی سیال برای به کار انداختن همه چیز از فرمان و پیشرانه گرفته تا نیرو دادن به وسایلی که پشت سر خود می کشد استفاده می کند.
اما ثابت شده است که برق رسانی به ابزارها یک مشکل است. سیستم کنترل هیدرولیک تراکتور در صورت اتصال به سیستم های هیدرولیک برخی ادوات مانند کاشت، بذرپاش و بیلر تنها 20 درصد کارایی را نشان داده است.
پاتریک استامپ، دکترای تخصصی، گفت: «یک تضاد در کنترلها وجود دارد، جایی که دو سیستم تقریباً با یکدیگر میجنگند. دانشجوی رشته مهندسی مکانیک "در نتیجه، هنگامی که تراکتور به یک گلدان متصل می شود، تراکتور همیشه باید با قدرت بسیار بالا کار کند که باعث هدر رفتن سوخت و افزایش انتشار گازهای گلخانه ای می شود."
در این مطالعه، از طریق وزارت انرژی ایالات متحده تامین مالی شده است دفتر بهره وری انرژی و انرژی های تجدید پذیر، تیم Vacca توجه خود را بر روی ترکیب خاصی از تراکتور و کاشت که هر دو توسط آنها ارائه شده است، متمرکز کردند کیس نیوهلند صنعتی، با سیستم های هیدرولیک ارائه شده توسط بوش Rexroth. مشاهده ویدئو.
کاشت 40 فوت عرض دارد و 16 ردیف کاشت دارد.
Xiaofan Guo، Ph.D، گفت: "هر ردیف دارای چندین ماشین است که با هم کار می کنند تا بذر را بکارند." دانشجوی رشته مهندسی مکانیک "یک چرخ تمیز کردن در جلو وجود دارد تا پوشش گیاهی موجود را از بین ببرد. یک دیسک برش یک گودال کوچک را در زمین برش می دهد، یک موتور در واقع دانه ها را به داخل زمین هدایت می کند، یک سمپاش آب و کود را به سوراخ وارد می کند و سپس یک دیسک نهایی سوراخ را می پوشاند. 16 تا از این ردیف های کاشت وجود دارد که برای کاشت موفقیت آمیز بذرها به فشار خاصی نیاز دارند. و همه آنها توسط یک سیستم هیدرولیک واحد تغذیه می شوند.
برای مقابله با مشکل بهینه سازی ترکیب تراکتور و کاشت، تیم Vacca یک رویکرد سه فازی را انتخاب کرد. ابتدا، محققان نیاز داشتند که سیستم هیدرولیک را مشخص کنند و یک مدل شبیه سازی در رایانه بسازند.
دکتر شین تیان گفت: «این تراکتورها ماشین های گران قیمت و پیچیده ای هستند. دانشجویی که این مدل ها را در یک بازه زمانی چهار ساله توسعه داد. بنابراین ما با مدلسازی اجزای جداگانه و آزمایش آنها در شرایط ثابت در اینجا در آزمایشگاه شروع کردیم. هنگامی که آنها دقیق هستند، مدلهای مؤلفه را در یک سیستم ترکیب میکنیم – و سیستم را آزمایش میکنیم – بنابراین میتوانیم تأیید کنیم که کل مدل معتبر است. مدل آنقدر بزرگ و پیچیده است که تیم من آن را "هیولا!"
هنگامی که آنها مدل خود را تأیید کردند، محققان به فاز دوم رفتند: توسعه راه حل هایی که می توانستند آزمایش کنند.
تیان گفت: «شرایط مختلف کاشت به مقادیر متفاوتی از فشار و سرعت جریان نیاز دارد. اگر مدل بهبودهای امیدوارکنندهای را در قدرت و کارایی نشان دهد، میتوانیم این تغییرات را تحت شرایط دنیای واقعی پیادهسازی کنیم.»
برای مرحله سوم - آزمایشات در دنیای واقعی - تیم ترکیب تراکتور و کاشت را با تعداد زیادی سنسور تجهیز کرد.
جیک لنگاچر، دکترای سال اول، گفت: «ما باید بدانیم تراکتور چقدر انرژی مصرف میکند، پمپهای هیدرولیک چه کار میکنند، و فشار و نرخ جریان در سرتاسر کارخانه کاشت چقدر است. دانشجو. تمام این سیمکشیها به جعبه جمعآوری دادههای جدیدی منتهی میشود که ما در کابین نصب کردهایم، بنابراین ما تصویر کاملی از آنچه در طول یک چرخه کاشت میگذرد داریم.
خوشبختانه برای تیم، پوردو مکان های زیادی برای پرسه زدن تراکتورهای غول پیکر دارد. این دانشکده کشاورزی به تیم Vacca یک باریکه یک چهارم مایلی زمین در این منطقه اختصاص داد مرکز تحقیقات و آموزش علوم دامی در لافایت غربی
واکا گفت: "ما در پوردو بسیار خوش شانس هستیم." ما فضای آزمایشگاهی زیادی در ماها داریم که میتوانیم این ماشینهای بزرگ را در شرایط کنترلشده آزمایش کنیم. و کشاورزی همچنین دارای زمین های کشاورزی زیادی است که می توانیم تحقیقات میدانی را انجام دهیم.
و از آنجایی که هیچ یک از اعضای تیم تا به حال تراکتوری به این بزرگی را در زمین راه اندازی نکرده بودند، کیس نیوهلند برای آموزش رانندگی به آنها آموزش داد.
استامپ گفت: «قدرت یک تراکتور 25,000 پوندی با 435 اسب بخار قدرت، یدککشیدن یک کاشت 10,000 پوندی - شگفتانگیز است. اما در کابین نیز چیزهای زیادی در جریان است، به خصوص برای کارکردن کارخانه کاشت. این قطعاً یک کار دو نفره است، بنابراین معمولاً جیک نیز در کابین است و دادههای لپتاپ را زیر نظر دارد.»
این تیم در بهار سال 2021 چندین اجرا انجام داد، جایی که بذر ذرت را با سرعتهای موتور از پیش تعیینشده و نرخهای کاشت متفاوت کاشتند. آنها با بررسی داده ها دریافتند که سیستم های کنترل هیدرولیک جدید آنها به طور کلی 25 درصد افزایش بهره وری را نشان می دهد.
واکا گفت: "با توجه به میزان سوختی که یک تراکتور معمولی مصرف می کند، این یک پیشرفت بزرگ است." "و این تنها شروع است. هدف پروژه ما دو برابر کردن راندمان کلی سیستم کنترل هیدرولیک است. در آینده، ما قصد داریم یک رویکرد کنترل فشار را برای منطق کنترل ایجاد کنیم، که هرگز در خودروهای کشاورزی انجام نشده است.
گوئو گفت: «وقتی دادههایی را دیدم که ثابت کردند راهحل ما کارآمد است، بسیار خوشحال شدم. من در یک شهر بزرگ شدم، بنابراین حضور در مزرعه ای مانند این برای من تجربه بسیار هیجان انگیزی است. تخصص من سیستم های کنترل است، بنابراین بسیار جالب بود که ببینم نظریه های ما در آزمایشگاه در دنیای واقعی مورد آزمایش قرار می گیرند. انرژی سیال یک زمینه کاملاً تثبیت شده است، اما هنوز پتانسیل زیادی برای پیشنهاد سیستمها و معماریهای جدید برای بهبود اوضاع وجود دارد.»
استامپ گفت: «هرگز تصور نمیکردم برای دکتری خود با تراکتور در مزرعه مزرعه رانندگی کنم. من قصد داشتم وارد هوافضا شوم. اما هیدرولیک این تراکتورها به اندازه یک هواپیما یا موشک پیچیده است. فرو رفتن در اعماق انرژی سیال در آینده من در مهندسی بسیار کاربردی بوده است.
تیان گفت: «مطمئناً این نقطه برجسته دوران من اینجا در پوردو است. من برای این مدلها زمان زیادی گذاشتم و دیدن بهبود نتایج واقعاً لحظهای خوشحال کننده برای من بود.»
واکا گفت: «دیدن کار سخت دانشآموزانمان – و مشاهده یک ایده از آزمایشگاه به میدان – این واقعاً بهترین بخش کار ما است.»
- جرد پایک، دانشگاه پردو