Els tractors agrícoles moderns contenen tanta tecnologia d'avantguarda que rivalitzen fins i tot amb les naus espacials més recents. Però el fons segueix sent de la vella escola, depenent en gran mesura dels combustibles fòssils. Per tant, qualsevol optimització de l'eficiència del tractor és una gran victòria per al medi ambient.
Tenint això en compte, els investigadors de la Universitat de Purdue han dut a terme un projecte del Departament d'Energia de 3.2 milions de dòlars per optimitzar els sistemes hidràulics que connecten tractors i implements.
"El poder dels fluids és a tot arreu", va dir Andrea Vacca, President de la Facultat de Maha Fluid Power de Purdue, professor de Enginyeria Mecànica i enginyeria agrícola i biològica, i director de la Centre d'Investigació Maha Fluid Power, el laboratori d'hidràulica acadèmic més gran del país. “S'utilitza en avions, en cotxes i en tot tipus d'equips pesats. Un tractor és un exemple de vehicle que utilitza la potència dels fluids per accionar tot, des de la direcció i la propulsió, fins a alimentar els instruments que tira darrere seu".
Però alimentar els instruments ha demostrat ser un problema. El sistema de control hidràulic del tractor ha mostrat només un 20% d'eficiència quan es connecta als sistemes hidràulics de certs implements com sembradores, sembradores i esculls.
"Hi ha un conflicte en els controls, on els dos sistemes gairebé lluiten entre ells", va dir Patrick Stump, Ph.D. estudiant d'enginyeria mecànica. "Com a resultat, quan està connectat a una sembradora, el tractor sempre ha de funcionar a una potència extremadament alta, cosa que malgasta combustible i augmenta les emissions".
En aquest estudi, finançat pel Departament d'Energia dels EUA Oficina d'Eficiència Energètica i Energies Renovables, l'equip de Vacca va centrar la seva atenció en un combo específic de tractor i jardinera, tots dos proporcionats per Cas New Holland Industrial, amb sistemes hidràulics proporcionats per Bosch Rexroth. Veure vídeo.
La jardinera té 40 peus d'amplada, amb 16 fileres de plantació.
"Cada fila té diverses màquines que treballen juntes per plantar la llavor", va dir Xiaofan Guo, Ph.D. estudiant d'enginyeria mecànica. “Al davant hi ha una roda de neteja per eliminar la vegetació existent. Un disc de tall talla una petita rasa a terra, un motor en realitat condueix les llavors al terra, un polvoritzador alimenta aigua i fertilitzant al forat i després un disc final cobreix el forat. Hi ha 16 d'aquestes files de plantació, que necessiten quantitats específiques de pressió per plantar les llavors amb èxit. I tots estan alimentats per un únic sistema hidràulic”.
Per abordar el problema d'optimitzar la combinació tractor-plantadora, l'equip de Vacca va triar un enfocament en tres fases. En primer lloc, els investigadors havien de caracteritzar el sistema hidràulic i construir un model de simulació a l'ordinador.
"Aquests tractors són màquines cares i complexes", va dir Xin Tian, Ph.D. estudiant que va desenvolupar els models durant un període de quatre anys. "Així que vam començar modelant components individuals i provant-los en condicions estacionàries aquí al laboratori. Quan són exactes, combinem els models de components en un sistema i provem el sistema perquè puguem verificar que tot el model és vàlid. El model és tan gran i complex que el meu equip l'anomena "El monstre!"
Un cop van validar el seu model, els investigadors van passar a la segona fase: desenvolupar solucions que poguessin provar.
"Les diferents condicions de plantació requereixen diferents quantitats de pressió i cabal", va dir Tian. "Si el model mostra millores prometedores en potència i eficiència, llavors podem començar a implementar aquests canvis en condicions del món real".
Per a la tercera fase, proves del món real, l'equip va equipar el combo tractor-plantadora amb una infinitat de sensors.
"Hem de saber quanta potència consumeix el tractor, què fan les bombes hidràuliques i quines són la pressió i els cabals a tota la sembradora", va dir Jake Lengacher, doctorat de primer any. estudiant. "Tot aquest cablejat condueix a una nova caixa d'adquisició de dades que vam instal·lar a la cabina, de manera que tenim una imatge completa del que està passant durant un cicle de plantació".
Afortunadament per a l'equip, Purdue té molts llocs per a tractors gegants. El Col·legi d’Agricultura va assignar a l'equip de Vacca una franja de terra d'un quart de milla a la Centre d'Investigació i Educació en Ciències Animals a West Lafayette.
"Som molt afortunats a Purdue", va dir Vacca. “Tenim molt espai de laboratori a Maha on podem provar aquestes màquines grans en condicions controlades; i l'Agricultura també té moltes parcel·les agrícoles on podem fer investigacions de camp".
I com que cap dels membres de l'equip havia fet servir mai un tractor tan gran al camp, Case New Holland va oferir formació per ensenyar-los a conduir.
"La gran potència d'un tractor de 25,000 lliures amb 435 cavalls de força, que remolca una sembradora de 10,000 lliures, és increïble", va dir Stump. “Però també hi ha moltes coses passant a la cabina, sobretot per fer funcionar la sembradora. Definitivament és una feina de dues persones, així que normalment Jake també està a la cabina supervisant les dades en un ordinador portàtil.
L'equip va realitzar diverses tirades a la primavera del 2021, on van plantar llavors de blat de moro a diferents velocitats de motor i ritmes de sembra predeterminats. Repassant les dades, van trobar que els seus nous sistemes de control hidràulic es van traduir en un augment global d'eficiència del 25%.
"Tenint en compte la quantitat de combustible que consumeix un tractor típic, això és una millora massiva", va dir Vacca. "I això només és el començament. El nostre objectiu del projecte és duplicar l'eficiència del sistema de control hidràulic global. En el futur, tenim previst establir un enfocament de control de pressió per a la lògica de control, que mai s'ha intentat en vehicles agrícoles".
"Quan vaig veure les dades que van demostrar que la nostra solució funcionava, vaig estar molt content", va dir Guo. "Vaig créixer en una ciutat, així que estar a una granja com aquesta és una experiència força emocionant per a mi. La meva especialitat són els sistemes de control, així que va ser molt interessant veure com les nostres teories al laboratori es posaven a prova en el món real. L'energia dels fluids és un camp ben establert, però encara hi ha molt potencial per proposar nous sistemes i noves arquitectures per millorar encara més les coses".
Stump va dir: "Mai em vaig imaginar que conduïria un tractor a través d'un camp agrícola per al meu doctorat. Tenia plans d'anar a l'aeroespacial. Però la hidràulica d'aquests tractors és tan complexa com un avió o un coet. Submergir-se profundament en l'energia dels fluids ha estat molt aplicable al meu futur en enginyeria".
Tian va dir: "Sens dubte, és el més destacat del meu temps aquí a Purdue. Vaig dedicar tant de temps a aquests models i veure la millora dels resultats va ser realment un moment feliç per a mi".
Vacca va dir: "Veure el treball dur dels nostres estudiants, i presenciar com una idea arriba del laboratori al camp, aquesta és realment la millor part de la nostra feina".
- Jared Pike, Universitat de Purdue