Nútíma landbúnaðardráttarvélar innihalda svo mikla háþróaða tækni að þær standast jafnvel nýjustu geimfarin. En bakhliðin er enn af gamla skólanum, byggir að miklu leyti á jarðefnaeldsneyti. Þannig að öll hagræðing í skilvirkni dráttarvéla er mikill sigur fyrir umhverfið.
Með þetta í huga hafa vísindamenn Purdue háskólans ráðist í 3.2 milljóna dollara orkudeildarverkefni til að hámarka vökvakerfin sem tengja saman dráttarvélar og áhöld.
„Fljótandi kraftur er alls staðar,“ sagði Andrea Vacca, Purdue's Maha Fluid Power deildarformaður, prófessor í vélaverkfræði og landbúnaðar- og líffræðiverkfræði, og forstöðumaður Maha Fluid Power Research Center, stærsta akademíska vökvarannsóknarstofa landsins. „Það er notað í flugvélum, í bílum og í alls kyns þungum búnaði. Dráttarvél er dæmi um farartæki sem notar vökvaafl til að knýja allt frá stýrinu og knýjunni, til að knýja áhöldin sem það dregur á eftir sér.“
En það hefur reynst vandamál að knýja áhöldin. Vökvastýrikerfi dráttarvélarinnar hefur aðeins sýnt 20% skilvirkni þegar það er tengt við vökvakerfi tiltekinna tækja eins og gróðurhúsa, sáningar og gróðurhúsa.
„Það eru átök í stjórnkerfinu, þar sem kerfin tvö eru næstum því að berjast við hvert annað,“ sagði Patrick Stump, doktor. nemandi í vélaverkfræði. „Þar af leiðandi, þegar hún er tengd við gróðursetningu, þarf dráttarvélin alltaf að keyra á mjög miklu afli, sem sóar eldsneyti og eykur útblástur.“
Í þessari rannsókn, fjármögnuð í gegnum bandaríska orkumálaráðuneytið Skrifstofa orkunýtni og endurnýjanleg orka, teymi Vacca beindi sjónum sínum að ákveðnu samsettu dráttarvélar- og plöntunartæki, sem báðir útveguðu Case New Holland Industrial, með vökvakerfi frá Bosch Rexroth. Sjá myndband.
Gróðursetningin er 40 fet á breidd, með 16 gróðursetningarraðir.
„Í hverri röð eru margar vélar sem vinna saman að því að planta fræinu,“ sagði Xiaofan Guo, doktor. nemandi í vélaverkfræði. „Það er hreinsihjól fyrir framan til að fjarlægja núverandi gróður. Skurðarskífa sker örlítinn skurð í jörðu, mótor keyrir fræin í raun niður í jörðina, úðavél gefur vatni og áburði inn í holuna og síðan hylur lokaskífa gatið. Það eru 16 af þessum gróðursetningarraðir sem þurfa ákveðna þrýsting til að gróðursetja fræin með góðum árangri. Og allir eru knúnir af einu vökvakerfi.“
Til að takast á við vandamálið við að fínstilla samsetningu dráttarvélar og gróðursetningarvélar, valdi teymi Vacca þriggja fasa nálgun. Í fyrsta lagi þurftu rannsakendur að einkenna vökvakerfið og byggja upp hermilíkan í tölvunni.
„Þessar dráttarvélar eru dýrar og flóknar vélar,“ sagði Xin Tian, Ph.D. nemandi sem þróaði líkönin á fjögurra ára tímabili. „Þannig að við byrjuðum á því að móta einstaka íhluti og prófa þá í kyrrstöðu hér í rannsóknarstofunni. Þegar þær eru nákvæmar sameinum við íhlutalíkönin í kerfi – og prófum kerfið – svo við getum staðfest að allt líkanið sé gilt. Líkanið er svo stórt og flókið að liðið mitt kallar það „Skrímslið!““
Þegar þeir höfðu staðfest líkan sitt fóru vísindamennirnir yfir í áfanga tvö: að þróa lausnir sem þeir gætu prófað.
„Mismunandi gróðursetningaraðstæður krefjast mismunandi þrýstings og flæðishraða,“ sagði Tian. „Ef líkanið sýnir efnilegar umbætur í krafti og skilvirkni, þá getum við byrjað að innleiða þessar breytingar við raunverulegar aðstæður.
Fyrir þriðja áfangann - raunveruleikaprófanir - útbúi teymið dráttarvél-gróðursetningarvélina með mýgrút af skynjurum.
„Við þurfum að vita hversu mikið afl dráttarvélin eyðir, hvað vökvadælurnar eru að gera og hver þrýstingurinn og rennslishraðinn er í gróðursetningunni,“ sagði Jake Lengacher, doktor á fyrsta ári. nemandi. „Allar þessar raflögn leiða inn í nýjan gagnaöflunarkassa sem við settum upp í stýrishúsinu, þannig að við höfum fulla mynd af því sem er að gerast í gróðursetningarferlinu.“
Sem betur fer fyrir liðið, Purdue hefur nóg af stöðum fyrir risastórar dráttarvélar til að reika. The Landbúnaðarháskólinn úthlutaði liði Vacca kvartmílu ræma af landi við Rannsókna- og fræðslusetur dýravísinda í West Lafayette.
„Við erum mjög heppin hjá Purdue,“ sagði Vacca. „Við höfum mikið rannsóknarstofupláss í Maha þar sem við getum prófað þessar stóru vélar við stýrðar aðstæður; og landbúnaður hefur líka fullt af bújörðum þar sem við getum stundað vettvangsrannsóknir.“
Og þar sem enginn liðsmanna hafði nokkru sinni stjórnað jafn stórri dráttarvél á vettvangi, veitti Case New Holland þjálfun til að kenna þeim að keyra.
"Hreint afl 25,000 punda dráttarvélar með 435 hestöflum, sem dregur 10,000 punda gróðursetningu - það er ótrúlegt," sagði Stump. „En það er líka ansi mikið að gerast í stýrishúsinu, sérstaklega til að stjórna gróðursetningunni. Þetta er örugglega tveggja manna starf, svo venjulega er Jake líka í stýrishúsinu og fylgist með gögnunum á fartölvu.“
Teymið framkvæmdi nokkrar keyrslur vorið 2021, þar sem þeir sáðu maísfræi á mismunandi fyrirfram ákveðnum vélarhraða og gróðursetningarhraða. Með því að kemba í gegnum gögnin komust þeir að því að nýju vökvastýringarkerfin þeirra þýddu í heildina 25% skilvirkniaukningu.
„Miðað við magn eldsneytis sem dæmigerð dráttarvél eyðir, þá er það gríðarleg framför,“ sagði Vacca. „Og þetta er aðeins byrjunin. Verkefnismarkmið okkar er að tvöfalda skilvirkni heildarvökvastýrikerfisins. Í framtíðinni ætlum við að koma á þrýstingsstýringaraðferð fyrir stjórnunarrökfræðina, sem aldrei hefur verið reynt í landbúnaðarbifreiðum.“
„Þegar ég sá gögnin sem sönnuðu að lausnin okkar virkaði, var ég svo ánægður,“ sagði Guo. „Ég ólst upp í borg, þannig að það er frekar spennandi reynsla fyrir mig að vera úti á bæ sem þessum. Mín sérgrein er eftirlitskerfi, svo það var svo áhugavert að sjá kenningar okkar í rannsóknarstofunni verða prófaðar í raunheimum. Vökvaafl er rótgróið svið, en það eru samt svo miklir möguleikar til að leggja til ný kerfi og nýjan arkitektúr til að gera hlutina enn betri.“
Stump sagði: „Ég hefði aldrei ímyndað mér að ég myndi keyra dráttarvél í gegnum sveitabæ fyrir doktorsgráðuna mína. Ég hafði áform um að fara út í geimferðamál. En vökvakerfið á þessum dráttarvélum er jafn flókið og flugvél eða eldflaug. Að kafa djúpt í vökvaafl hefur verið gríðarlega viðeigandi fyrir framtíð mína í verkfræði.“
Tian sagði: „Þetta er vissulega hápunktur tíma minnar hér á Purdue. Ég eyddi svo miklum tíma í þessar gerðir og að sjá framfarirnar á árangrinum var virkilega ánægjuleg stund fyrir mig.“
Vacca sagði: „Að sjá dugnað nemenda okkar – og verða vitni að hugmynd komast frá rannsóknarstofunni á sviði – það er í raun besti hluti starfsins.
- Jared Pike, Purdue háskólanum