Máy kéo nông nghiệp hiện đại chứa rất nhiều công nghệ tiên tiến, chúng cạnh tranh với cả những chiếc tàu vũ trụ mới nhất. Nhưng phần cuối vẫn còn lỗi thời, chủ yếu dựa vào nhiên liệu hóa thạch. Vì vậy, bất kỳ sự tối ưu hóa nào về hiệu suất của máy kéo đều là một thắng lợi lớn cho môi trường.
Với suy nghĩ này, các nhà nghiên cứu của Đại học Purdue đã thực hiện một dự án trị giá 3.2 triệu USD của Bộ Năng lượng để tối ưu hóa hệ thống thủy lực kết nối máy kéo và nông cụ.
“Năng lượng chất lỏng có ở khắp mọi nơi,” nói Andrea Vacca, Chủ tịch Khoa Năng lượng Chất lỏng Maha của Purdue, giáo sư kỹ sư cơ khí và kỹ thuật nông nghiệp và sinh học, và giám đốc của Trung tâm nghiên cứu năng lượng chất lỏng Maha, phòng thí nghiệm thủy lực hàn lâm lớn nhất cả nước. “Nó được sử dụng trong máy bay, ô tô và trong tất cả các loại thiết bị nặng. Máy kéo là một ví dụ về phương tiện sử dụng năng lượng chất lỏng để điều khiển mọi thứ từ hệ thống lái và động cơ đẩy cho đến cung cấp năng lượng cho các dụng cụ mà nó kéo phía sau.”
Nhưng việc cung cấp năng lượng cho các dụng cụ này đã được chứng minh là một vấn đề. Hệ thống điều khiển thủy lực của máy kéo chỉ cho thấy hiệu suất 20% khi kết nối với hệ thống thủy lực của một số dụng cụ nhất định như máy trồng trọt, máy gieo hạt và máy rải hàng.
Patrick Stump, một tiến sĩ cho biết: “Có xung đột trong việc điều khiển, trong đó hai hệ thống gần như đang đấu tranh với nhau”. sinh viên ngành cơ khí. “Kết quả là khi kết nối với máy trồng trọt, máy kéo luôn phải chạy với công suất cực cao, gây lãng phí nhiên liệu và tăng lượng khí thải.”
Trong nghiên cứu này, được tài trợ thông qua Bộ Năng lượng Hoa Kỳ Văn phòng tiết kiệm năng lượng và năng lượng tái tạo, nhóm của Vacca tập trung sự chú ý vào một tổ hợp cụ thể giữa máy kéo và máy trồng trọt, cả hai đều được cung cấp bởi Trường hợp công nghiệp New Holland, với hệ thống thủy lực được cung cấp bởi Rexroth. xem video.
Chậu trồng rộng 40 feet, có 16 hàng trồng.
Xiaofan Guo, một tiến sĩ cho biết: “Mỗi hàng có nhiều máy làm việc cùng nhau để gieo hạt. sinh viên ngành cơ khí. “Có một bánh xe làm sạch phía trước để loại bỏ thảm thực vật hiện có. Một đĩa cắt cắt một rãnh nhỏ trên mặt đất, một động cơ thực sự đẩy hạt giống xuống đất, một máy phun cấp nước và phân bón vào lỗ và sau đó một chiếc đĩa cuối cùng sẽ che lỗ đó lại. Có 16 hàng trồng loại này cần một lượng áp lực cụ thể để gieo hạt thành công. Và tất cả chúng đều được cung cấp năng lượng bởi một hệ thống thủy lực duy nhất.”
Để giải quyết vấn đề tối ưu hóa tổ hợp máy kéo và máy trồng trọt, nhóm của Vacca đã chọn phương pháp ba giai đoạn. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu cần mô tả đặc điểm của hệ thống thủy lực và xây dựng mô hình mô phỏng trên máy tính.
Xin Tian, một tiến sĩ, cho biết: “Những máy kéo này là những cỗ máy đắt tiền và phức tạp. sinh viên đã phát triển các mô hình trong khoảng thời gian bốn năm. “Vì vậy, chúng tôi bắt đầu bằng cách lập mô hình các bộ phận riêng lẻ và thử nghiệm chúng trong điều kiện đứng yên trong phòng thí nghiệm. Khi những điều đó chính xác, chúng tôi kết hợp các mô hình thành phần vào một hệ thống – và kiểm tra hệ thống – để chúng tôi có thể xác minh rằng toàn bộ mô hình là hợp lệ. Mô hình này rất lớn và phức tạp nên nhóm của tôi gọi nó là 'Quái vật!'”
Sau khi xác nhận mô hình của mình, các nhà nghiên cứu chuyển sang giai đoạn hai: phát triển các giải pháp mà họ có thể thử nghiệm.
Tian cho biết: “Các điều kiện trồng trọt khác nhau đòi hỏi lượng áp suất và tốc độ dòng chảy khác nhau. “Nếu mô hình cho thấy những cải tiến đầy hứa hẹn về sức mạnh và hiệu quả thì chúng ta có thể bắt đầu triển khai những thay đổi này trong điều kiện thực tế.”
Đối với giai đoạn thứ ba – các thử nghiệm trong thế giới thực – nhóm đã trang bị cho tổ hợp máy kéo và máy trồng trọt vô số cảm biến.
Jake Lengacher, tiến sĩ năm thứ nhất cho biết: “Chúng tôi cần biết máy kéo đang tiêu thụ bao nhiêu điện năng, máy bơm thủy lực đang hoạt động như thế nào cũng như áp suất và tốc độ dòng chảy trong toàn bộ máy trồng trọt”. học sinh. “Tất cả hệ thống dây điện đó dẫn đến một hộp thu thập dữ liệu mới mà chúng tôi đã lắp đặt trong cabin, nhờ đó chúng tôi có được bức tranh đầy đủ về những gì đang diễn ra trong chu kỳ trồng trọt.”
Rất may cho đội, Purdue có rất nhiều nơi để những chiếc máy kéo khổng lồ di chuyển. Các Cao đẳng nông nghiệp đã giao cho đội của Vacca một dải đất dài 1/4 dặm tại Trung tâm nghiên cứu và giáo dục khoa học động vật ở Tây Lafayette.
“Chúng tôi rất may mắn ở Purdue,” Vacca nói. “Chúng tôi có rất nhiều không gian phòng thí nghiệm tại Maha, nơi chúng tôi có thể thử nghiệm những cỗ máy lớn này trong điều kiện được kiểm soát; và Nông nghiệp cũng có rất nhiều mảnh đất trang trại nơi chúng tôi có thể tiến hành nghiên cứu thực địa.”
Và vì chưa có thành viên nào trong nhóm từng vận hành một chiếc máy kéo lớn như vậy trên thực địa nên Case New Holland đã đào tạo họ cách lái xe.
Stump nói: “Sức mạnh tuyệt đối của một chiếc máy kéo nặng 25,000 pound với công suất 435 mã lực, kéo được một người trồng cây nặng 10,000 pound – thật đáng kinh ngạc”. “Nhưng cũng có khá nhiều việc phải làm trong cabin, đặc biệt là việc vận hành máy trồng cây. Đó chắc chắn là công việc của hai người, nên thường thì Jake cũng ở trong taxi theo dõi dữ liệu trên máy tính xách tay.”
Nhóm đã tiến hành một số cuộc chạy vào mùa xuân năm 2021, trong đó họ gieo hạt ngô ở các tốc độ động cơ và tốc độ gieo hạt được xác định trước khác nhau. Kết hợp với dữ liệu, họ nhận thấy rằng hệ thống điều khiển thủy lực mới của họ đã giúp tăng hiệu suất tổng thể lên 25%.
Vacca nói: “Với lượng nhiên liệu mà một máy kéo thông thường tiêu thụ, đó là một sự cải tiến lớn”. "Và đây mới chỉ là khởi đầu. Mục tiêu dự án của chúng tôi là tăng gấp đôi hiệu quả của hệ thống điều khiển thủy lực tổng thể. Trong tương lai, chúng tôi dự định áp dụng phương pháp kiểm soát áp suất cho logic điều khiển, phương pháp này chưa từng được thử nghiệm trên các phương tiện nông nghiệp.”
Guo nói: “Khi tôi nhìn thấy dữ liệu chứng minh giải pháp của chúng tôi có hiệu quả, tôi rất vui. “Tôi lớn lên ở thành phố nên việc sống ở một trang trại như thế này là một trải nghiệm khá thú vị đối với tôi. Chuyên môn của tôi là hệ thống điều khiển, vì vậy thật thú vị khi thấy lý thuyết của chúng tôi trong phòng thí nghiệm được đưa vào thử nghiệm trong thế giới thực. Năng lượng chất lỏng là một lĩnh vực đã có từ lâu nhưng vẫn còn rất nhiều tiềm năng để đề xuất các hệ thống mới và kiến trúc mới nhằm khiến mọi thứ trở nên tốt hơn nữa.”
Stump nói: “Tôi chưa bao giờ tưởng tượng mình sẽ lái một chiếc máy kéo qua cánh đồng nông trại để lấy bằng Tiến sĩ. Tôi đã có kế hoạch đi vào ngành hàng không vũ trụ. Nhưng hệ thống thủy lực trên những máy kéo này cũng phức tạp như máy bay hoặc tên lửa. Việc đi sâu vào lĩnh vực năng lượng chất lỏng có tác dụng rất lớn đối với tương lai của tôi trong lĩnh vực kỹ thuật.”
Tian nói: “Đó chắc chắn là điểm nổi bật trong thời gian tôi ở Purdue. Tôi đã dành rất nhiều thời gian cho những mô hình này và thấy kết quả cải thiện thực sự là một khoảnh khắc hạnh phúc đối với tôi.”
Vacca nói: “Chứng kiến sự làm việc chăm chỉ của sinh viên – và chứng kiến một ý tưởng được đưa từ phòng thí nghiệm đến hiện trường – đó thực sự là phần tuyệt vời nhất trong công việc của chúng tôi.”
– Jared Pike, Đại học Purdue