現代の農業用トラクターは非常に多くの最先端技術を備えており、最新の宇宙船にさえ匹敵します。 しかし、バックエンドはまだ古い学校であり、主に化石燃料に依存しています。 したがって、トラクターの効率を最適化することは、環境にとって大きなメリットです。
これを念頭に置いて、パデュー大学の研究者は、トラクターと機械を接続する油圧システムを最適化するために、3.2万ドルのエネルギー省プロジェクトに着手しました。
「流体力はどこにでもあります」と言いました アンドレア・ヴァッカ、PurdueのMaha Fluid Powerファカルティチェア、教授 機械工学 および 農業および生物工学、およびのディレクター マハ流体動力研究センター、国内最大のアカデミック油圧ラボ。 「飛行機、車、そしてあらゆる種類の重機に使用されています。 トラクターは、流体力を使用して、ステアリングや推進力から、後ろに引く機械に動力を供給するまで、すべてを作動させる車両の一例です。」
しかし、道具に電力を供給することは問題であることが証明されています。 トラクターの油圧制御システムは、プランター、シーダー、ベーラーなどの特定の器具の油圧システムに接続した場合、わずか20%の効率しか示していません。
「XNUMXつのシステムがほぼ互いに戦っているコントロールに矛盾があります」と博士号を取得したPatrickStump氏は述べています。 機械工学の学生。 「その結果、プランターに接続すると、トラクターは常に非常に高い出力で稼働する必要があり、燃料が無駄になり、排出量が増加します。」
この研究では、米国エネルギー省を通じて資金提供されています エネルギー効率と再生可能エネルギーのオフィス、Vaccaのチームは、トラクターとプランターの特定の組み合わせに注目しました。どちらも、 ケースニューホランドインダストリアル、によって提供される油圧システムで ボッシュ・レックスロス. ビデオを見ます.
プランターの幅は40フィートで、16列の植栽があります。
「各列には、種子を植えるために連携して動作する複数の機械があります」と、博士号を取得したXiaofanGuo氏は述べています。 機械工学の学生。 「既存の植生を取り除くために、前にクリーニングホイールがあります。 カッティングディスクが地面の小さな溝を切り、モーターが実際に種子を地面に打ち込み、噴霧器が水と肥料を穴に供給し、最後のディスクが穴を覆います。 これらの植え付け列は16列あり、種子をうまく植えるためには特定の圧力が必要です。 そして、それらはすべて単一の油圧システムによって駆動されます。」
トラクターとプランターの組み合わせを最適化するという問題に取り組むために、VaccaのチームはXNUMX段階のアプローチを選択しました。 まず、研究者は油圧システムの特性を明らかにし、コンピューターでシミュレーションモデルを構築する必要がありました。
「これらのトラクターは高価で複雑な機械です」と博士号を取得したXinTian氏は述べています。 XNUMX年間でモデルを開発した学生。 「そこで、私たちは個々のコンポーネントをモデル化し、ここラボで静止状態でテストすることから始めました。 それらが正確である場合、コンポーネントモデルをシステムに結合し、システムをテストして、モデル全体が有効であることを確認できます。 モデルはとても大きくて複雑なので、私のチームはそれを「モンスター」と呼んでいます。」
モデルを検証した後、研究者はフェーズXNUMXに移行しました。テストできるソリューションの開発です。
「植栽条件が異なれば、必要な圧力と流量も異なります」とTian氏は述べています。 「モデルが電力と効率の有望な改善を示している場合、実際の条件下でこれらの変更を実装し始めることができます。」
XNUMX番目のフェーズ(実際のテスト)では、チームはトラクターとプランターのコンボに無数のセンサーを装備しました。
「トラクターがどれだけの電力を消費しているか、油圧ポンプが何をしているか、プランター全体の圧力と流量を知る必要があります」と、XNUMX年目の博士号を取得したジェイク・レンガッハーは述べています。 学生。 「その配線はすべて、キャブに設置した新しいデータ取得ボックスにつながるため、植え付けサイクル中に何が起こっているのかを完全に把握できます。」
チームのおかげで、Purdueには巨大なトラクターが歩き回る場所がたくさんあります。 ザ 農学部 Vaccaのチームに割り当てられたXNUMX分のXNUMXマイルの土地 畜産学研究教育センター ウェストラファイエットで。
「私たちはPurdueで非常に幸運です」とVaccaは言いました。 「マハには、制御された条件下でこれらの大型機械をテストできる多くのラボスペースがあります。 農業には、フィールド調査を実施できる農地もたくさんあります。」
また、このような大型トラクターを現場で操作したことのあるチームメンバーは誰もいなかったため、CaseNewHollandは運転方法を教えるトレーニングを提供しました。
「25,000馬力の435ポンドのトラクターの強力な力で、10,000ポンドのプランターを牽引します。これは驚くべきことです」とStump氏は述べています。 「しかし、特にプランターを操作するために、キャブではかなり多くのことが起こっています。 それは間違いなくXNUMX人の仕事なので、通常、ジェイクはキャブ内でラップトップのデータを監視しています。」
チームは2021年の春に数回の実行を行い、事前に決定されたさまざまなエンジン速度と植え付け速度でトウモロコシの種子を植えました。 データを調べてみると、彼らは新しい油圧制御システムが全体で25%の効率向上につながることを発見しました。
「典型的なトラクターが消費する燃料の量を考えると、それは大幅な改善です」とVacca氏は述べています。 「そしてこれはほんの始まりに過ぎません。 私たちのプロジェクトの目標は、油圧制御システム全体の効率をXNUMX倍にすることです。 将来的には、農業用車両ではこれまで試みられたことのない、制御ロジックの圧力制御アプローチを導入する予定です。」
「私たちのソリューションが機能していることを証明するデータを見たとき、私はとても幸せでした」と郭は言いました。 「私は都市で育ったので、このような農場に出かけることは私にとって非常にエキサイティングな経験です。 私の専門は制御システムなので、実世界で実験室の理論が試されているのを見るのはとても面白かったです。 流体動力は確立された分野ですが、物事をさらに改善するための新しいシステムや新しいアーキテクチャを提案する可能性はまだまだあります。」
切り株は、次のように述べています。 私は航空宇宙に行く計画がありました。 しかし、これらのトラクターの油圧は、飛行機やロケットと同じくらい複雑です。 流体力を深く掘り下げることは、私の将来のエンジニアリングに大きく当てはまります。」
ティアンは、次のように述べています。 私はこれらのモデルに多くの時間を費やしました、そして結果の改善を見るのは私にとって本当に幸せな瞬間でした。」
Vacca氏は、「生徒たちの懸命な努力を見て、アイデアが研究室から現場に伝わるのを目の当たりにすることは、私たちの仕事の本当に最高の部分です」と述べています。
– パデュー大学、Jared Pike