現代農用拖拉機擁有如此多的尖端技術,甚至可以與最新的太空船相媲美。但後端仍然是老式的,主要依賴化石燃料。因此,拖拉機效率的任何最佳化都是對環境的巨大勝利。
考慮到這一點,普渡大學的研究人員承擔了一個耗資 3.2 萬美元的能源部項目,以優化連接拖拉機和機具的液壓系統。
「流體動力無處不在,」說 安德里亞·瓦卡,普渡大學瑪哈流體力學學院主席、教授 機械工程 和 農業和生物工程,以及主任 瑪哈流體動力研究中心,全國最大的學術水力學實驗室。 「它用於飛機、汽車和各種重型設備。拖拉機是一種使用流體動力來驅動一切的車輛的例子,從轉向和推進,到為其後面拉動的機具提供動力。”
但事實證明,為這些工具提供動力是一個問題。當曳引機的液壓控制系統連接到某些農具(如播種機、播種機和撈水機)的液壓系統時,效率僅為 20%。
「控制上存在衝突,兩個系統幾乎在互相爭鬥,」博士帕特里克·斯圖普(Patrick Stump)說。機械工程專業的學生。 “因此,當它連接到播種機時,拖拉機總是必須以極高的功率運行,這會浪費燃料並增加排放。”
這項研究由美國能源部資助 能源效率和可再生能源辦公室,Vacca 團隊將注意力集中在拖拉機和播種機的特定組合上,兩者均由 凱斯紐荷蘭工業,液壓系統由 博世力士樂. 看視頻.
花盆寬 40 英尺,有 16 行種植。
「每一行都有多台機器一起工作來播種種子,」博士郭曉凡說。機械工程專業的學生。 「前面有一個清潔輪,可以清除現有的植被。切割盤在地面上切出一條小溝,馬達實際上將種子驅動到地下,噴霧器將水和肥料注入孔中,然後最後一個圓盤覆蓋該孔。這些種植行有 16 行,需要特定的壓力才能成功種植種子。所有這些都由一個液壓系統提供動力。”
為了解決優化拖拉機播種機組合的問題,Vacca 的團隊選擇了三階段方法。首先,研究人員需要表徵液壓系統並在電腦中建立模擬模型。
「這些拖拉機是昂貴且複雜的機器,」博士欣田說。學生在四年的時間裡發展了這些模型。 「因此,我們首先對各個組件進行建模,並在實驗室的靜態條件下對其進行測試。當這些準確時,我們將組件模型組合到一個系統中並測試該系統,以便我們可以驗證整個模型是否有效。該模型如此龐大和複雜,我的團隊稱其為“怪物!”
一旦驗證了他們的模型,研究人員就進入第二階段:開發可以測試的解決方案。
「不同的種植條件需要不同的壓力和流量,」田說。 “如果該模型顯示出在功率和效率方面有希望的改進,那麼我們就可以開始在現實條件下實施這些變化。”
在第三階段(實際測試)中,團隊為拖拉機播種機組合配備了無數感測器。
「我們需要知道拖拉機消耗了多少動力,液壓泵在做什麼,以及整個播種機的壓力和流量是多少,」一年級博士生 Jake Lengacher 說。學生。 “所有接線都通往我們安裝在駕駛室中的新數據採集盒,因此我們可以全面了解種植週期中發生的情況。”
值得慶幸的是,普渡大學有很多地方可以讓巨型拖拉機行駛。這 農學院 給瓦卡的團隊分配了四分之一英里的狹長地帶 動物科學研究與教育中心 在西拉法葉。
「我們在普渡大學非常幸運,」瓦卡說。 「我們在 Maha 有很多實驗室空間,我們可以在受控條件下測試這些大型機器;農業也有很多農田,我們可以在那裡進行實地研究。”
由於團隊成員都沒有在田間操作過如此大型的拖拉機,凱斯·紐荷蘭提供了培訓,教他們如何駕駛。
「一台 25,000 磅重的拖拉機具有 435 匹馬力,牽引著一台 10,000 磅重的播種機,其強大動力令人驚嘆,」Stump 說。 「但是駕駛室裡也有很多事情要做,特別是操作播種機。這絕對是一個兩個人的工作,所以通常傑克也在駕駛室裡用筆記型電腦監控數據。”
該團隊在 2021 年春季進行了多次試驗,以不同的預先確定的引擎轉速和播種率播種玉米種子。梳理數據後,他們發現新的液壓控制系統整體效率提高了 25%。
「考慮到典型拖拉機消耗的燃料量,這是一個巨大的進步,」瓦卡說。 「而這僅僅是開始。我們的專案目標是將整個液壓控制系統的效率提高一倍。未來,我們計劃在控制邏輯上採用壓力控制方式,這在農用車上從未嘗試過。”
「當我看到數據證明我們的解決方案有效時,我很高興,」郭說。 「我在城市長大,所以來到這樣的農場對我來說是一次非常令人興奮的經歷。我的專業是控制系統,所以看到我們在實驗室中的理論在現實世界中被檢驗是非常有趣的。流體動力是一個成熟的領域,但仍然有很大的潛力提出新系統和新架構,讓事情變得更好。”
史坦普說:「我從未想過我會駕駛拖拉機穿過農地攻讀博士學位。我本來計劃進入航空航太領域。但這些拖拉機上的液壓系統與飛機或火箭一樣複雜。深入研究流體動力對我在工程領域的未來非常有用。”
田說:「這無疑是我在普渡大學度過的最精彩的時光。我在這些模型上投入了很多時間,看到結果的改善對我來說真的是一個快樂的時刻。”
瓦卡說:“看到我們學生的辛勤工作,並見證一個想法從實驗室走向實踐,這確實是我們工作中最好的部分。”
- 賈里德‧派克,普渡大學