I moderni trattori agricoli contengono una tecnologia così all’avanguardia da rivaleggiare anche con i più recenti veicoli spaziali. Ma il back-end è ancora vecchio stile, e si basa in gran parte sui combustibili fossili. Pertanto, qualsiasi ottimizzazione dell’efficienza del trattore rappresenta un enorme vantaggio per l’ambiente.
Con questo in mente, i ricercatori della Purdue University hanno intrapreso un progetto da 3.2 milioni di dollari del Dipartimento dell’Energia per ottimizzare i sistemi idraulici che collegano trattori e attrezzi.
“L’energia fluida è ovunque”, ha detto Andrea Vacca, Presidente della Maha Fluid Power Faculty di Purdue, professore di Ingegneria meccanica ed ingegneria agraria e biologica, e direttore del Centro di ricerca sulla potenza fluida Maha, il più grande laboratorio accademico di idraulica del paese. “Viene utilizzato negli aeroplani, nelle automobili e in tutti i tipi di attrezzature pesanti. Un trattore è un esempio di veicolo che utilizza la potenza dei fluidi per azionare tutto, dallo sterzo e dalla propulsione, fino all’azionamento degli attrezzi che trascina dietro di sé”.
Ma alimentare gli attrezzi si è rivelato un problema. Il sistema di controllo idraulico del trattore ha mostrato un'efficienza solo del 20% quando è collegato ai sistemi idraulici di alcuni attrezzi come seminatrici, seminatrici e raccoglitrici.
"C'è un conflitto nei controlli, in cui i due sistemi sono quasi in lotta tra loro", ha detto Patrick Stump, Ph.D. studente in ingegneria meccanica. "Di conseguenza, quando è collegato a una seminatrice, il trattore deve sempre funzionare a una potenza estremamente elevata, il che spreca carburante e aumenta le emissioni."
In questo studio, finanziato attraverso il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti Ufficio di efficienza energetica e le energie rinnovabili, il team di Vacca ha concentrato la propria attenzione su una combinazione specifica di trattore e seminatrice, entrambi forniti da Caso New Holland Industrial, con impianti idraulici forniti da Bosch Rexroth. Guarda il video.
La fioriera è larga 40 piedi, con 16 file di semina.
"Ogni fila ha più macchine che lavorano insieme per piantare il seme", ha detto Xiaofan Guo, Ph.D. studente in ingegneria meccanica. “Davanti c'è una ruota per la pulizia per rimuovere la vegetazione esistente. Un disco da taglio taglia un piccolo fossato nel terreno, un motore spinge i semi nel terreno, uno spruzzatore fornisce acqua e fertilizzante nel buco e poi un disco finale copre il buco. Ci sono 16 di queste file di semina, che necessitano di quantità specifiche di pressione per piantare con successo i semi. E sono tutti alimentati da un unico sistema idraulico”.
Per affrontare il problema dell'ottimizzazione della combinazione trattore-piantatrice, il team di Vacca ha scelto un approccio in tre fasi. Innanzitutto, i ricercatori dovevano caratterizzare il sistema idraulico e costruire un modello di simulazione al computer.
"Questi trattori sono macchine costose e complesse", ha affermato Xin Tian, Ph.D. studente che ha sviluppato i modelli in un arco di quattro anni. “Così abbiamo iniziato modellando i singoli componenti e testandoli in condizioni stazionarie qui in laboratorio. Quando questi sono accurati, combiniamo i modelli dei componenti in un sistema e testiamo il sistema in modo da poter verificare che l'intero modello sia valido. Il modello è così grande e complesso che il mio team lo chiama 'Il Mostro!'”
Una volta convalidato il modello, i ricercatori sono passati alla fase due: sviluppare soluzioni da testare.
"Diverse condizioni di impianto richiedono diverse quantità di pressione e portata", ha affermato Tian. “Se il modello mostra miglioramenti promettenti in termini di potenza ed efficienza, allora possiamo iniziare a implementare questi cambiamenti in condizioni reali”.
Per la terza fase, ovvero i test nel mondo reale, il team ha dotato la combinazione trattore-piantatrice di una miriade di sensori.
"Dobbiamo sapere quanta energia consuma il trattore, cosa stanno facendo le pompe idrauliche e quali sono la pressione e la portata in tutta la seminatrice", ha affermato Jake Lengacher, un dottorato di ricerca al primo anno. alunno. "Tutto questo cablaggio porta a una nuova scatola di acquisizione dati che abbiamo installato nella cabina, così abbiamo un quadro completo di ciò che accade durante un ciclo di semina."
Fortunatamente per la squadra, Purdue ha molti posti dove i trattori giganti possono vagare. IL College of Agriculture assegnò alla squadra di Vacca una striscia di terra di un quarto di miglio Centro di ricerca e formazione in scienze animali a West Lafayette.
"Siamo molto fortunati a Purdue", ha detto Vacca. “Abbiamo molto spazio nel laboratorio a Maha dove possiamo testare queste grandi macchine in condizioni controllate; e l’agricoltura dispone anche di numerosi appezzamenti agricoli in cui possiamo condurre ricerche sul campo”.
E poiché nessuno dei membri del team aveva mai utilizzato un trattore così grande sul campo, Case New Holland ha organizzato un corso di formazione per insegnare loro a guidare.
"La pura potenza di un trattore da 25,000 libbre con 435 cavalli, che traina una piantatrice da 10,000 libbre: è incredibile", ha detto Stump. “Ma anche nella cabina c'è molto da fare, soprattutto per azionare la seminatrice. È sicuramente un lavoro per due persone, quindi di solito anche Jake è in cabina a monitorare i dati su un laptop."
Il team ha condotto diverse corse nella primavera del 2021, piantando semi di mais a diversi regimi del motore e velocità di semina predeterminati. Analizzando i dati, hanno scoperto che i loro nuovi sistemi di controllo idraulico si sono tradotti in un aumento complessivo dell’efficienza del 25%.
"Data la quantità di carburante consumata da un tipico trattore, si tratta di un enorme miglioramento", ha affermato Vacca. "E questo è solo l'inizio. L’obiettivo del nostro progetto è raddoppiare l’efficienza dell’intero sistema di controllo idraulico. In futuro, prevediamo di istituire un approccio di controllo della pressione per la logica di controllo, che non è mai stato tentato nei veicoli agricoli”.
"Quando ho visto i dati che dimostravano che la nostra soluzione funzionava, ero così felice", ha detto Guo. “Sono cresciuto in una città, quindi essere in una fattoria come questa è un’esperienza piuttosto emozionante per me. La mia specialità sono i sistemi di controllo, quindi è stato molto interessante vedere le nostre teorie in laboratorio essere messe alla prova nel mondo reale. L’energia fluida è un campo ben consolidato, ma c’è ancora tanto potenziale per proporre nuovi sistemi e nuove architetture per rendere le cose ancora migliori”.
Stump ha detto: “Non avrei mai immaginato che avrei guidato un trattore in un campo agricolo per il mio dottorato. Avevo intenzione di dedicarmi al settore aerospaziale. Ma l’impianto idraulico di questi trattori è altrettanto complesso quanto quello di un aereo o di un razzo. Immergermi profondamente nell’energia fluida è stato estremamente applicabile al mio futuro in ingegneria.”
Tian ha detto: “È sicuramente il momento più bello della mia permanenza qui a Purdue. Ho dedicato tantissimo tempo a questi modelli e vedere il miglioramento dei risultati è stato davvero un momento felice per me.”
Vacca ha affermato: "Vedere il duro lavoro dei nostri studenti e testimoniare il passaggio di un'idea dal laboratorio al campo: questa è davvero la parte migliore del nostro lavoro".
- Jared Pike, Purdue University