Moderne landwirtschaftliche Traktoren enthalten so viel Spitzentechnologie, dass sie sogar mit den neuesten Raumfahrzeugen mithalten können. Aber das Backend ist immer noch Old-School und stützt sich weitgehend auf fossile Brennstoffe. Daher ist jede Optimierung der Traktoreffizienz ein großer Gewinn für die Umwelt.
Vor diesem Hintergrund haben Forscher der Purdue University ein 3.2-Millionen-Dollar-Projekt des Energieministeriums durchgeführt, um die Hydrauliksysteme zu optimieren, die Traktoren und Geräte verbinden.
„Fluidenergie ist überall“, sagte er Andrea Vacca, Purdues Maha Fluid Power Faculty Chair, Professor für Maschinenbau und Agrar- und Biotechnik, und Direktor der Maha Fluid Power Forschungszentrum, das größte akademische Hydrauliklabor des Landes. „Es wird in Flugzeugen, in Autos und in allen Arten von schwerem Gerät verwendet. Ein Traktor ist ein Beispiel für ein Fahrzeug, das Fluidkraft nutzt, um alles zu betätigen, von der Lenkung und dem Antrieb bis hin zum Antrieb der dahinter gezogenen Geräte.“
Aber der Antrieb der Anbaugeräte hat sich als Problem erwiesen. Das Hydrauliksteuersystem des Traktors hat nur einen Wirkungsgrad von 20 % gezeigt, wenn es an die Hydrauliksysteme bestimmter Geräte wie Pflanzmaschinen, Sämaschinen und Schöpflöffel angeschlossen ist.
„Es gibt einen Konflikt bei den Steuerungen, bei dem die beiden Systeme fast miteinander kämpfen“, sagte Patrick Stump, ein Ph.D. Student im Maschinenbau. „Infolgedessen muss der Traktor, wenn er an eine Sämaschine angeschlossen ist, immer mit extrem hoher Leistung laufen, was Kraftstoff verschwendet und die Emissionen erhöht.“
In dieser Studie, finanziert durch das US-Energieministerium Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien, konzentrierte Vaccas Team seine Aufmerksamkeit auf eine bestimmte Kombination aus Traktor und Pflanzmaschine, die beide von bereitgestellt wurden Gehäuse New Holland Industrial, mit hydraulischen Systemen bereitgestellt von Bosch Rexroth. Video starten.
Der Pflanzer ist 40 Fuß breit, mit 16 Pflanzreihen.
„In jeder Reihe arbeiten mehrere Maschinen zusammen, um den Samen zu pflanzen“, sagte Xiaofan Guo, Ph.D. Student im Maschinenbau. „Vorne befindet sich ein Reinigungsrad, um vorhandene Vegetation zu entfernen. Eine Schneidscheibe schneidet einen winzigen Graben in den Boden, ein Motor treibt die Samen tatsächlich in den Boden, ein Sprühgerät speist Wasser und Dünger in das Loch und dann deckt eine letzte Scheibe das Loch ab. Es gibt 16 dieser Pflanzreihen, die einen bestimmten Druck benötigen, um die Samen erfolgreich zu pflanzen. Und alle werden von einem einzigen Hydrauliksystem angetrieben.“
Um das Problem der Optimierung der Traktor-Sämaschine-Kombination anzugehen, entschied sich das Team von Vacca für einen dreiphasigen Ansatz. Zunächst mussten die Forscher das hydraulische System charakterisieren und ein Simulationsmodell im Computer aufbauen.
„Diese Traktoren sind teure und komplexe Maschinen“, sagte Xin Tian, ein Ph.D. Student, der die Modelle über einen Zeitraum von vier Jahren entwickelt hat. „Also haben wir zunächst einzelne Komponenten modelliert und hier im Labor im stationären Zustand getestet. Wenn diese genau sind, kombinieren wir die Komponentenmodelle zu einem System – und testen das System –, damit wir überprüfen können, ob das gesamte Modell gültig ist. Das Modell ist so groß und komplex, mein Team nennt es ‚Das Monster!‘“
Nachdem sie ihr Modell validiert hatten, gingen die Forscher zu Phase zwei über: der Entwicklung von Lösungen, die sie testen konnten.
„Unterschiedliche Pflanzbedingungen erfordern unterschiedliche Mengen an Druck und Durchfluss“, sagte Tian. „Wenn das Modell vielversprechende Verbesserungen bei Leistung und Effizienz zeigt, können wir damit beginnen, diese Änderungen unter realen Bedingungen umzusetzen.“
Für die dritte Phase – reale Tests – rüstete das Team die Traktor-Pflanzmaschinen-Kombination mit unzähligen Sensoren aus.
„Wir müssen wissen, wie viel Strom der Traktor verbraucht, was die Hydraulikpumpen tun und wie der Druck und die Durchflussraten in der Sämaschine sind“, sagte Jake Lengacher, ein Doktorand im ersten Jahr. Schüler. „Alle diese Kabel führen zu einer neuen Datenerfassungsbox, die wir in der Kabine installiert haben, sodass wir ein vollständiges Bild davon haben, was während eines Pflanzzyklus vor sich geht.“
Zum Glück für das Team hat Purdue viele Orte, an denen riesige Traktoren herumlaufen können. Das Hochschule für Landwirtschaft teilte Vaccas Team einen viertel Meilen langen Landstreifen zu Tierwissenschaftliches Forschungs- und Bildungszentrum in West-Lafayette.
„Wir haben großes Glück bei Purdue“, sagte Vacca. „Wir haben bei Maha viel Laborfläche, wo wir diese großen Maschinen unter kontrollierten Bedingungen testen können; und die Landwirtschaft hat auch viele landwirtschaftliche Parzellen, auf denen wir Feldforschung betreiben können.“
Und da keines der Teammitglieder jemals einen so großen Traktor auf dem Feld gefahren hatte, bot Case New Holland Schulungen an, um ihnen das Fahren beizubringen.
„Die schiere Kraft eines 25,000-Pfund-Traktors mit 435 PS, der eine 10,000-Pfund-Pflanzmaschine zieht – es ist erstaunlich“, sagte Stump. „Aber auch in der Kabine tut sich einiges, vor allem um die Sämaschine zu bedienen. Es ist definitiv ein Zwei-Mann-Job, also ist Jake normalerweise auch in der Kabine und überwacht die Daten auf einem Laptop.“
Das Team führte im Frühjahr 2021 mehrere Läufe durch, bei denen es Maissamen mit unterschiedlichen vordefinierten Motordrehzahlen und Aussaatraten aussäte. Beim Durchforsten der Daten stellten sie fest, dass ihre neuen hydraulischen Steuerungssysteme zu einer Effizienzsteigerung von insgesamt 25 % führten.
„Angesichts der Menge an Kraftstoff, die ein typischer Traktor verbraucht, ist das eine enorme Verbesserung“, sagte Vacca. „Und das ist erst der Anfang. Unser Projektziel ist die Verdopplung des Wirkungsgrades der hydraulischen Gesamtsteuerung. Für die Zukunft planen wir die Einführung eines Druckregelungsansatzes für die Steuerlogik, der bei landwirtschaftlichen Fahrzeugen noch nie versucht wurde.“
„Als ich die Daten sah, die bewiesen, dass unsere Lösung funktioniert, war ich so glücklich“, sagte Guo. „Ich bin in einer Stadt aufgewachsen, daher ist es für mich eine ziemlich aufregende Erfahrung, auf einem Bauernhof wie diesem zu sein. Mein Spezialgebiet sind Steuerungssysteme, daher war es so interessant zu sehen, wie unsere Theorien im Labor in der realen Welt auf die Probe gestellt wurden. Die Fluidtechnik ist ein gut etabliertes Gebiet, aber es gibt noch so viel Potenzial, neue Systeme und neue Architekturen vorzuschlagen, um die Dinge noch besser zu machen.“
Stump sagte: „Ich hätte nie gedacht, dass ich für meine Doktorarbeit einen Traktor durch ein Feld fahren würde. Ich hatte Pläne, in die Luft- und Raumfahrt zu gehen. Aber die Hydraulik dieser Traktoren ist genauso komplex wie ein Flugzeug oder eine Rakete. Das tiefe Eintauchen in die Fluidtechnik war für meine Zukunft im Ingenieurwesen von großem Nutzen.“
Tian sagte: „Das ist sicherlich der Höhepunkt meiner Zeit hier bei Purdue. Ich habe so viel Zeit in diese Modelle investiert, und die Verbesserung der Ergebnisse zu sehen, war wirklich ein glücklicher Moment für mich.“
Vacca sagte: „Die harte Arbeit unserer Studenten zu sehen – und mitzuerleben, wie eine Idee vom Labor in die Praxis gelangt – das ist wirklich das Beste an unserer Arbeit.“
- Jared Pike, Purdue-Universität