现代农用拖拉机拥有如此多的尖端技术,甚至可以与最新的航天器相媲美。但后端仍然是老式的,主要依赖化石燃料。因此,拖拉机效率的任何优化都是对环境的巨大胜利。
考虑到这一点,普渡大学的研究人员承担了一个耗资 3.2 万美元的能源部项目,以优化连接拖拉机和机具的液压系统。
“流体动力无处不在,”说 安德里亚·瓦卡,普渡大学玛哈流体动力学院主席、教授 机械工业 和 农业与生物工程, 和主任 玛哈流体动力研究中心,全国最大的学术水力学实验室。 “它用于飞机、汽车和各种重型设备。拖拉机是一种使用流体动力来驱动一切的车辆的例子,从转向和推进,到为其后面拉动的机具提供动力。”
但事实证明,为这些工具提供动力是一个问题。当拖拉机的液压控制系统连接到某些农具(如播种机、播种机和捞水机)的液压系统时,效率仅为 20%。
“控制上存在冲突,两个系统几乎在互相争斗,”博士帕特里克·斯图普(Patrick Stump)说。机械工程专业的学生。 “因此,当它连接到播种机时,拖拉机总是必须以极高的功率运行,这会浪费燃料并增加排放。”
这项研究由美国能源部资助 能源效率和可再生能源办公室,Vacca 团队将注意力集中在拖拉机和播种机的特定组合上,两者均由 凯斯纽荷兰工业,液压系统由 博世力士乐. 请参阅视频.
花盆宽 40 英尺,有 16 行种植。
“每行都有多台机器一起工作来播种种子,”博士郭晓凡说。机械工程专业的学生。 “前面有一个清洁轮,可以清除现有的植被。切割盘在地面上切出一条小沟,电机实际上将种子驱动到地下,喷雾器将水和肥料注入孔中,然后最后一个圆盘覆盖该孔。这些播种行有 16 行,需要特定的压力才能成功播种种子。所有这些都由一个液压系统提供动力。”
为了解决优化拖拉机播种机组合的问题,Vacca 的团队选择了三阶段方法。首先,研究人员需要表征液压系统并在计算机中建立仿真模型。
“这些拖拉机是昂贵且复杂的机器,”博士欣田说。学生在四年的时间里开发了这些模型。 “因此,我们首先对各个组件进行建模,并在实验室的固定条件下对其进行测试。当这些准确时,我们将组件模型组合到一个系统中并测试该系统,以便我们可以验证整个模型是否有效。该模型如此庞大和复杂,我的团队称其为“怪物!”
一旦验证了他们的模型,研究人员就进入第二阶段:开发可以测试的解决方案。
“不同的种植条件需要不同的压力和流量,”田说。 “如果该模型显示出在功率和效率方面有希望的改进,那么我们就可以开始在现实条件下实施这些变化。”
在第三阶段(实际测试)中,该团队为拖拉机播种机组合配备了无数传感器。
“我们需要知道拖拉机消耗了多少动力,液压泵在做什么,以及整个播种机的压力和流量是多少,”一年级博士生 Jake Lengacher 说。学生。 “所有接线都通向我们安装在驾驶室中的新数据采集盒,因此我们可以全面了解种植周期中发生的情况。”
值得庆幸的是,普渡大学有很多地方可以让巨型拖拉机行驶。这 农学院 给瓦卡的团队分配了四分之一英里的狭长地带 动物科学研究与教育中心 在西拉斐特。
“我们在普渡大学非常幸运,”瓦卡说。 “我们在 Maha 有很多实验室空间,我们可以在受控条件下测试这些大型机器;农业也有很多农田,我们可以在那里进行实地研究。”
由于团队成员都没有在田间操作过如此大型的拖拉机,凯斯·纽荷兰提供了培训,教他们如何驾驶。
“一台 25,000 磅重的拖拉机具有 435 马力,牵引着一台 10,000 磅重的播种机,其强大动力令人惊叹,”Stump 说。 “但是驾驶室里也有很多事情要做,特别是操作播种机。这绝对是一个两个人的工作,所以通常杰克也在驾驶室里用笔记本电脑监控数据。”
该团队在 2021 年春季进行了多次试验,以不同的预先确定的发动机转速和播种率播种玉米种子。梳理数据后,他们发现新的液压控制系统整体效率提高了 25%。
“考虑到典型拖拉机消耗的燃料量,这是一个巨大的进步,”瓦卡说。 “而这仅仅是开始。我们的项目目标是将整个液压控制系统的效率提高一倍。未来,我们计划在控制逻辑上采用压力控制方式,这在农用车上从未尝试过。”
“当我看到数据证明我们的解决方案有效时,我很高兴,”郭说。 “我在城市长大,所以来到这样的农场对我来说是一次非常令人兴奋的经历。我的专业是控制系统,所以看到我们在实验室中的理论在现实世界中得到检验是非常有趣的。流体动力是一个成熟的领域,但仍然有很大的潜力提出新系统和新架构,让事情变得更好。”
斯坦普说:“我从未想过我会驾驶拖拉机穿过农田攻读博士学位。我本来计划进入航空航天领域。但这些拖拉机上的液压系统与飞机或火箭一样复杂。深入研究流体动力对我在工程领域的未来非常有用。”
田说:“这无疑是我在普渡大学度过的最精彩的时光。我在这些模型上投入了很多时间,看到结果的改善对我来说真的是一个快乐的时刻。”
瓦卡说:“看到我们学生的辛勤工作,并见证一个想法从实验室走向实践,这确实是我们工作中最好的部分。”
– 贾里德·派克,普渡大学