Moderne landbouwtrekkers bevatten zoveel geavanceerde technologie dat ze zelfs met de nieuwste ruimtevaartuigen kunnen wedijveren. Maar de achterkant is nog steeds ouderwets en leunt grotendeels op fossiele brandstoffen. Elke optimalisatie van de tractorefficiëntie is dus een enorme winst voor het milieu.
Met dit in gedachten hebben onderzoekers van Purdue University een Department of Energy-project van $ 3.2 miljoen ondernomen om de hydraulische systemen te optimaliseren die tractoren en werktuigen met elkaar verbinden.
“Vloeiende kracht is overal”, zei hij Andrea Vacca, Purdue's Maha Fluid Power Faculteitvoorzitter, hoogleraar machinebouw en landbouw- en biologische techniek, en directeur van de Maha Fluid Power-onderzoekscentrum, het grootste academische hydraulieklaboratorium van het land. “Het wordt gebruikt in vliegtuigen, in auto’s en in allerlei soorten zwaar materieel. Een tractor is een voorbeeld van een voertuig dat vloeiende kracht gebruikt om alles te bedienen, van de besturing en voortstuwing tot het aandrijven van de werktuigen die het achter zich aan trekt.”
Maar het aandrijven van de werktuigen blijkt een probleem te zijn. Het hydraulische besturingssysteem van de tractor heeft slechts 20% efficiëntie getoond wanneer het is aangesloten op de hydraulische systemen van bepaalde werktuigen zoals plantmachines, zaaimachines en hoosmachines.
"Er is een conflict in de besturing, waarbij de twee systemen bijna met elkaar in gevecht zijn", zegt Patrick Stump, een Ph.D. student werktuigbouwkunde. “Het resultaat is dat de tractor, wanneer hij aan een zaaimachine is gekoppeld, altijd op extreem hoog vermogen moet draaien, wat brandstof verspilt en de uitstoot verhoogt.”
In deze studie werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie Bureau van energie-efficiëntie en hernieuwbare energie, richtte het team van Vacca zijn aandacht op een specifieke combinatie van tractor en planter, beide geleverd door Geval New Holland Industrieel, met hydraulische systemen geleverd door Bosch Rexroth. Bekijk de video.
De plantenbak is 40 meter breed en heeft 16 plantrijen.
“Elke rij heeft meerdere machines die samenwerken om het zaad te planten”, zegt Xiaofan Guo, een Ph.D. student werktuigbouwkunde. “Vooraan zit een schoonmaakwiel om bestaande begroeiing te verwijderen. Een maaischijf snijdt een klein slootje in de grond, een motor drijft de zaden daadwerkelijk de grond in, een sproeier voert water en kunstmest in het gat en vervolgens bedekt een laatste schijf het gat. Er zijn 16 van deze plantrijen, die een specifieke hoeveelheid druk nodig hebben om de zaden succesvol te planten. En ze worden allemaal aangedreven door één enkel hydraulisch systeem.”
Om het probleem van het optimaliseren van de combinatie van tractor en planter aan te pakken, koos het team van Vacca voor een aanpak in drie fasen. Eerst moesten de onderzoekers het hydraulische systeem karakteriseren en een simulatiemodel in de computer bouwen.
“Deze tractoren zijn dure en complexe machines”, zegt Xin Tian, een Ph.D. student die de modellen gedurende een periode van vier jaar ontwikkelde. “Dus zijn we begonnen met het modelleren van individuele componenten en deze hier in het laboratorium stationair getest. Als deze kloppen, combineren we de componentmodellen tot een systeem – en testen we het systeem – zodat we kunnen verifiëren dat het hele model geldig is. Het model is zo groot en complex dat mijn team het ‘The Monster!’ noemt.”
Nadat ze hun model hadden gevalideerd, gingen de onderzoekers over naar fase twee: het ontwikkelen van oplossingen die ze konden testen.
"Verschillende plantomstandigheden vereisen verschillende hoeveelheden druk en stroomsnelheid", zei Tian. “Als het model veelbelovende verbeteringen in vermogen en efficiëntie laat zien, kunnen we deze veranderingen onder reële omstandigheden gaan implementeren.”
Voor de derde fase – tests in de echte wereld – rustte het team de combinatie van tractor en planter uit met een groot aantal sensoren.
“We moeten weten hoeveel vermogen de tractor verbruikt, wat de hydraulische pompen doen en wat de druk en debieten in de hele planter zijn”, zegt Jake Lengacher, een eerstejaars Ph.D. student. “Al die bedrading leidt naar een nieuwe data-acquisitiekast die we in de cabine hebben geïnstalleerd, zodat we een volledig beeld hebben van wat er gebeurt tijdens een plantcyclus.”
Gelukkig voor het team heeft Purdue voldoende plekken waar gigantische tractoren kunnen rondlopen. De College van landbouw gaf het team van Vacca een strook land van een kwart mijl bij de Onderzoeks- en onderwijscentrum voor dierwetenschappen in West-Lafayette.
"We hebben veel geluk bij Purdue", zei Vacca. “We hebben bij Maha veel laboratoriumruimte waar we deze grote machines onder gecontroleerde omstandigheden kunnen testen; en Landbouw heeft ook veel landbouwpercelen waar we veldonderzoek kunnen doen.’
En aangezien geen van de teamleden ooit zo'n grote tractor in het veld had bestuurd, gaf Case New Holland een training om hen te leren autorijden.
"De enorme kracht van een tractor van 25,000 pond met 435 pk, die een plantmachine van 10,000 pond trekt, is verbazingwekkend", zei Stump. “Maar er gebeurt ook nogal wat in de cabine, vooral om de pootmachine te bedienen. Het is absoluut een tweemansbaan, dus meestal zit Jake ook in de cabine de gegevens op een laptop te controleren.”
Het team voerde in het voorjaar van 2021 verschillende runs uit, waarbij ze maïszaden plantten met verschillende vooraf bepaalde motortoerentallen en plantsnelheden. Toen ze de gegevens doornamen, ontdekten ze dat hun nieuwe hydraulische besturingssystemen zich vertaalden in een algehele efficiëntieverbetering van 25%.
“Gezien de hoeveelheid brandstof die een typische tractor verbruikt, is dat een enorme verbetering”, aldus Vacca. “En dit is nog maar het begin. Ons projectdoel is om de efficiëntie van het totale hydraulische besturingssysteem te verdubbelen. In de toekomst zijn we van plan een drukcontrolebenadering voor de besturingslogica in te voeren, iets wat nog nooit is geprobeerd bij landbouwvoertuigen.”
“Toen ik de gegevens zag waaruit bleek dat onze oplossing werkte, was ik zo blij”, zei Guo. “Ik ben opgegroeid in een stad, dus op een boerderij als deze zijn is voor mij een behoorlijk opwindende ervaring. Mijn specialiteit is besturingssystemen, dus het was zo interessant om te zien hoe onze theorieën in het laboratorium in de echte wereld op de proef werden gesteld. Fluid power is een goed ingeburgerd vakgebied, maar er is nog steeds zoveel potentieel om nieuwe systemen en nieuwe architecturen voor te stellen om de zaken nog beter te maken.”
Stump zei: ‘Ik had nooit gedacht dat ik voor mijn doctoraat met een tractor door een akker zou rijden. Ik had plannen om de ruimtevaart in te gaan. Maar de hydraulica van deze tractoren is net zo complex als die van een vliegtuig of een raket. Diep duiken in de vloeistofkracht is enorm van toepassing geweest op mijn toekomst in de techniek.”
Tian zei: 'Het is zeker het hoogtepunt van mijn tijd hier bij Purdue. Ik heb zoveel tijd in deze modellen gestoken en het was echt een gelukkig moment voor mij om de verbetering van de resultaten te zien.”
Vacca zei: “Het harde werk van onze studenten zien – en getuige zijn van een idee dat van het laboratorium naar het veld komt – dat is echt het beste deel van ons werk.”
- Jared Pike, Purdue-universiteit