현대의 농업용 트랙터에는 최첨단 기술이 많이 포함되어 있어 최신 우주선과도 견줄 수 있습니다. 그러나 백엔드는 여전히 구식이며 주로 화석 연료에 의존합니다. 따라서 트랙터 효율성의 최적화는 환경에 큰 도움이 됩니다.
이를 염두에 두고 퍼듀 대학교 연구원들은 트랙터와 기계를 연결하는 유압 시스템을 최적화하기 위해 3.2만 달러의 에너지부 프로젝트를 착수했습니다.
"유체 동력은 어디에나 있습니다"라고 말했습니다. 안드레아 바카, Purdue의 Maha Fluid Power 교수진 의장, 의 교수 기계 공학 과 농업 및 생물 공학, 그리고 이사 마하유체전력연구소, 국내 최대 규모의 수력학 연구실. “비행기, 자동차 및 모든 종류의 중장비에 사용됩니다. 트랙터는 유체 동력을 사용하여 조향과 추진력에서 뒤쪽으로 당기는 도구에 동력을 공급하는 모든 것을 작동시키는 차량의 한 예입니다.”
그러나 기구에 전력을 공급하는 것은 문제로 판명되었습니다. 트랙터의 유압 제어 시스템은 파종기, 파종기 및 베일러와 같은 특정 도구의 유압 시스템에 연결될 때 20%의 효율성만 보였습니다.
"두 시스템이 거의 서로 싸우고 있는 제어 장치에 충돌이 있습니다."라고 Ph.D.인 Patrick Stump가 말했습니다. 기계공학과 학생. "결과적으로 트랙터가 화분에 연결되면 트랙터는 항상 매우 높은 출력으로 작동해야 하므로 연료가 낭비되고 배기 가스가 증가합니다."
이 연구에서는 미국 에너지부의 지원을 받아 에너지 효율 및 신 재생 에너지의 사무실, Vacca의 팀은 트랙터와 파종기의 특정 조합에 주의를 집중했습니다. 사례 New Holland Industrial, 유압 시스템 제공 보쉬 렉스 로스. 동영상보기.
파종기는 너비가 40피트이며 16개의 파종 행이 있습니다.
Ph.D.인 Xiaofan Guo는 "각 줄에는 씨앗을 심기 위해 함께 작동하는 여러 대의 기계가 있습니다."라고 말했습니다. 기계공학과 학생. “기존 초목을 제거하기 위한 청소 바퀴가 앞에 있습니다. 커팅 디스크는 땅에 있는 작은 도랑을 자르고, 모터는 실제로 씨앗을 땅에 박고, 분무기는 구멍에 물과 비료를 공급하고 마지막 디스크는 구멍을 덮습니다. 이 심기 줄 중 16개가 있으며 성공적으로 씨앗을 심기 위해서는 일정한 압력이 필요합니다. 그리고 모두 단일 유압 시스템으로 구동됩니다.”
트랙터-파종기 콤보를 최적화하는 문제를 해결하기 위해 Vacca 팀은 XNUMX단계 접근 방식을 선택했습니다. 첫째, 연구원들은 유압 시스템을 특성화하고 컴퓨터에서 시뮬레이션 모델을 구축해야 했습니다.
"이 트랙터는 비싸고 복잡한 기계입니다."라고 Ph.D.인 Xin Tian이 말했습니다. XNUMX년 동안 모델을 개발한 학생입니다. "그래서 우리는 개별 구성 요소를 모델링하고 여기 실험실의 고정 상태에서 테스트하는 것으로 시작했습니다. 이것이 정확하면 구성 요소 모델을 시스템으로 결합하고 시스템을 테스트하여 전체 모델이 유효한지 확인할 수 있습니다. 모델이 너무 크고 복잡해서 우리 팀에서는 '괴물!'이라고 부릅니다.”
모델을 검증한 후 연구원들은 테스트할 수 있는 솔루션 개발이라는 XNUMX단계로 이동했습니다.
"다른 심기 조건은 다른 양의 압력과 유속을 필요로 합니다."라고 Tian이 말했습니다. "모델이 전력 및 효율성에서 유망한 개선 사항을 보여 준다면 실제 조건에서 이러한 변경 사항을 구현하기 시작할 수 있습니다."
세 번째 단계인 실제 테스트를 위해 팀은 트랙터-파종기 콤보에 수많은 센서를 장착했습니다.
박사 XNUMX년차인 Jake Lengacher는 "트랙터가 얼마나 많은 전력을 소비하는지, 유압 펌프가 무엇을 하는지, 파종기 전체의 압력과 유량이 얼마인지 알아야 합니다."라고 말했습니다. 학생. "모든 배선은 운전실에 설치한 새로운 데이터 수집 상자로 연결되므로 심기 주기 동안 어떤 일이 일어나고 있는지에 대한 전체 그림을 볼 수 있습니다."
팀에게 고맙게도 퍼듀에는 거대한 트랙터가 돌아다닐 수 있는 장소가 많이 있습니다. 그만큼 농업대학 Vacca의 팀은 XNUMX분의 XNUMX마일의 땅을 동물 과학 연구 및 교육 센터 웨스트 라파예트에서.
Vacca는 “우리는 Purdue에서 매우 운이 좋았습니다. “Maha에는 통제된 조건에서 이러한 대형 기계를 테스트할 수 있는 많은 실험실 공간이 있습니다. 또한 농업에는 현장 조사를 수행할 수 있는 농장 부지가 많이 있습니다.”
그리고 팀원 중 누구도 현장에서 이렇게 큰 트랙터를 운전한 적이 없었기 때문에 Case New Holland는 그들에게 운전 방법을 가르치는 교육을 제공했습니다.
Stump는 "25,000마력의 435파운드 트랙터와 10,000파운드의 파종기를 견인하는 순전한 힘은 놀랍습니다."라고 말했습니다. “하지만 운전실에서 특히 화분을 작동하기 위해 많은 일이 일어나고 있습니다. 확실히 XNUMX인 작업이므로 일반적으로 Jake도 운전실에서 랩톱의 데이터를 모니터링합니다.”
팀은 2021년 봄에 여러 차례 실행하여 미리 결정된 다른 엔진 속도와 파종 속도로 옥수수 종자를 심었습니다. 데이터를 종합한 결과, 그들은 새로운 유압 제어 시스템이 전체 효율성을 25% 향상시키는 것으로 나타났습니다.
Vacca는 "일반적인 트랙터가 소비하는 연료의 양을 감안할 때 엄청난 개선입니다."라고 말했습니다. “그리고 이것은 시작에 불과합니다. 우리의 프로젝트 목표는 전체 유압 제어 시스템의 효율성을 두 배로 늘리는 것입니다. 앞으로 농업용 차량에서는 한 번도 시도한 적 없는 제어 로직에 대한 압력 제어 방식을 도입할 계획”이라고 말했다.
Guo는 "우리 솔루션이 효과가 있음을 입증하는 데이터를 보고 너무 기뻤습니다."라고 말했습니다. “저는 도시에서 자랐기 때문에 이런 농장에서 일하는 것은 저에게 매우 흥미로운 경험입니다. 제 전문은 제어 시스템입니다. 그래서 실험실에서 우리의 이론이 실제 세계에서 테스트되는 것을 보는 것은 매우 흥미로웠습니다. 유체 동력은 잘 정립된 분야이지만, 상황을 더 좋게 만들기 위해 새로운 시스템과 새로운 아키텍처를 제안할 가능성이 여전히 많습니다.”
Stump는 “박사 학위를 위해 트랙터를 운전해 농장을 가로질러 가게 될 줄은 상상도 못했습니다. 항공우주 분야에 진출할 계획이 있었습니다. 그러나 이 트랙터의 유압 장치는 비행기나 로켓만큼 복잡합니다. 유체 동력에 대해 더 깊이 파고드는 것은 엔지니어링 분야의 제 미래에 큰 도움이 되었습니다.”
Tian은 이렇게 말했습니다. “여기 퍼듀에서 보낸 시간의 하이라이트입니다. 이 모델에 많은 시간을 투자했고 결과가 개선되는 것을 보는 것은 저에게 정말 행복한 순간이었습니다."
Vacca는 "학생들이 열심히 일하는 모습을 보고 아이디어가 실험실에서 현장으로 전달되는 것을 지켜보는 것이 우리 일의 가장 좋은 부분입니다."라고 말했습니다.
- 자레드 파이크, 퍼듀 대학교