Los tractores agrícolas modernos contienen tanta tecnología de punta que rivalizan incluso con las últimas naves espaciales. Pero el back-end sigue siendo de la vieja escuela y depende en gran medida de los combustibles fósiles. Por lo tanto, cualquier optimización en la eficiencia del tractor es una gran victoria para el medio ambiente.
Con esto en mente, los investigadores de la Universidad de Purdue han emprendido un proyecto del Departamento de Energía de $3.2 millones para optimizar los sistemas hidráulicos que conectan tractores e implementos.
“La energía fluida está en todas partes”, dijo andrea vaca, presidente de la facultad Maha Fluid Power de Purdue, profesor de Ingeniería mecánica y ingenieria agricola y biologica, y director de la Centro de investigación Maha Fluid Power, el laboratorio académico de hidráulica más grande del país. “Se usa en aviones, en automóviles y en todo tipo de equipo pesado. Un tractor es un ejemplo de un vehículo que usa potencia fluida para accionar todo, desde la dirección y la propulsión, hasta impulsar los implementos que arrastra”.
Pero alimentar los implementos ha demostrado ser un problema. El sistema de control hidráulico del tractor ha mostrado solo un 20% de eficiencia cuando se conecta a los sistemas hidráulicos de ciertos implementos como sembradoras, sembradoras y achicadoras.
“Hay un conflicto en los controles, donde los dos sistemas casi luchan entre sí”, dijo Patrick Stump, Ph.D. estudiante de ingeniería mecánica. “Como resultado, cuando está conectado a una sembradora, el tractor siempre tiene que funcionar a una potencia extremadamente alta, lo que desperdicia combustible y aumenta las emisiones”.
En este estudio, financiado a través del Departamento de Energía de EE. Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable, el equipo de Vacca centró su atención en una combinación específica de tractor y sembradora, ambos proporcionados por Caso New Holland Industrial, con sistemas hidráulicos proporcionados por Bosch Rexroth. Ver vídeo.
La sembradora mide 40 pies de ancho, con 16 hileras de siembra.
“Cada fila tiene varias máquinas que trabajan juntas para plantar la semilla”, dijo Xiaofan Guo, Ph.D. estudiante de ingeniería mecánica. “Hay una rueda de limpieza en el frente para eliminar la vegetación existente. Un disco de corte corta una pequeña zanja en el suelo, un motor en realidad conduce las semillas al suelo, un rociador alimenta el agujero con agua y fertilizante y luego un disco final cubre el agujero. Hay 16 de estas filas de plantación, que necesitan cantidades específicas de presión para plantar con éxito las semillas. Y todos ellos están alimentados por un solo sistema hidráulico”.
Para abordar el problema de optimizar la combinación de tractor y sembradora, el equipo de Vacca eligió un enfoque de tres fases. Primero, los investigadores necesitaban caracterizar el sistema hidráulico y construir un modelo de simulación en la computadora.
“Estos tractores son máquinas costosas y complejas”, dijo Xin Tian, Ph.D. estudiante que desarrolló los modelos durante un lapso de cuatro años. “Así que comenzamos modelando componentes individuales y probándolos en una condición estacionaria aquí en el laboratorio. Cuando son precisos, combinamos los modelos de componentes en un sistema, y probamos el sistema, para que podamos verificar que todo el modelo es válido. El modelo es tan grande y complejo que mi equipo lo llama '¡El Monstruo!'”
Una vez que validaron su modelo, los investigadores pasaron a la fase dos: desarrollar soluciones que pudieran probar.
“Diferentes condiciones de plantación requieren diferentes cantidades de presión y velocidad de flujo”, dijo Tian. “Si el modelo muestra mejoras prometedoras en potencia y eficiencia, entonces podemos comenzar a implementar estos cambios en condiciones del mundo real”.
Para la tercera fase, pruebas en el mundo real, el equipo equipó la combinación de tractor y sembradora con una miríada de sensores.
“Necesitamos saber cuánta energía está consumiendo el tractor, qué están haciendo las bombas hidráulicas y cuáles son las tasas de presión y flujo en toda la sembradora”, dijo Jake Lengacher, Ph.D. de primer año. alumno. “Todo ese cableado conduce a una nueva caja de adquisición de datos que instalamos en la cabina, por lo que tenemos una imagen completa de lo que sucede durante un ciclo de plantación”.
Afortunadamente para el equipo, Purdue tiene muchos lugares para que los tractores gigantes deambulen. los Colegio de agricultura le asignó al equipo de Vacca una franja de tierra de un cuarto de milla en el Centro de Investigación y Educación en Ciencias Animales en West Lafayette.
“Somos muy afortunados en Purdue”, dijo Vacca. “Tenemos mucho espacio de laboratorio en Maha donde podemos probar estas grandes máquinas en condiciones controladas; y Agricultura también tiene muchas parcelas agrícolas donde podemos realizar investigaciones de campo”.
Y dado que ninguno de los miembros del equipo había operado nunca un tractor tan grande en el campo, Case New Holland les brindó capacitación para enseñarles a conducir.
“La pura potencia de un tractor de 25,000 libras con 435 caballos de fuerza, remolcando una sembradora de 10,000 libras, es increíble”, dijo Stump. “Pero también hay mucho que hacer en la cabina, especialmente para operar la sembradora. Definitivamente es un trabajo de dos personas, por lo que normalmente Jake también está en la cabina monitoreando los datos en una computadora portátil”.
El equipo realizó varias carreras en la primavera de 2021, donde plantaron semillas de maíz a diferentes velocidades de motor y tasas de siembra predeterminadas. Al analizar los datos, descubrieron que sus nuevos sistemas de control hidráulico se tradujeron en un aumento general de la eficiencia del 25 %.
“Dada la cantidad de combustible que consume un tractor típico, es una gran mejora”, dijo Vacca. "Y esto es solo el comienzo. El objetivo de nuestro proyecto es duplicar la eficiencia del sistema de control hidráulico general. En el futuro, planeamos instituir un enfoque de control de presión para la lógica de control, que nunca se ha intentado en vehículos agrícolas”.
“Cuando vi los datos que demostraron que nuestra solución funcionó, me sentí muy feliz”, dijo Guo. “Crecí en una ciudad, por lo que estar en una granja como esta es una experiencia muy emocionante para mí. Mi especialidad son los sistemas de control, por lo que fue muy interesante ver cómo nuestras teorías en el laboratorio se ponían a prueba en el mundo real. La energía fluida es un campo bien establecido, pero todavía hay mucho potencial para proponer nuevos sistemas y nuevas arquitecturas para mejorar aún más las cosas”.
Stump dijo: “Nunca imaginé que conduciría un tractor por un campo agrícola para obtener mi doctorado. Tenía planes de entrar en la industria aeroespacial. Pero el sistema hidráulico de estos tractores es tan complejo como un avión o un cohete. Profundizar en la energía de fluidos ha sido muy aplicable a mi futuro en la ingeniería”.
Tian dijo: “Ciertamente es lo más destacado de mi tiempo aquí en Purdue. Dediqué mucho tiempo a estos modelos y ver la mejora en los resultados fue realmente un momento feliz para mí”.
Vacca dijo: "Ver el arduo trabajo de nuestros estudiantes, y presenciar cómo una idea pasa del laboratorio al campo, esa es realmente la mejor parte de nuestro trabajo".
– Jared Pike, Universidad de Purdue