تحتوي الجرارات الزراعية الحديثة على الكثير من التقنيات المتطورة ، حتى أنها تنافس أحدث المركبات الفضائية. لكن النهاية الخلفية لا تزال المدرسة القديمة ، وتعتمد إلى حد كبير على الوقود الأحفوري. لذا فإن أي تحسين في كفاءة الجرار يعد مكسبًا كبيرًا للبيئة.
مع وضع ذلك في الاعتبار ، قام باحثو جامعة بوردو بتنفيذ مشروع قسم الطاقة بقيمة 3.2 مليون دولار لتحسين الأنظمة الهيدروليكية التي تربط الجرارات والأدوات.
قال "قوة السوائل في كل مكان" أندريا فاكا، رئيس كلية جامعة بيردو مها فلويد باور ، أستاذ الهندسة الميكانيكية و الهندسة الزراعية والبيولوجية، ومدير مركز أبحاث مها فلويد باور، أكبر معمل هيدروليكي أكاديمي في البلاد. يستخدم في الطائرات والسيارات وجميع أنواع المعدات الثقيلة. الجرار هو مثال على مركبة تستخدم قوة السوائل لتشغيل كل شيء من التوجيه والدفع إلى تشغيل الأدوات التي تسحبها خلفها ".
لكن ثبت أن تشغيل الأدوات يمثل مشكلة. أظهر نظام التحكم الهيدروليكي للجرار كفاءة بنسبة 20٪ فقط عند توصيله بالأنظمة الهيدروليكية لأدوات معينة مثل المزارع ، والبذور ، وآلات التحميل.
قال باتريك ستامب ، دكتوراه ، "هناك تعارض في الضوابط ، حيث يكاد النظامان يتقاتلان بعضهما البعض". طالب في الهندسة الميكانيكية. "نتيجة لذلك ، عندما يتم توصيله بجهاز زرع ، يجب دائمًا تشغيل الجرار بطاقة عالية للغاية ، مما يهدر الوقود ويزيد من الانبعاثات."
في هذه الدراسة ، التي تم تمويلها من خلال وزارة الطاقة الأمريكية مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة، ركز فريق فاكا اهتمامه على مجموعة محددة من الجرارات وأحواض النباتات ، وكلاهما مقدم من حالة نيو هولاند الصناعية، مع أنظمة هيدروليكية مقدمة من بوش ريكسروث. انظر الفيديو.
يبلغ عرض الغراس 40 قدمًا ، وتحتوي على 16 صفًا للزراعة.
قال شياوفان جو ، حاصل على درجة الدكتوراه: "لكل صف آلات متعددة تعمل معًا لزرع البذور". طالب في الهندسة الميكانيكية. هناك عجلة تنظيف في المقدمة لإزالة الغطاء النباتي الموجود. يقوم قرص القطع بقطع حفرة صغيرة في الأرض ، ويقوم المحرك في الواقع بدفع البذور إلى الأرض ، ويقوم بخاخ بتغذية الماء والأسمدة في الحفرة ثم يقوم القرص النهائي بتغطية الحفرة. هناك 16 صفًا من صفوف الزراعة هذه ، والتي تحتاج إلى كميات محددة من الضغط لزراعة البذور بنجاح. وكلها تعمل بنظام هيدروليكي واحد ".
لمعالجة مشكلة تحسين مجموعة جرار جرار ، اختار فريق Vacca نهجًا من ثلاث مراحل. أولاً ، احتاج الباحثون إلى توصيف النظام الهيدروليكي وبناء نموذج محاكاة في الكمبيوتر.
قال شين تيان ، دكتوراه ، "هذه الجرارات آلات باهظة الثمن ومعقدة". طالب طور النماذج على مدى أربع سنوات. "لذلك بدأنا بنمذجة المكونات الفردية واختبارها في حالة ثابتة هنا في المختبر. عندما تكون دقيقة ، نجمع نماذج المكونات في نظام - ونختبر النظام - حتى نتمكن من التحقق من أن النموذج بأكمله صالح. النموذج كبير ومعقد للغاية ، يسميه فريقي "الوحش!"
بمجرد التحقق من صحة نموذجهم ، انتقل الباحثون إلى المرحلة الثانية: تطوير الحلول التي يمكنهم اختبارها.
قال تيان: "ظروف الزراعة المختلفة تتطلب كميات مختلفة من الضغط ومعدل التدفق". "إذا أظهر النموذج تحسينات واعدة في القوة والكفاءة ، فيمكننا البدء في تنفيذ هذه التغييرات في ظل ظروف العالم الحقيقي."
بالنسبة للمرحلة الثالثة - اختبارات العالم الحقيقي - جهز الفريق مجموعة جرار جرار مع عدد لا يحصى من أجهزة الاستشعار.
قال جيك لينغاشر Jake Lengacher ، الحاصل على درجة الدكتوراه في السنة الأولى: "نحتاج إلى معرفة مقدار الطاقة التي يستهلكها الجرار ، وما الذي تقوم به المضخات الهيدروليكية ، ومعدلات الضغط والتدفق في جميع أنحاء آلة الزراعة". طالب علم. "كل هذه الأسلاك تؤدي إلى صندوق جديد للحصول على البيانات قمنا بتثبيته في الكابينة ، لذلك لدينا صورة كاملة لما يحدث أثناء دورة الزراعة."
لحسن الحظ للفريق ، يوجد في بوردو الكثير من الأماكن التي تتجول فيها الجرارات العملاقة. ال كلية الزراعة خصص فريق فاكا شريطًا بطول ربع ميل من الأرض في مركز بحوث وتعليم علوم الحيوان في ويست لافاييت.
قال فاكا: "نحن محظوظون جدًا في بيرديو". "لدينا الكثير من المساحات المعملية في مها حيث يمكننا اختبار هذه الآلات الكبيرة في ظل ظروف خاضعة للرقابة ؛ والزراعة أيضًا لديها الكثير من قطع الأراضي الزراعية حيث يمكننا إجراء بحث ميداني ".
وبما أن أياً من أعضاء الفريق لم يقم بتشغيل مثل هذا الجرار الكبير في هذا المجال ، فقد قدمت Case New Holland التدريب لتعليمهم كيفية القيادة.
قال ستامب: "القوة الهائلة للجرار الذي يبلغ وزنه 25,000 رطل بقوة 435 حصانًا ، ويسحب زارعًا يبلغ وزنه 10,000 رطل - إنه أمر مذهل". "ولكن هناك أيضًا الكثير مما يحدث في الكابينة ، خاصة لتشغيل آلة الزراعة. إنها بالتأكيد وظيفة لرجلين ، لذلك عادة ما يكون جيك أيضًا في الكابينة يراقب البيانات الموجودة على جهاز كمبيوتر محمول ".
أجرى الفريق عدة جولات في ربيع عام 2021 ، حيث زرعوا بذور الذرة بسرعات مختلفة ومعدلات زراعة مختلفة ومحددة مسبقًا. بالتمشيط عبر البيانات ، وجدوا أن أنظمة التحكم الهيدروليكية الجديدة الخاصة بهم تُرجمت إلى زيادة إجمالية بنسبة 25 ٪ في الكفاءة.
قال فاكا: "بالنظر إلى كمية الوقود التي يستهلكها الجرار النموذجي ، فهذا تحسن هائل". وهذه ليست سوى البداية. هدف مشروعنا هو مضاعفة كفاءة نظام التحكم الهيدروليكي الشامل. في المستقبل ، نخطط لتأسيس نهج للتحكم في الضغط لمنطق التحكم ، والذي لم تتم تجربته مطلقًا في المركبات الزراعية ".
قال جو "عندما رأيت البيانات التي أثبتت نجاح حلنا ، كنت سعيدًا جدًا". "لقد نشأت في مدينة ، لذا فإن التواجد في مزرعة مثل هذه تجربة مثيرة للغاية بالنسبة لي. تخصصي هو أنظمة التحكم ، لذلك كان من المثير للاهتمام رؤية نظرياتنا في المختبر قيد الاختبار في العالم الحقيقي. تعد طاقة السوائل مجالًا راسخًا ، ولكن لا يزال هناك الكثير من الإمكانات لاقتراح أنظمة جديدة وبنيات جديدة لجعل الأمور أفضل ".
قال ستامب: "لم أتخيل أبدًا أنني سأقود جرارًا عبر حقل مزرعة للحصول على درجة الدكتوراه. كان لدي خطط للذهاب إلى الفضاء. لكن المكونات الهيدروليكية في هذه الجرارات معقدة تمامًا مثل الطائرات أو الصواريخ. كان الغوص في أعماق طاقة السوائل قابلاً للتطبيق بشكل كبير على مستقبلي في الهندسة ".
قال تيان ، "إنه بالتأكيد أهم حدث في وقتي هنا في بيرديو. لقد قضيت الكثير من الوقت في هذه النماذج ، ورؤية التحسن في النتائج كان حقًا لحظة سعيدة بالنسبة لي ".
قال فاكا ، "رؤية العمل الشاق لطلابنا - ومشاهدة فكرة تنتقل من المختبر إلى الميدان - هذا حقًا أفضل جزء من عملنا."
- جاريد بايك ، جامعة بوردو