รถแทรกเตอร์เพื่อการเกษตรสมัยใหม่มีเทคโนโลยีที่ล้ำสมัยมากมาย พวกมันสามารถเทียบเคียงได้กับยานอวกาศรุ่นล่าสุด แต่ส่วนหลังยังคงเป็นโรงเรียนเก่าซึ่งพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นส่วนใหญ่ ดังนั้นการปรับปรุงประสิทธิภาพของรถแทรกเตอร์จึงเป็นผลดีต่อสิ่งแวดล้อมอย่างมาก
ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยของมหาวิทยาลัย Purdue จึงดำเนินโครงการมูลค่า 3.2 ล้านดอลลาร์ของกระทรวงพลังงานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพระบบไฮดรอลิกที่เชื่อมต่อรถแทรกเตอร์และเครื่องมือ
“พลังของไหลมีอยู่ทุกที่” กล่าว อันเดรีย วาคคา, ประธานคณะ Maha Fluid Power ของ Purdue, ศาสตราจารย์ วิศวกรรมเครื่องกล และ วิศวกรรมเกษตรและชีวภาพและผู้อำนวยการ ศูนย์วิจัยพลังงานมหาไหลห้องปฏิบัติการวิชาการด้านชลศาสตร์ที่ใหญ่ที่สุดในประเทศ “มันถูกใช้ในเครื่องบิน ในรถยนต์ และอุปกรณ์หนักทุกชนิด รถแทรกเตอร์เป็นตัวอย่างของยานพาหนะที่ใช้พลังงานของไหลเพื่อสั่งงานทุกอย่างตั้งแต่การบังคับเลี้ยวและระบบขับเคลื่อน ไปจนถึงการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ที่ดึงอยู่เบื้องหลัง”
แต่การเปิดเครื่องได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นปัญหา ระบบควบคุมไฮดรอลิกของรถแทรกเตอร์มีประสิทธิภาพเพียง 20% เมื่อเชื่อมต่อกับระบบไฮดรอลิกของเครื่องมือบางอย่าง เช่น เครื่องปลูก เครื่องหว่านเมล็ด และเครื่องวิดพื้น
“มีความขัดแย้งในการควบคุม ซึ่งทั้งสองระบบเกือบจะต่อสู้กันเอง” Patrick Stump, Ph.D. กล่าว นักศึกษาสาขาวิศวกรรมเครื่องกล “ผลที่ตามมา เมื่อเชื่อมต่อกับเครื่องปลูก รถแทรกเตอร์จะต้องทำงานด้วยกำลังที่สูงมากเสมอ ซึ่งจะทำให้สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงและเพิ่มการปล่อยมลพิษ”
ในการศึกษานี้ได้รับทุนสนับสนุนจากกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา สำนักงานพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพและพลังงานทดแทนทีมงานของ Vacca มุ่งความสนใจไปที่การผสมผสานระหว่างรถแทรกเตอร์และเครื่องปลูก ซึ่งทั้งสองอย่างนี้จัดหาโดย กรณีนิวฮอลแลนด์อุตสาหกรรมด้วยระบบไฮดรอลิคโดย Bosch Rexroth. ดูวิดีโอ.
กระถางกว้าง 40 ฟุต จำนวน 16 แถว
“แต่ละแถวมีเครื่องจักรหลายเครื่องทำงานร่วมกันเพื่อเพาะเมล็ด” เซียวฟาน กั๋ว ปริญญาเอกกล่าว นักศึกษาสาขาวิศวกรรมเครื่องกล “มีล้อทำความสะอาดด้านหน้าเพื่อกำจัดพืชที่มีอยู่ ใบตัดจะตัดร่องเล็กๆ ในดิน มอเตอร์ขับเคลื่อนเมล็ดลงไปในดิน เครื่องพ่นจะป้อนน้ำและปุ๋ยเข้าไปในรู จากนั้นใบสุดท้ายจะปิดรู มีแถวปลูกทั้งหมด 16 แถว ซึ่งต้องใช้แรงกดในปริมาณที่เจาะจงจึงจะเพาะเมล็ดได้สำเร็จ และทั้งหมดขับเคลื่อนด้วยระบบไฮดรอลิกเพียงระบบเดียว”
เพื่อจัดการกับปัญหาของการปรับคอมโบรถไถและรถไถให้เหมาะสม ทีมของ Vacca เลือกแนวทางแบบสามขั้นตอน ขั้นแรก นักวิจัยจำเป็นต้องกำหนดลักษณะของระบบไฮดรอลิกและสร้างแบบจำลองจำลองในคอมพิวเตอร์
“รถแทรกเตอร์เหล่านี้มีราคาแพงและเป็นเครื่องจักรที่ซับซ้อน” Xin Tian, Ph.D. กล่าว นักศึกษาผู้พัฒนาแบบจำลองในช่วงสี่ปี “ดังนั้นเราจึงเริ่มต้นด้วยการสร้างแบบจำลองส่วนประกอบแต่ละชิ้นและทดสอบในสภาพที่ไม่เคลื่อนที่ในห้องปฏิบัติการ เมื่อข้อมูลเหล่านี้ถูกต้อง เราจะรวมโมเดลส่วนประกอบเข้ากับระบบ และทดสอบระบบ เพื่อให้เราสามารถตรวจสอบได้ว่าโมเดลทั้งหมดนั้นถูกต้อง โมเดลมีขนาดใหญ่และซับซ้อนมาก ทีมงานของฉันเรียกมันว่า 'สัตว์ประหลาด!'”
เมื่อตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองแล้ว นักวิจัยก็เข้าสู่ขั้นตอนที่สอง: การพัฒนาโซลูชันที่สามารถทดสอบได้
“สภาพการปลูกที่แตกต่างกันต้องการแรงดันและอัตราการไหลในปริมาณที่ต่างกัน” Tian กล่าว “หากโมเดลแสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงที่มีแนวโน้มในด้านกำลังและประสิทธิภาพ เราก็สามารถเริ่มดำเนินการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ได้ภายใต้เงื่อนไขในโลกแห่งความเป็นจริง”
สำหรับขั้นตอนที่สาม – การทดสอบในโลกแห่งความเป็นจริง – ทีมงานได้ติดตั้งคอมโบรถไถพรวนดินพร้อมเซ็นเซอร์มากมาย
Jake Lengacher, Ph.D. ปีแรกกล่าวว่า "เราจำเป็นต้องรู้ว่ารถแทรกเตอร์ใช้พลังงานเท่าใด ปั๊มไฮดรอลิกกำลังทำอะไร และแรงดันและอัตราการไหลเป็นอย่างไรตลอดทั้งเครื่องปลูก" นักเรียน. “การเดินสายทั้งหมดนั้นนำไปสู่กล่องรับข้อมูลใหม่ที่เราติดตั้งในห้องโดยสาร ดังนั้นเราจึงมีภาพที่สมบูรณ์ของสิ่งที่เกิดขึ้นระหว่างวงจรการปลูก”
ขอบคุณทีมงาน Purdue มีพื้นที่มากมายให้รถแทรกเตอร์ยักษ์ขี่ เดอะ วิทยาลัยเกษตรศาสตร์ จัดสรรที่ดินให้ทีมของ Vacca หนึ่งส่วนสี่ไมล์ที่ ศูนย์วิจัยและการศึกษาสัตวศาสตร์ ในเวสต์ลาฟาแยต
“เราโชคดีมากที่ Purdue” Vacca กล่าว “เรามีพื้นที่ห้องปฏิบัติการจำนวนมากที่ Maha ซึ่งเราสามารถทดสอบเครื่องจักรขนาดใหญ่เหล่านี้ภายใต้สภาวะที่มีการควบคุม และการเกษตรยังมีแปลงเกษตรอีกมากมายที่เราสามารถทำการวิจัยภาคสนามได้”
และเนื่องจากไม่มีสมาชิกในทีมคนใดเลยที่เคยใช้รถแทรกเตอร์ขนาดใหญ่เช่นนี้ในสนาม Case New Holland จึงจัดการฝึกอบรมเพื่อสอนพวกเขาถึงวิธีการขับรถ
“พลังมหาศาลของรถแทรกเตอร์หนัก 25,000 ปอนด์ 435 แรงม้า ลากจูงชาวไร่หนัก 10,000 ปอนด์ น่าทึ่งมาก” สตัมป์กล่าว “แต่ในห้องโดยสารยังมีอะไรให้ทำอีกมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานเครื่องปลูกต้นไม้ มันเป็นงานสองคน ดังนั้นโดยปกติแล้ว Jake จะอยู่ในห้องโดยสารด้วยเพื่อคอยตรวจสอบข้อมูลบนแล็ปท็อป”
ทีมงานดำเนินการวิ่งหลายครั้งในฤดูใบไม้ผลิปี 2021 โดยปลูกเมล็ดข้าวโพดด้วยความเร็วเครื่องยนต์และอัตราการปลูกที่กำหนดไว้ล่วงหน้าต่างกัน เมื่อรวมข้อมูลเข้าด้วยกัน พวกเขาพบว่าระบบควบคุมไฮดรอลิกใหม่ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมเพิ่มขึ้น 25%
Vacca กล่าวว่า “ด้วยปริมาณเชื้อเพลิงที่รถแทรกเตอร์ทั่วไปใช้ “และนี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น เป้าหมายโครงการของเราคือการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบควบคุมไฮดรอลิกโดยรวมเป็นสองเท่า ในอนาคต เราวางแผนที่จะสร้างวิธีการควบคุมแรงดันสำหรับลอจิกการควบคุม ซึ่งไม่เคยมีความพยายามในยานพาหนะเพื่อการเกษตร”
“เมื่อฉันเห็นข้อมูลที่พิสูจน์ว่าโซลูชันของเราได้ผล ฉันมีความสุขมาก” Guo กล่าว “ฉันเติบโตในเมือง ดังนั้นการได้ออกไปอยู่ในฟาร์มแบบนี้จึงเป็นประสบการณ์ที่น่าตื่นเต้นสำหรับฉัน ความสามารถพิเศษของฉันคือระบบควบคุม ดังนั้นจึงเป็นเรื่องน่าสนใจมากที่ได้เห็นทฤษฎีของเราในห้องแล็บถูกนำไปทดสอบในโลกแห่งความเป็นจริง พลังงานของไหลเป็นสาขาที่ได้รับการยอมรับเป็นอย่างดี แต่ก็ยังมีศักยภาพอีกมากที่จะเสนอระบบใหม่และสถาปัตยกรรมใหม่เพื่อทำให้สิ่งต่าง ๆ ดียิ่งขึ้น”
สตัมป์กล่าวว่า “ฉันไม่เคยคิดมาก่อนว่าจะได้ขับรถแทรกเตอร์ผ่านไร่นาเพื่อไปเรียนต่อปริญญาเอก ฉันมีแผนจะไปอวกาศ แต่ระบบไฮดรอลิกของรถแทรกเตอร์เหล่านี้ซับซ้อนพอๆ กับเครื่องบินหรือจรวด การดำดิ่งลงไปในพลังงานของไหลนั้นมีประโยชน์อย่างยิ่งต่ออนาคตด้านวิศวกรรมของฉัน”
Tian กล่าวว่า “มันเป็นไฮไลท์ของเวลาที่ฉันอยู่ที่ Purdue อย่างแน่นอน ฉันใช้เวลามากมายกับโมเดลเหล่านี้ และการได้เห็นผลลัพธ์ที่ดีขึ้นก็เป็นช่วงเวลาที่มีความสุขสำหรับฉันจริงๆ”
Vacca กล่าวว่า "การได้เห็นการทำงานหนักของนักเรียน และการได้เห็นแนวคิดที่ได้รับจากห้องทดลองสู่ภาคสนาม นั่นคือส่วนที่ดีที่สุดในงานของเรา"
- Jared Pike มหาวิทยาลัยเพอร์ดู