Os tratores agrícolas modernos contêm tanta tecnologia de ponta que rivalizam até com as mais recentes naves espaciais. Mas o back-end ainda é antiquado, dependendo em grande parte dos combustíveis fósseis. Portanto, qualquer otimização na eficiência do trator representa uma enorme vitória para o meio ambiente.
Com isto em mente, os pesquisadores da Purdue University empreenderam um projeto de US$ 3.2 milhões do Departamento de Energia para otimizar os sistemas hidráulicos que conectam tratores e implementos.
“O poder fluido está em toda parte”, disse Andrea Vaca, Presidente da Faculdade Maha Fluid Power da Purdue, professor de Engenharia Mecânica e engenharia agricola e biologica, e diretor do Centro de Pesquisa de Energia Fluida Maha, o maior laboratório acadêmico de hidráulica do país. “É usado em aviões, carros e todo tipo de equipamento pesado. Um trator é um exemplo de veículo que usa energia fluida para acionar tudo, desde a direção e a propulsão até acionar os implementos que puxa atrás dele.”
Mas alimentar os implementos provou ser um problema. O sistema de controle hidráulico do trator apresentou eficiência de apenas 20% quando conectado aos sistemas hidráulicos de determinados implementos como plantadeiras, semeadoras e enfardadeiras.
“Há um conflito nos controles, onde os dois sistemas estão quase lutando entre si”, disse Patrick Stump, Ph.D. estudante de engenharia mecânica. “Por isso, quando conectado a uma plantadeira, o trator sempre precisa rodar com potência extremamente alta, o que desperdiça combustível e aumenta as emissões.”
Neste estudo, financiado pelo Departamento de Energia dos EUA Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável, a equipe da Vacca focou sua atenção em um combo específico de trator e plantadeira, ambos fornecidos pela Estojo New Holland Industrial, com sistemas hidráulicos fornecidos pela Bosch Rexroth. Ver vídeo.
A plantadeira tem 40 metros de largura e 16 linhas de plantio.
“Cada fileira tem várias máquinas trabalhando juntas para plantar a semente”, disse Xiaofan Guo, Ph.D. estudante de engenharia mecânica. “Tem uma roda de limpeza na frente para retirar a vegetação existente. Um disco de corte abre uma pequena vala no solo, um motor conduz as sementes para o solo, um pulverizador alimenta o buraco com água e fertilizante e, em seguida, um disco final cobre o buraco. Existem 16 dessas linhas de plantio, que precisam de quantidades específicas de pressão para plantar as sementes com sucesso. E todos eles são movidos por um único sistema hidráulico.”
Para resolver o problema de otimização da combinação trator-plantadeira, a equipe de Vacca escolheu uma abordagem trifásica. Primeiramente, os pesquisadores precisaram caracterizar o sistema hidráulico e construir um modelo de simulação no computador.
“Esses tratores são máquinas caras e complexas”, disse Xin Tian, Ph.D. aluno que desenvolveu os modelos ao longo de um período de quatro anos. “Então começamos modelando componentes individuais e testando-os em condições estacionárias aqui no laboratório. Quando estes são precisos, combinamos os modelos de componentes num sistema – e testamos o sistema – para que possamos verificar se todo o modelo é válido. O modelo é tão grande e complexo que minha equipe o chama de 'O Monstro!'”
Depois de validarem o seu modelo, os investigadores passaram para a fase dois: desenvolver soluções que pudessem testar.
“Diferentes condições de plantio exigem diferentes quantidades de pressão e vazão”, disse Tian. “Se o modelo mostrar melhorias promissoras em potência e eficiência, então poderemos começar a implementar essas mudanças em condições reais.”
Para a terceira fase – testes no mundo real – a equipe equipou o conjunto trator-plantadeira com uma infinidade de sensores.
“Precisamos saber quanta energia o trator está consumindo, o que as bombas hidráulicas estão fazendo e quais são a pressão e as taxas de vazão em toda a plantadeira”, disse Jake Lengacher, doutorando do primeiro ano. estudante. “Toda essa fiação leva a uma nova caixa de aquisição de dados que instalamos na cabine, para que tenhamos uma visão completa do que está acontecendo durante o ciclo de plantio.”
Felizmente para a equipe, Purdue tem muitos lugares para tratores gigantes passearem. O Faculdade de Agricultura concedeu à equipe de Vacca uma faixa de terra de quatrocentos metros no Centro de Pesquisa e Educação em Ciências Animais em West Lafayette.
“Temos muita sorte em Purdue”, disse Vacca. “Temos muito espaço de laboratório em Maha onde podemos testar essas máquinas grandes sob condições controladas; e a Agricultura também tem muitas parcelas agrícolas onde podemos realizar pesquisas de campo.”
E como nenhum dos membros da equipe jamais havia operado um trator tão grande no campo, a Case New Holland forneceu treinamento para ensiná-los a dirigir.
“A potência absoluta de um trator de 25,000 libras com 435 cavalos de potência, rebocando uma plantadeira de 10,000 libras – é incrível”, disse Stump. “Mas também há muita coisa acontecendo na cabine, especialmente para operar a plantadeira. É definitivamente um trabalho para duas pessoas, então normalmente Jake também está na cabine monitorando os dados em um laptop.”
A equipe realizou diversas execuções na primavera de 2021, onde plantaram sementes de milho em diferentes velocidades de motor e taxas de plantio pré-determinadas. Analisando os dados, descobriram que os seus novos sistemas de controlo hidráulico se traduziram num aumento global de eficiência de 25%.
“Dada a quantidade de combustível que um trator típico consome, isso representa uma enorme melhoria”, disse Vacca. “E isso é apenas o começo. O objetivo do nosso projeto é duplicar a eficiência do sistema geral de controle hidráulico. No futuro, planejamos instituir uma abordagem de controle de pressão para a lógica de controle, que nunca foi tentada em veículos agrícolas.”
“Quando vi os dados que provaram que nossa solução funcionava, fiquei muito feliz”, disse Guo. “Eu cresci em uma cidade, então estar em uma fazenda como esta é uma experiência muito emocionante para mim. Minha especialidade são sistemas de controle, então foi muito interessante ver nossas teorias no laboratório sendo postas à prova no mundo real. A energia fluida é um campo bem estabelecido, mas ainda há muito potencial para propor novos sistemas e novas arquiteturas para tornar as coisas ainda melhores.”
Stump disse: “Nunca imaginei que dirigiria um trator por um campo agrícola para fazer meu doutorado. Eu tinha planos de entrar no setor aeroespacial. Mas a hidráulica desses tratores é tão complexa quanto a de um avião ou de um foguete. Mergulhar profundamente na energia fluida tem sido extremamente aplicável ao meu futuro na engenharia.”
Tian disse: “É certamente o ponto alto do meu tempo aqui em Purdue. Dediquei muito tempo a esses modelos e ver a melhoria nos resultados foi realmente um momento feliz para mim.”
Vacca disse: “Ver o trabalho árduo dos nossos alunos – e testemunhar uma ideia passar do laboratório para o campo – essa é realmente a melhor parte do nosso trabalho”.
- Jared Pike, Universidade Purdue