Traktor pertanian modern mengandung begitu banyak teknologi mutakhir, mereka bahkan menyaingi pesawat ruang angkasa terbaru. Tetapi bagian belakangnya masih kuno, sebagian besar bergantung pada bahan bakar fosil. Jadi, setiap pengoptimalan dalam efisiensi traktor adalah keuntungan besar bagi lingkungan.
Dengan pemikiran ini, para peneliti Universitas Purdue telah melakukan proyek Departemen Energi senilai $3.2 juta untuk mengoptimalkan sistem hidraulik yang menghubungkan traktor dan peralatan.
“Kekuatan fluida ada di mana-mana,” kata Andrea Vacca, Ketua Fakultas Tenaga Fluida Maha Purdue, profesor Teknik mesin dan teknik pertanian dan biologi, dan direktur Pusat Penelitian Tenaga Maha Fluida, lab hidrolika akademik terbesar di negara ini. “Ini digunakan di pesawat terbang, di mobil, dan di semua jenis alat berat. Traktor adalah contoh kendaraan yang menggunakan tenaga fluida untuk menggerakkan segala sesuatu mulai dari kemudi dan propulsi, hingga menggerakkan alat yang ditarik di belakangnya.”
Tetapi menyalakan alat telah terbukti menjadi masalah. Sistem kontrol hidraulik traktor hanya menunjukkan efisiensi 20% saat dihubungkan ke sistem hidraulik dari peralatan tertentu seperti penanam, penanam, dan penampung.
“Ada konflik dalam kontrol, di mana kedua sistem hampir saling bertarung,” kata Patrick Stump, Ph.D. mahasiswa teknik mesin. “Akibatnya, ketika terhubung ke penanam, traktor selalu harus bekerja dengan daya yang sangat tinggi, yang membuang bahan bakar dan meningkatkan emisi.”
Dalam studi ini, didanai melalui Departemen Energi AS Kantor Efisiensi Energi dan Energi Terbarukan, Tim Vacca memusatkan perhatiannya pada kombinasi khusus antara traktor dan penanam, keduanya disediakan oleh Kasus New Holland Industrial, dengan sistem hidrolik yang disediakan oleh Bosch Rexroth. Lihat video.
Penanam memiliki lebar 40 kaki, dengan 16 baris tanam.
“Setiap baris memiliki beberapa mesin yang bekerja sama untuk menanam benih,” kata Xiaofan Guo, Ph.D. mahasiswa teknik mesin. “Ada roda pembersih di depan untuk menghilangkan vegetasi yang ada. Cakram pemotong memotong parit kecil di tanah, motor benar-benar mendorong benih ke dalam tanah, penyemprot memberi makan air dan pupuk ke dalam lubang dan kemudian cakram terakhir menutupi lubang. Ada 16 baris tanam ini, yang membutuhkan tekanan tertentu untuk berhasil menanam benih. Dan semuanya ditenagai oleh satu sistem hidrolik.”
Untuk mengatasi masalah pengoptimalan kombinasi traktor-tanam, tim Vacca memilih pendekatan tiga fase. Pertama, para peneliti perlu mengkarakterisasi sistem hidrolik dan membangun model simulasi di komputer.
“Traktor ini adalah mesin yang mahal dan rumit,” kata Xin Tian, Ph.D. siswa yang mengembangkan model selama rentang empat tahun. “Jadi kami mulai dengan memodelkan komponen individual dan mengujinya dalam kondisi stasioner di sini, di lab. Ketika itu akurat, kami menggabungkan model komponen ke dalam sistem – dan menguji sistem – sehingga kami dapat memverifikasi bahwa seluruh model valid. Modelnya sangat besar dan kompleks, tim saya menyebutnya 'The Monster!'”
Setelah mereka memvalidasi model mereka, para peneliti pindah ke fase dua: mengembangkan solusi yang bisa mereka uji.
“Kondisi penanaman yang berbeda memerlukan jumlah tekanan dan laju aliran yang berbeda,” kata Tian. “Jika model menunjukkan peningkatan yang menjanjikan dalam daya dan efisiensi, maka kita dapat mulai menerapkan perubahan ini dalam kondisi dunia nyata.”
Untuk fase ketiga – tes dunia nyata – tim melengkapi kombo traktor-tanam dengan segudang sensor.
“Kita perlu mengetahui berapa banyak daya yang dikonsumsi traktor, apa yang dilakukan pompa hidrolik, dan berapa tekanan dan laju aliran di seluruh penanam,” kata Jake Lengacher, Ph.D. murid. “Semua kabel itu mengarah ke kotak akuisisi data baru yang kami pasang di kabin, jadi kami memiliki gambaran lengkap tentang apa yang terjadi selama siklus penanaman.”
Untungnya untuk tim, Purdue memiliki banyak tempat untuk traktor raksasa berkeliaran. Itu Sekolah Tinggi Pertanian memberi tim Vacca sebidang tanah seluas seperempat mil di Pusat Penelitian dan Pendidikan Ilmu Hewan di Lafayette Barat.
“Kami sangat beruntung di Purdue,” kata Vacca. “Kami memiliki banyak ruang lab di Maha tempat kami dapat menguji mesin besar ini dalam kondisi yang terkendali; dan Pertanian juga memiliki banyak petak pertanian tempat kami dapat melakukan penelitian lapangan.”
Dan karena tidak ada anggota tim yang pernah mengoperasikan traktor sebesar itu di lapangan, Case New Holland memberikan pelatihan untuk mengajari mereka cara mengemudi.
“Kekuatan traktor 25,000 pon dengan 435 tenaga kuda, menarik penanam 10,000 pon – sungguh menakjubkan,” kata Stump. “Tetapi ada juga cukup banyak hal yang terjadi di dalam kabin, terutama untuk mengoperasikan planter. Ini pasti pekerjaan dua orang, jadi biasanya Jake juga ada di taksi memantau data di laptop.”
Tim melakukan beberapa putaran pada musim semi 2021, di mana mereka menanam benih jagung pada kecepatan mesin dan tingkat penanaman yang berbeda yang telah ditentukan sebelumnya. Menyisir data, mereka menemukan bahwa sistem kontrol hidraulik baru mereka menghasilkan peningkatan efisiensi 25% secara keseluruhan.
“Mengingat jumlah bahan bakar yang dikonsumsi oleh traktor biasa, itu adalah peningkatan besar-besaran,” kata Vacca. “Dan ini baru permulaan. Tujuan proyek kami adalah menggandakan efisiensi sistem kontrol hidraulik secara keseluruhan. Di masa depan, kami berencana untuk melembagakan pendekatan kontrol tekanan untuk logika kontrol, yang belum pernah dicoba di kendaraan pertanian.
“Ketika saya melihat data yang membuktikan solusi kami berhasil, saya sangat senang,” kata Guo. “Saya dibesarkan di kota, jadi berada di pertanian seperti ini adalah pengalaman yang cukup menarik bagi saya. Spesialisasi saya adalah sistem kontrol, jadi sangat menarik melihat teori kami di lab diuji di dunia nyata. Tenaga fluida adalah bidang yang sudah mapan, tetapi masih ada begitu banyak potensi untuk mengusulkan sistem baru dan arsitektur baru untuk membuat segalanya menjadi lebih baik.”
Stump berkata, “Saya tidak pernah membayangkan saya akan mengendarai traktor melalui ladang pertanian untuk gelar Ph.D. Saya punya rencana untuk pergi ke luar angkasa. Tetapi hidraulik pada traktor ini sama rumitnya dengan pesawat terbang atau roket. Menyelam jauh ke dalam tenaga fluida telah sangat berlaku untuk masa depan saya di bidang teknik.”
Tian berkata, “Ini benar-benar puncak waktu saya di Purdue. Saya menghabiskan begitu banyak waktu untuk model-model ini, dan melihat peningkatan dalam hasilnya benar-benar momen yang membahagiakan bagi saya.”
Vacca berkata, “Melihat kerja keras siswa kami – dan menyaksikan ide yang didapat dari lab ke lapangan – itu benar-benar bagian terbaik dari pekerjaan kami.”
- Jared Pike, Universitas Purdue