Les tracteurs agricoles modernes contiennent tellement de technologies de pointe qu’ils rivalisent même avec les derniers vaisseaux spatiaux. Mais le back-end reste encore de la vieille école, s’appuyant en grande partie sur les combustibles fossiles. Ainsi, toute optimisation de l’efficacité du tracteur constitue une énorme victoire pour l’environnement.
Dans cette optique, les chercheurs de l'Université Purdue ont entrepris un projet du Département de l'Énergie de 3.2 millions de dollars pour optimiser les systèmes hydrauliques qui relient les tracteurs et les outils.
"L'énergie fluidique est partout", a déclaré Andrea Vacca, titulaire de la chaire Maha Fluid Power de Purdue, professeur de ingénierie mécanique ainsi que génie agricole et biologique, et directeur de la Centre de recherche Maha sur l'énergie fluide, le plus grand laboratoire universitaire d’hydraulique du pays. « Il est utilisé dans les avions, dans les voitures et dans toutes sortes d'équipements lourds. Un tracteur est un exemple de véhicule qui utilise la puissance des fluides pour tout actionner, depuis la direction et la propulsion jusqu'à l'alimentation des outils qu'il tire derrière lui.
Mais l’alimentation des outils s’est avérée problématique. Le système de commande hydraulique du tracteur n'a montré qu'une efficacité de 20 % lorsqu'il est connecté aux systèmes hydrauliques de certains outils comme les planteuses, les semoirs et les écopes.
"Il y a un conflit dans les contrôles, où les deux systèmes s'affrontent presque", a déclaré Patrick Stump, docteur en recherche. étudiant en génie mécanique. « Par conséquent, lorsqu'il est connecté à un semoir, le tracteur doit toujours fonctionner à une puissance extrêmement élevée, ce qui gaspille du carburant et augmente les émissions. »
Dans cette étude, financée par le ministère américain de l'Énergie Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables, l'équipe de Vacca a concentré son attention sur une combinaison spécifique de tracteur et de semoir, tous deux fournis par Cas New Holland Industriel, avec des systèmes hydrauliques fournis par Bosch Rexroth. Voir la vidéo.
Le planteur mesure 40 pieds de large et compte 16 rangées de plantation.
"Chaque rangée est équipée de plusieurs machines travaillant ensemble pour planter les graines", a déclaré Xiaofan Guo, titulaire d'un doctorat. étudiant en génie mécanique. « Il y a une roue de nettoyage devant pour enlever la végétation existante. Un disque de coupe creuse un petit fossé dans le sol, un moteur entraîne les graines dans le sol, un pulvérisateur alimente le trou en eau et en engrais, puis un disque final recouvre le trou. Il y a 16 de ces rangées de plantation, qui nécessitent une pression spécifique pour réussir à planter les graines. Et tous sont alimentés par un seul système hydraulique.
Pour résoudre le problème de l'optimisation de la combinaison tracteur-planteur, l'équipe de Vacca a choisi une approche en trois phases. Tout d’abord, les chercheurs devaient caractériser le système hydraulique et créer un modèle de simulation sur ordinateur.
"Ces tracteurs sont des machines coûteuses et complexes", a déclaré Xin Tian, titulaire d'un doctorat. étudiant qui a développé les modèles sur une période de quatre ans. « Nous avons donc commencé par modéliser des composants individuels et les tester dans des conditions stationnaires ici en laboratoire. Lorsque ceux-ci sont exacts, nous combinons les modèles de composants dans un système – et testons le système – afin de pouvoir vérifier que l’ensemble du modèle est valide. Le modèle est si grand et complexe que mon équipe l'appelle « Le Monstre ! »
Une fois leur modèle validé, les chercheurs sont passés à la phase deux : développer des solutions qu’ils pourraient tester.
"Différentes conditions de plantation nécessitent différentes quantités de pression et de débit", a déclaré Tian. "Si le modèle montre des améliorations prometteuses en termes de puissance et d'efficacité, nous pouvons alors commencer à mettre en œuvre ces changements dans des conditions réelles."
Pour la troisième phase – tests en conditions réelles – l’équipe a équipé l’ensemble tracteur-planteur d’une myriade de capteurs.
"Nous devons savoir combien d'énergie le tracteur consomme, ce que font les pompes hydrauliques et quels sont la pression et les débits dans le semoir", a déclaré Jake Lengacher, doctorant en première année. étudiant. « Tout ce câblage mène à un nouveau boîtier d'acquisition de données que nous avons installé dans la cabine, ce qui nous permet d'avoir une image complète de ce qui se passe pendant un cycle de plantation. »
Heureusement pour l’équipe, Purdue dispose de nombreux endroits où les tracteurs géants peuvent se déplacer. Le Collège d'agriculture a attribué à l'équipe de Vacca une bande de terrain d'un quart de mile au Centre de recherche et d'enseignement en sciences animales à West Lafayette.
"Nous sommes très chanceux à Purdue", a déclaré Vacca. « Nous disposons de beaucoup d'espace de laboratoire à Maha où nous pouvons tester ces grandes machines dans des conditions contrôlées ; et l’agriculture dispose également de nombreuses parcelles agricoles où nous pouvons mener des recherches sur le terrain.
Et comme aucun membre de l'équipe n'avait jamais conduit un tracteur aussi gros sur le terrain, Case New Holland leur a dispensé une formation pour leur apprendre à conduire.
« La puissance d'un tracteur de 25,000 435 livres développant 10,000 chevaux remorquant un semoir de XNUMX XNUMX livres – c'est incroyable », a déclaré Stump. « Mais il se passe aussi beaucoup de choses dans la cabine, notamment pour faire fonctionner le semoir. C'est définitivement un travail à deux, donc généralement Jake est également dans la cabine pour surveiller les données sur un ordinateur portable.
L’équipe a effectué plusieurs essais au printemps 2021, au cours desquels elle a semé des graines de maïs à différents régimes moteur et taux de plantation prédéterminés. En examinant les données, ils ont constaté que leurs nouveaux systèmes de commande hydraulique se traduisaient par une augmentation globale de l'efficacité de 25 %.
« Compte tenu de la quantité de carburant consommée par un tracteur typique, cela représente une amélioration considérable », a déclaré Vacca. « Et ce n’est que le début. L’objectif de notre projet est de doubler l’efficacité du système de contrôle hydraulique global. À l’avenir, nous prévoyons d’instaurer une approche de contrôle de pression pour la logique de commande, ce qui n’a jamais été tenté dans les véhicules agricoles.
"Quand j'ai vu les données prouvant que notre solution fonctionnait, j'étais très heureux", a déclaré Guo. « J'ai grandi dans une ville, donc être dans une ferme comme celle-ci est une expérience assez excitante pour moi. Ma spécialité concerne les systèmes de contrôle, c'était donc très intéressant de voir nos théories en laboratoire mises à l'épreuve dans le monde réel. L’énergie fluidique est un domaine bien établi, mais il reste encore beaucoup de potentiel pour proposer de nouveaux systèmes et de nouvelles architectures pour rendre les choses encore meilleures. »
Stump a déclaré : « Je n'aurais jamais imaginé conduire un tracteur dans un champ agricole pour mon doctorat. J'avais l'intention de me lancer dans l'aérospatiale. Mais le système hydraulique de ces tracteurs est tout aussi complexe qu’un avion ou une fusée. Plonger profondément dans l’énergie fluide a été extrêmement applicable à mon avenir en ingénierie.
Tian a déclaré : « C'est certainement le point culminant de mon séjour ici à Purdue. J’ai consacré beaucoup de temps à ces modèles et voir l’amélioration des résultats a été vraiment un moment de bonheur pour moi.
Vacca a déclaré : « Voir le travail acharné de nos étudiants – et voir une idée passer du laboratoire au terrain – c'est vraiment la meilleure partie de notre travail. »
- Jared Pike, Université Purdue