Наукові доповіді Національного університету біоресурсів і природокористування України

Проєктування та аналіз гідравлічних систем для автоматизованих сільськогосподарських машин

Анатолій Рудь
Завантажити статтю
Анотація

Дослідження присвячено проєктуванню та аналізу гідравлічних систем для автоматизованих сільськогосподарських машин із метою підвищення їхньої продуктивності, енергоефективності та надійності. Для випробувань було залучено трактори, обприскувачі та сівалки, які працювали у реальних польових умовах в різних регіонах України з урахуванням різноманітних типів ґрунтів та кліматичних факторів. Основними методами дослідження були польові експерименти, аналіз даних сенсорів та моделювання параметрів гідравлічних систем у програмному середовищі ANSYS. У ході випробувань, проведених на сучасних моделях тракторів, обприскувачів і сівалок, визначено, що автоматизовані контролери та насоси змінного об’єму забезпечують суттєве зниження енергетичних втрат і витрат пального. Для тракторів скорочення витрат пального досягло 25-27%, в обприскувачах та сівалках – 24-26%. Викиди СО2 зменшилися в середньому на 15%, що відповідає цілям сталого розвитку. Оптимізація конструкції гідравлічних магістралей із використанням композитних матеріалів дозволила знизити енергетичні втрати на 15%, порівняно з традиційними сталевими магістралями. Це стало можливим завдяки зменшенню тертя та кращій стійкості до зношування. Використання синтетичних робочих рідин забезпечило стабільність потоку в умовах високих температур, знижуючи ризик блокування системи та утворення осадів. Загалом впроваджені технології підвищили стабільність роботи гідравлічних систем на 88%, знизили частоту збоїв на 40%. Отримані результати підтвердили ефективність впроваджених рішень у підвищенні продуктивності, енергоефективності та екологічності. Інноваційні підходи, включаючи автоматизовані системи керування, сприяли підвищенню якості агротехнічних операцій і забезпечують тривалий термін служби компонентів. Отримані результати можуть бути використані у проєктуванні сучасної сільськогосподарської техніки, впровадженні автоматизованих систем керування у виробничих процесах аграрного сектору, а також при модернізації існуючого парку техніки з метою підвищення її продуктивності, енергоефективності та екологічності

Ключові слова

аграрна техніка, оптимізація агротехнологій, енергоефективність виробництва, модернізація, інновації

ЦИТУВАТИ
Rud, A. (2024). Design and analysis of hydraulic systems for automated agricultural machinery. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 20(6),121-137. https://doi.org/10.31548/forest/4.2024.56
Використані джерела

[1] Aby, G.R., & Issa, S.F. (2023). Safety of automated agricultural machineries: A systematic literature review. Safety, 9(1), article number 13. doi: 10.3390/safety9010013.

[2] An, G., Zhong, Z., Yang, S., Yang, L., Jin, C., Du, J., & Yin, X. (2024). EASS: An automatic steering system for agricultural wheeled vehicles using fuzzy control. Computers and Electronics in Agriculture, 217, article number 108544. doi: 10.1016/j.compag.2023.108544.

[3] Breidi, F., Garrity, J., & Lumkes, J. (2017). Design and testing of novel hydraulic pump/motors to improve the efficiency of agricultural equipment. Transactions of the ASABE, 60(6), 1809-1817. doi: 10.13031/trans.11557.

[4] Casoli, P., Zardin, B., Ardizio, S., Borghi, M., Pintore, F., & Mesturini, D. (2020). The hydraulic power generation and transmission on agricultural tractors: Feasible architectures to reduce dissipation and fuel consumption – Part 2. E3S Web of Conferences, 197, article number 07010. doi: 10.1051/e3sconf/202019707010.

[5] Che, Y., Zheng, G., Li, Y., Hui, X., & Li, Y. (2024). Unmanned agricultural machine operation system in farmland based on improved fuzzy adaptive priority-driven control algorithm. Electronics, 13(20), article number 4141. doi: 10.3390/electronics13204141.

[6] Ghodke, V., Shinde, H., Gaikwad, A., Gade, A., & Khaire, P. (2015). Adjustable stroke variable displacement pump. International Journal of Technology Enhancements and Emerging Engineering Research, 3, 95-98.

[7] Guo, X., Lengacher, J., & Vacca, A. (2022). A variable pressure multi-pressure rail system design for agricultural applications. Energies, 15(17), article number 6173. doi: 10.3390/en15176173.

[8] He, P., Li, J., Fang, E., de Voil, P., & Cao, G. (2019). Reducing agricultural fuel consumption by minimizing inefficiencies. Journal of Cleaner Production, 236, article number 117619. doi: 10.1016/J.JCLEPRO.2019.117619.

[9] Hrushetskyi, S., Oleksiyko, S., & Tykhy, M. (2024). Modern running control systems for agricultural machinery. International Science Journal of Engineering & Agriculture, 3(6), 61-74. doi: 10.46299/j.isjea.20240306.06.

[10] Jin, R., Huang, H., Li, L., Zhu, L., & Liu, Z. (2019). Energy saving strategy of the variable-speed variable-displacement pump unit based on neural network. Procedia CIRP, 80, 84-88. doi: 10.1016/j.procir.2019.01.108.

[11] Kamthe, N., Bhoomkar, M., & Kondhalkar, G. (2016). Design, development and analysis of variable displacement pump by application of linkage motion adjuster. International Journal of Engineering Trends and Technology, 32(3), 155-160. doi: 10.14445/22315381/IJETT-V32P230.

[12] Kärnell, S., & Ericson, L. (2022). Analysis of a digital pump with variable speed drive. In Proceedings of the symposium on fluid power and motion control (article number V001T01A005). Bath: American Society of Mechanical Engineers. doi: 10.1115/fpmc2022-88503.

[13] Kraiem, D., & Triki, A. (2023). Tackling of hydraulic cavitation in pressurized pipe flow using high- or low-density polyethylene penstock and short-section. AQUA – Water Infrastructure, Ecosystems and Society, 72(11), 2126-2137. doi: 10.2166/aqua.2023.189.

[14] Li, Y., & Wang, H. (2022). Research on agricultural machinery hydraulic steering control system based on fuzzy PID variable damping algorithm. In Proceedings of the 6th information technology and mechatronics engineering conference (pp. 575-579). Chongqing: IEEE. doi: 10.1109/ITOEC53115.2022.9734349.

[15] Li, Y., Shang, Y., Wan, X., Jiao, Z., & Yu, T. (2022). Design and experiment on light weight hydraulic cylinder made of carbon fiber reinforced polymer. Composite Structures, 291, article number 115564. doi: 10.1016/j.compstruct.2022.115564.

[16] Lubecki, M., Stosiak, M., Skačkauskas, P., Karpenko, M., Deptuła, A., & Urbanowicz, K. (2022). Development of composite hydraulic actuators: A review. Actuators, 11(12), 365-365. doi: 10.3390/act11120365.

[17] Marçal de Queiroz, D., Valente, D.S., & Coelho, A.L. (2022). Control and automation systems in agricultural machinery. In D. Marçal de Queiroz, D.S. Valente, F. de Assis de Carvalho Pinto, A. Borém, J.K. Schueller (Eds.), Digital agriculture (pp. 143-156). Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3-031-14533-9_9.

[18] Mocera, F., & Somà, A. (2020). Analysis of a parallel hybrid electric tractor for agricultural applications. Energies, 13(12), article number 3055. doi: 10.3390/en13123055.

[19] Mozharivskyi, D., Titova, L., Nadtochiy, O., & Dasic, P. (2022). Aspects of expert system of engineering management of technical condition of grain harvesters. Machinery & Energetics, 13(1), 60-66. doi: 10.31548/machenergy.13(1).2022.60-66.

[20] Pedersen, S., Medici, M., Anken, T., Tohidloo, G., Pedersen, M., Carli, G., Canavari, M., Tsiropoulos, Z., & Fountas, S. (2019). Financial and environmental performance of integrated precision farming systems. In J.V. Stafford (Ed.), Precision agriculture ’19 (pp. 833-839). Leiden: Wageningen Academic. doi: 10.3920/978-90-8686-888-9_103.

[21] Solazzi, L. (2020). Stress variability in multilayer composite hydraulic cylinder. Composite Structures, 259, article number 113249. doi: 10.1016/j.compstruct.2020.113249.

[22] Sun, X., Lu, Z., Yue, S., Cheng, Z., Jiang, C., Qian, J., & Yang, L. (2022). Development status and research progress of a tractor electro-hydraulic hitch system. Agriculture, 12(10), 1547-1547. doi: 10.3390/agriculture12101547.

[23] Tian, X., Guo, X., Stump, P., Dessy, G., Vacca, A., Fiorati, S., & Pintore, F. (2024). New hydraulic control technologies for improving the energy efficiency of the hydraulic system of agricultural tractors and their implements. International Journal of Fluid Power, 25(2), 203-224. doi: 10.13052/ijfp1439-9776.2525.

[24] Wang, L., Wang, Y., Dai, D., Wang, X., & Wang, S. (2021). Review of electro-hydraulic hitch system control method of automated tractors. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 14(3). doi: 10.25165/j.ijabe.20211403.6175.

[25] Yaroshenko, O.A., & Hasiuk, O.I. (2023). Study of the current state of development of control and automation systems of hydraulic machines. Bulletin of the National Technical University “KhPI”. Series: Hydraulic Machines and Hydraulic Units, 2, 89-94. doi: 10.20998/2411-3441.2023.2.14.

[26] Zewdie, R., & Kic, P. (2017). Noise pollutants in agricultural machinery drivers cabin. Engineering for Rural Development, 31, 425-430. doi: 10.22616/ERDEV2017.16.N085.

[27] Zhao, Y., Chen, X., Song, Y., Wang, G., & Zhai, Z. (2023). Energy and fuel consumption of a new concept of hydro-mechanical tractor transmission. Sustainability, 15(14), article number 10809. doi: 10.3390/su151410809.

[28] Zhu, Z., Yang, Y., Wang, D., Cai, Y., & Lai, L. (2022). Energy saving performance of agricultural tractor equipped with mechanic-electronic-hydraulic powertrain system. Agriculture, 12(3), article number 436. doi: 10.3390/agriculture12030436.