Mae tractorau amaethyddol modern yn cynnwys cymaint o dechnoleg flaengar, maen nhw'n cystadlu â'r llong ofod ddiweddaraf hyd yn oed. Ond mae'r pen ôl yn dal i fod yn hen ysgol, gan ddibynnu i raddau helaeth ar danwydd ffosil. Felly mae unrhyw optimeiddio mewn effeithlonrwydd tractor yn fuddugoliaeth enfawr i'r amgylchedd.
Gyda hyn mewn golwg, mae ymchwilwyr Prifysgol Purdue wedi ymgymryd â phrosiect Adran Ynni $3.2 miliwn i wneud y gorau o'r systemau hydrolig sy'n cysylltu tractorau ac offer.
“Mae pŵer hylif ym mhobman,” meddai Andrea Vacca, Cadeirydd Cyfadran Pŵer Hylif Maha Purdue, athro o peirianneg fecanyddol ac peirianneg amaethyddol a biolegol, a chyfarwyddwr y Canolfan Ymchwil Pŵer Hylif Maha, y labordy hydrolig academaidd mwyaf yn y wlad. “Mae’n cael ei ddefnyddio mewn awyrennau, mewn ceir, ac mewn pob math o offer trwm. Mae tractor yn enghraifft o gerbyd sy’n defnyddio pŵer hylif i actio popeth o’r llywio a’r gyriant, i bweru’r offer y mae’n eu tynnu y tu ôl iddo.”
Ond mae pweru'r offer wedi bod yn broblem. Dim ond 20% o effeithlonrwydd y mae system reoli hydrolig y tractor wedi'i ddangos wrth ei gysylltu â systemau hydrolig rhai offer fel planwyr, hadwyr a byrwyr.
“Mae yna wrthdaro yn y rheolaethau, lle mae’r ddwy system bron â brwydro yn erbyn ei gilydd,” meddai Patrick Stump, Ph.D. myfyriwr mewn peirianneg fecanyddol. “O ganlyniad, pan fydd wedi’i gysylltu â phlaniwr, mae’n rhaid i’r tractor redeg ar bŵer hynod o uchel bob amser, sy’n gwastraffu tanwydd ac yn cynyddu allyriadau.”
Yn yr astudiaeth hon, a ariennir drwy Adran Ynni yr Unol Daleithiau Swyddfa Effeithlonrwydd Ynni ac Ynni Adnewyddadwy, canolbwyntiodd tîm Vacca ei sylw ar combo penodol o dractor a plannwr, y ddau a ddarperir gan Achos New Holland Industrial, gyda systemau hydrolig a ddarperir gan Bosch Rexroth. Gweler y fideo.
Mae'r plannwr yn 40 troedfedd o led, gyda 16 o resi plannu.
“Mae gan bob rhes beiriannau lluosog yn cydweithio i blannu’r hedyn,” meddai Xiaofan Guo, Ph.D. myfyriwr mewn peirianneg fecanyddol. “Mae olwyn lanhau o'ch blaen i gael gwared ar y llystyfiant presennol. Mae disg torri yn torri ffos fach yn y ddaear, mae modur mewn gwirionedd yn gyrru'r hadau i'r ddaear, mae chwistrellwr yn bwydo dŵr a gwrtaith i'r twll ac yna mae disg terfynol yn gorchuddio'r twll. Mae yna 16 o'r rhesi plannu hyn, sydd angen symiau penodol o bwysau i blannu'r hadau'n llwyddiannus. Ac mae pob un ohonynt yn cael eu pweru gan un system hydrolig. ”
Er mwyn mynd i'r afael â'r broblem o optimeiddio'r combo tractor-plannwr, dewisodd tîm Vacca ddull tri cham. Yn gyntaf, roedd angen i'r ymchwilwyr nodweddu'r system hydrolig ac adeiladu model efelychu yn y cyfrifiadur.
“Mae’r tractorau hyn yn beiriannau drud a chymhleth,” meddai Xin Tian, Ph.D. myfyriwr a ddatblygodd y modelau dros gyfnod o bedair blynedd. “Felly fe ddechreuon ni trwy fodelu cydrannau unigol a'u profi mewn cyflwr llonydd yma yn y labordy. Pan fydd y rheini'n gywir, rydym yn cyfuno'r modelau cydran yn system - ac yn profi'r system - fel y gallwn wirio bod y model cyfan yn ddilys. Mae'r model mor fawr a chymhleth, mae fy nhîm yn ei alw'n 'Yr Anghenfil!'”
Ar ôl iddynt ddilysu eu model, symudodd yr ymchwilwyr i gam dau: datblygu atebion y gallent eu profi.
“Mae amodau plannu gwahanol yn gofyn am wahanol bwysau a chyfradd llif,” meddai Tian. “Os yw’r model yn dangos gwelliannau addawol mewn pŵer ac effeithlonrwydd, yna gallwn ddechrau gweithredu’r newidiadau hyn o dan amodau’r byd go iawn.”
Ar gyfer y trydydd cam - profion byd go iawn - gwisgodd y tîm y combo tractor-plannwr gyda myrdd o synwyryddion.
“Mae angen i ni wybod faint o bŵer y mae’r tractor yn ei ddefnyddio, beth mae’r pympiau hydrolig yn ei wneud, a beth yw’r pwysau a’r cyfraddau llif trwy’r plannwr,” meddai Jake Lengacher, myfyriwr Ph.D. myfyriwr. “Mae’r holl wifrau hynny’n arwain i mewn i flwch caffael data newydd a osodwyd gennym yn y cab, felly mae gennym ddarlun llawn o’r hyn sy’n digwydd yn ystod cylch plannu.”
Diolch byth am y tîm, mae gan Purdue ddigonedd o lefydd i dractorau anferth grwydro. Mae'r Coleg Amaethyddiaeth neilltuo darn chwarter milltir o dir i dîm Vacca yn y Canolfan Ymchwil ac Addysg Gwyddorau Anifeiliaid yn West Lafayette.
“Rydyn ni’n ffodus iawn yn Purdue,” meddai Vacca. “Mae gennym ni lawer o le mewn labordy ym Maha lle gallwn brofi’r peiriannau mawr hyn o dan amodau rheoledig; ac mae gan amaethyddiaeth hefyd lawer o leiniau fferm lle gallwn gynnal ymchwil maes.”
A chan nad oedd unrhyw un o aelodau'r tîm erioed wedi gweithredu tractor mor fawr yn y maes, darparodd Case New Holland hyfforddiant i'w dysgu sut i yrru.
“Pwer pur tractor 25,000-punt gyda 435 marchnerth, yn tynnu plannwr 10,000-punt - mae'n anhygoel,” meddai Stump. “Ond mae cryn dipyn yn digwydd yn y cab hefyd, yn enwedig i weithredu'r plannwr. Mae’n bendant yn swydd dau ddyn, felly fel arfer mae Jake hefyd yn y cab yn monitro’r data ar liniadur.”
Cynhaliodd y tîm sawl rhediad yng ngwanwyn 2021, lle gwnaethant blannu hadau ŷd ar wahanol gyflymder injan a chyfraddau plannu a bennwyd ymlaen llaw. Wrth gribo trwy'r data, canfuwyd bod eu systemau rheoli hydrolig newydd yn trosi'n gynnydd effeithlonrwydd cyffredinol o 25%.
“O ystyried faint o danwydd y mae tractor nodweddiadol yn ei ddefnyddio, mae hynny'n welliant aruthrol,” meddai Vacca. “A dim ond y dechrau yw hyn. Nod ein prosiect yw dyblu effeithlonrwydd y system rheoli hydrolig gyffredinol. Yn y dyfodol, rydyn ni’n bwriadu sefydlu dull rheoli pwysau ar gyfer y rhesymeg reoli, na geisiwyd erioed mewn cerbydau amaethyddol.”
“Pan welais y data a brofodd fod ein datrysiad yn gweithio, roeddwn i mor hapus,” meddai Guo. “Cefais fy magu mewn dinas, felly mae bod allan ar fferm fel hon yn brofiad eithaf cyffrous i mi. Fy arbenigedd yw systemau rheoli, felly roedd hi mor ddiddorol gweld ein damcaniaethau yn y labordy yn cael eu rhoi ar brawf yn y byd go iawn. Mae pŵer hylif yn faes sydd wedi’i hen sefydlu, ond mae cymaint o botensial o hyd i gynnig systemau newydd a phensaernïaeth newydd i wneud pethau hyd yn oed yn well.”
Dywedodd Stump, “Wnes i erioed ddychmygu y byddwn yn gyrru tractor trwy gae fferm ar gyfer fy Ph.D. Roedd gen i gynlluniau i fynd i faes awyrofod. Ond mae'r hydroleg ar y tractorau hyn yr un mor gymhleth ag awyren neu roced. Mae plymio’n ddwfn i bŵer hylif wedi bod yn hynod berthnasol i’m dyfodol ym maes peirianneg.”
Dywedodd Tian, “Yn sicr dyma uchafbwynt fy amser yma yn Purdue. Rhoddais gymaint o amser yn y modelau hyn, ac roedd gweld y gwelliant yn y canlyniadau yn foment hapus iawn i mi.”
Meddai Vacca, “Gweld gwaith caled ein myfyrwyr – a gweld syniad yn mynd o’r labordy i’r maes – dyna’r rhan orau o’n swydd mewn gwirionedd.”
- Jared Pike, Prifysgol Purdue