Hållbara maskiner för jordbrukssektorn

Världens befolkning förlitar sig på jordbrukssektorn för livsmedelssäkerhet, vilket gör effektiv och hållbar produktion avgörande för mänskligt liv. Ekologiskt jordbruk med integrerat växtskydd är ett område av intresse för sektorn, men beroendet av förbränningsmotorer (ICE) skadar jordbruksarbetarnas hälsa och förorenar produkterna.

Dessa maskiner släpper ut föroreningar, såsom CO2 och partiklar, som är skadliga för operatörer och kan förorena växter, löv, blommor och frukt. Vidare kan bränslesystem brista och orsaka spill, vilket förorenar marken och framtida produktion. Dieselmaskiner avger också höga ljudnivåer, vilket skadar människor i närheten.

Pitteri Violini är en ledande leverantör av komponenter, motorer och slutanvändarmaskiner för bygg- och jordbrukssektorerna. Känd för sin kvalitet, originalitet och utmärkta designegenskaper, har Pitteri Violini tillverkat självgående maskiner i mer än tio år. Dess banbrytande fruktplockningstraktor erbjuder redan självnivellerande funktioner för fruktplockning i berg och kullar. Att elektrifiera denna maskin bygger på dess tradition av kundservice och innovation för att skapa hållbara maskiner för jordbrukssektorn.

Parker Hannifin, ett globalt rörelse- och styrteknikföretag, levererade flera komponenter till den elektriska fruktplockningstraktorn, tillsammans med omfattande design- och konsulttjänster. Den mycket effektiva GVM-motorn och GVI-växelriktaren gjorde det möjligt för Parker att designa en lösning som uppfyller kraven för att köra ett helt skift utan behov av laddning.

Den inledande fasen av detta projekt var en direkt ersättning av dieselkraftproduktionen med en elektrisk motsvarighet. Framtida modeller av denna maskin kommer dock att optimera maskinen och erbjuda ännu större fördelar.

Utmaningarna med att tillverka elektriska jordbruksmaskiner

Precis som vid övergången till andra tunga maskiner är det ofta den begränsade batterikapaciteten som hindrar övergången från dieseldrivna motorer till elmotorer. Lantbruksmaskiner arbetar på långa avstånd från gårdens huvudinfrastruktur, vilket gör det opraktiskt att ladda maskinerna under ett arbetsskift. Varje tidsförlust för laddning minskar också produktiviteten i verksamheten avsevärt.

Dessutom sysselsätter jordbrukssektorn många okvalificerade arbetare som är bekanta med enkla, mekaniska maskinfunktioner utan komplexa mänskliga gränssnitt. Elektriska maskiner måste efterlikna denna enkelhet för att övergången till elektriska maskiner ska bli så smidig som möjligt. Utbildning och utveckling av operatörer inom jordbrukssektorn är en viktig del i övergången från kolvätebränslen till elektriska maskiner.

Fruktplockartraktorn var en idealisk kandidat för elektrifiering tack vare sin ringa storlek och lägre effektbehov än andra maskiner. Traktorns kompakthet gjorde det dock svårt att montera de elektriska komponenterna och batteriet på chassit utan att ändra konstruktionen. Den här maskinen arbetar i direktkontakt med frukten och i närheten av flera operatörer hela tiden, så elektrifieringen av traktorn kommer att ha en omedelbar inverkan på hälsan och produktkvaliteten.

Den elektriska tekniken bakom traktorn för fruktplockning

Den elektriska lösningen för fruktplockartraktorn är utformad som ett lågspänningssystem med ett 96 V-batteri. Detta tillvägagångssätt ger en enkel lösning som är lätt att hantera. Parker levererade flera komponenter till fruktplockaren, varav de viktigaste listas nedan:

•  GVM210.100.DPW motor: Denna motor ersätter dieselmotorn och ger kraft för att driva maskinen samt hydrauliska hjälpfunktioner. Dess höga effekttäthet och höga verkningsgrad gör den till en väl lämpad lösning för denna applikation.
• GVI.E096.700 inverter: Denna lågspänningsmotorstyrenhet erbjuder en kombination av kraft, prestanda och funktionalitet. Dess kompakta mått och höga effektivitet gör den idealisk för integrering i begränsade utrymmen, och den högeffektiva kylplattans design innebär att omriktaren inte kräver extern kylning.
• QDC007 kylsystem: A thermal management system consisting of an air fluid heat exchanger, water pump, pipes, and sensors provides cooling for the GVM motor. The system automatically controls the temperature of the liquid cooling system.
• QAN-MD4 controller och display system: Styrsystemet IQAN kontrollerar maskinens funktioner och låter operatören ändra parametrarna med hjälp av den 7-tums displayen med ett enkelt gränssnitt. Operatörerna kan också använda den medföljande joysticken för att styra maskinen precis som de skulle ha gjort med den tidigare dieseldrivna versionen.

Parker valde ut de specifika elektriska komponenterna med fruktplockartraktorns funktionalitet och mekaniska konfiguration i åtanke. Det var ett krav från Pitteri Violini att behålla den mekaniska konfigurationen hos den ursprungliga ICE-traktorn, och GVM-motorn och GVI-omriktaren var avgörande för att uppnå detta mål. Prototypversionen av denna maskin uppfyller det primära målet att ersätta kolväten som energikälla med elektricitet, men lägger också grunden för optimering av framtida modeller.

En strategi inriktad på samarbete

Pitteri Violini har en lång historia av innovation när det gäller design och konstruktion av jordbruksmaskiner. Teamets engagemang för att optimera maskinerna enligt kundernas krav ledde till den banbrytande konstruktionen av den självgående och självnivellerande fruktplockningsmaskinen för bergiga och kuperade terränger. Företaget använde samma engagemang och innovation i samarbetet med Parker för att elektrifiera denna maskin.

Parker Hannifin har å andra sidan utvecklat teknik och komponenter för mobila maskiner i mer än 100 år. Företagets expertis omfattar de tekniska detaljerna i elektrifieringskomponenter samt den stora erfarenheten av hur mobila maskiner fungerar i ett brett spektrum av applikationer.

Parker och Pitteri Violini samarbetade kring elektrifieringen av fruktplockaren genom att analysera prestandan hos ICE-maskinen och databladet för dieselmotorn. Hydrauliska flödes- och tryckdata omvandlades till energi, vilket låg till grund för valet av GVM-motor och GVI-omriktare - en mycket högeffektiv lösning. Den minsta batterikapaciteten specificerades baserat på strömförbrukningsdata från GVM och GVI och kravet på att uppfylla traktorns krav på arbetscykel.

Det inledande samarbetet mellan Parker Hannifin och Pitteri Violini syftade till att elektrifiera fruktplockartraktorn utan några förbättringar. Framtida samarbeten kommer dock att innebära en fullständig omkonstruktion av hydraulsystemet i en optimerad lösning med två motorer. Den ena motorn kommer att stå för dragkraften, medan den andra kommer att stå för hjälpfunktionerna. Detta tillvägagångssätt kommer att spara en betydande mängd energi och göra det möjligt att använda Parker NX8-serien av motorer som är utformade för mobila applikationer med låg spänning. Som en förberedelse inför nästa fas av elektrifieringen av fruktplockaren samlar det nuvarande systemet in data om energiförbrukning, flöde, temperatur och andra parametrar på tidsbasis och korrelerar data med maskinens funktion vid den aktuella tidpunkten.

Fördelarna med elektriska jordbruksmaskiner

Den elektrifierade fruktplockartraktorn levererar enastående resultat när det gäller avgasutsläpp och buller. Bullernivåerna runt maskinen har sjunkit från 80 dB till strax över noll. Denna förändring har inneburit en omedelbar förbättring av komforten och risken för långvarig hörselnedsättning för förarna. Avgasutsläppen har reducerats till noll eftersom inga fossila bränslen används i maskinen. Det innebär att operatörerna inte längre utsätts för skadliga CO2-gaser och partiklar och att frukten är fri från föroreningar.

Övergången från dieseldrivna motorer har också sänkt driftskostnaderna med 80% för maskinanvändaren. Denna enorma förbättring har uppnåtts utan att kompromissa med maskinens tillgänglighet. Den eldrivna fruktplockartraktorn körs i 12 till 14 timmar efter åtta timmars laddning med 220 till 380 volt.

Styrsystemet IQAN har också inneburit betydande fördelar för maskinanvändarna. IQAN gör det möjligt för operatörer att använda maskinen, ändra parametrar och få tillgång till information. Systemet samlar in data från sensorer om hydraultryck, flöde och temperatur. Det får också tillgång till data från omriktaren om spänning, ström och batteriets prestanda. I framtiden kan dessa data användas för att analysera maskinens prestanda och för att generera förebyggande underhållsråd. Genom att lägga till IoT-enheter blir det möjligt med fjärrassistans via molnet.

Baserat på framgången med detta projekt planerar Pitteri Violini att elektrifiera tio fruktplockningstraktorer varje år för att överföra den dieseldrivna flottan till en mer hållbar teknik. Programmet kommer också att utvidgas till andra maskiner så att hela branschen kan bli koldioxidfri över tid.

Slutsatser

Pitteri Violini och Parker har kombinerat sin expertis inom jordbruksmaskiner och rörelse- och styrteknik för att utveckla en elektrisk traktor för fruktplockning. Detta projekt är det första steget på en resa där sektorn ska övergå från fossila energikällor till en hållbar framtid.

Den elektriska fruktplockaren har haft en omedelbar inverkan på miljön genom att minska avgasutsläppen till noll och bullernivåerna från 80 dB till strax över 0 dB. Samtidigt har driftskostnaderna minskat med 80%.

Pitteri Violini säger: ”Även om det fortfarande finns ett ekonomiskt gap mellan en elektrisk applikation och en som drivs av en endotermisk motor, har vägen till minskade koldioxidutsläpp kartlagts och det kommer att finnas en ökande efterfrågan på maskiner med nollutsläpp. Pitteri Violini kommer att stå vid sidan av små och medelstora inhemska tillverkare och stödja dem i övergången till alltmer hållbara applikationer tack vare Parker och dess breda produktportfölj.”