Kurie kolektoriniai žiedai užtikrina efektyvią energijos perdavimą laistymo sistemoms?

Supraskite, kas yra kolektoriniai žiedai ir jų vaidmuo laistymo sistemose

Kas yra kolektoriniai žiedai ir kaip jie palaiko laistymo veiklą?

Kolektoriniai žiedai, kartais vadinami slydimo žiedais, yra elektromechaniniai elementai, kurie užtikrina pastovų energijos ir signalų perdavimą tarp nejudamų ir judamų dalių dideliuose centrinio sukimosi laistymo sistemos įrenginiuose. Jų veikimo principas iš tiesų gana protingas – naudojami spyruokliuoti kontaktai, prisiliečiantys prie specialiai pagamintų laidžių žiedų, leidžiantys elektrai tekėti net tuomet, kai viskas sukasi 360 laipsnių kampu. Be jų, visi laidai apsivyniotų ir galiausiai pertrūkinėtų. Ką tai reiškia ūkininkams? Tai reiškia, kad jų siurbliai toliau veikia be pertraukos, vožtuvai tinkamai funkcionuoja, o visi jutikliai nuolat stebi dirvožemio drėgmę be jokių pertraukų. Toks patikimumas labai svarbus užtikrinant nuolatinį laistymo režimą didelėse laukuose.

Nepertraukiamo maitinimo ir signalų perdavimo realizavimas besisukančiose sistemose

Geriausi šiandien rinkoje esantys kolektoriniai žiedai turi auksu dengtus kontaktus kartu su specialiais lydiniais, kurie atsparūs korozijai, todėl jų laidumas lieka stabilus net ir sudėtingomis sąlygomis lauke. Varža dažniausiai išlieka žemiau 0,5 omų nepaisant bet kokių aplinkos iššūkių. Šie žiedai taip pat yra hermetiškai modulinės konstrukcijos, apsaugančios nuo dulkių ir drėgmės, bei gali išlaikyti srovę iki 20 A, kas puikiai tinka dideliems pramoninės laistymo sistemų varikliams. Palyginti su tradicinėmis standžiomis laidų sistemomis, techninio aptarnavimo poreikiai sumažėja iki 85 %, kas nustatyta keletą augalų sezonų trukusių tyrimų, atliktų su žemės ūkio įranga. Kodėl taip atsitinka? Dėl to, kad mechaninis dėvėjimasis yra žymiai mažesnis, nes šios sistemos sklandžiai juda per pastovų sukimosi veiksmą, nesusidurdamos su dažnais gedimais.

Pagrindiniai energijos perdavimo iššūkiai centrinės sukimosi laistymo sistemose

Elektros Pertraukos Dėl Sukimosi ir Aplinkos Poveikio

Tolygus sukimosi judesys palaipsniui susildo kontaktinius paviršius, dėl ko didėja elektrinė varža ir atsiranda elektros iškrovos. Dulkių, drėgmės bei temperatūros svyravimai dar labiau pagreitina koroziją, ypač nehermetiškuose mazguose. 2022 metų lauko tyrimas parodė, kad 63 % nehermetiškų kolektorinių žiedų kukurūzų fermose per vienerius metus susidūrė su oksidacijos sąlygotomis varžos šuoliais, dėl ko buvo pažeidžiama sistemos patikimumas.

Prasto Jungiamumo Poveikis Sistemos Veikimo Laikui ir Derliaus Produktivitybei

Kai elektros jungtys laikui bėgant pradeda blogėti, atsiranda įtampos kritimas, kuris trikdo siurblių ir valdymo vozdų veikimą, dėl ko kyla įvairių problemų su vandens tiekimu ten, kur jis reikalingas. Ir čia matematika taip pat nepaliežūnauja. Jei elektrinė varža padidėja 10 procentų, varikliai praranda apie 2,8 procento efektyvumo. Tai reiškia, kad įrangai tenka dirbti ilgesnį laiką, kad užbaigtų darbą tinkamai. Kalbame apie apie 15–20 procentų ilgesnį veikimo laiką tiems pačiams rezultatams pasiekti. Ūkininkai, susiduriantys su sausros sąlygomis, tai žino labai gerai. Tokio tipo nuostoliai kritiniu metu, kai augalams reikia daugiausiai vandens, gali sumažinti derliaus nuėmimą beveik trečdaliu, dėl ko drėkinimo sistemos tampa nepatikimos būtent tada, kai jos labiausiai reikia.

Duomenų analizė: 40 % gedimų susiję su elektros jungiamumui (USDA, 2022)

USDA išsiaiškino, kodėl laistymo sistemos nuolat sugenda, ir tai, ką jie atrado, buvo gana netikėta. Apie 40 procentų visų netikėtų sustojimų centrinės sukimosi sistemos metu atsiranda dėl prastų elektrinių kontaktų, dažniausiai dėl pigių kolektorinių žiedų, kurie tinkamai neveikia. Palyginkite ūkius, kuriuose nenaudojami auksu padengti kontaktai, su tais, kurie investuoja į aukštesnės kokybės dalis. Skirtumas yra milžiniškas. Tiems, kurie naudoja prastesnio lygio kontaktus, per metus reikia beveik tris kartus daugiau techninės priežiūros nei aukščiausios kokybės sistemoms. O kai šios sistemos išeina iš rikiuotės, dideli ūkiai kiekvieną kartą praranda apie 17 akrų produktyvumo. Per kelis sezonus tai greitai kaupiasi.

Aukštos efektyvumo kolektorinių žiedų projektavimo principai

Medžiagos parinkimas: auksu padengti arba vario lydinio kontaktai ilgaamžiškumui

Šiandien pramonė didžiąja dalimi pereina prie vario-berilio lydinių aukštos kokybės kolektoriams. Ūkininkai, remdamiesi 2023 m. žemės ūkio inžinerijos žurnale paskelbta studija, teigia, kad jie tarnauja apie 40 % ilgiau nei įprasti variniai detalių. Aukso danga, žinoma, užtikrina geresnę apsaugą nuo rūdijimo, tačiau dauguma įmonių renkasi vario lydinius kartu su grafitu sidabru padengtais šepeteliais, nes tai leidžia sutaupyti lėšų ir tuo pačiu metu atsparumas dilimui yra apie 18 % geresnis. Realios aplinkos bandymai rodo, kad tokia konfigūracija sumažina kasmetinius techninio aptarnavimo poreikius maždaug dvigubai, o tai yra labai svarbu, kai įranga nuolat veikiama purvo ar cheminėmis dirvožemio priemonėmis.

Hermetizavimas ir IP reitingu apsauga nuo drėgmės, dulkių bei korozijos

Hermetiškai uždaros korpusai neleidžia 92 % aplinkos sąlygų sukeltų gedimų. Daugiasluoksnė apsauga ir IP65 atsparumo lygio korpusai palaiko kontaktinę varžą žemiau 5 miliohmų net esant 95 % santykiniam drėgnui (Farm Equipment Quarterly, 2024). Lydiniu liejami aliuminio pagrindai ir polimeru hermetizuoti guoliai atsparūs šiluminiam plėtimuisi bei cheminiam skilimui, užtikrindami sklandų veikimą temperatūrų diapazone nuo -20 °C iki 65 °C.

Mažos varžos maršrutai minimalioms energijos nuostoliams

Tiksliai apdirbti žiedai su ±0,005 mm tikslumu sumažina lankstymąsi ir įtampos kritimą. Variniai maršrutai, poruojami su 80 % gryno grafito šepetėliais, riboja energijos nuostolius iki tik 0,23 % kas 100 metrų sukimosi kelio – tai ypač svarbu palaikant variklio sukimo momentą žemos įtampos sistemose. Pažangios konfigūracijos pasiekia mažiau nei 3 % bendrųjų galios sunaudojimą per visus darbo ciklus.

Pažangios konstrukcijos nenutrūkstamai maitinimo tiekimui

Moduliniai kolektoriniai žiedai yra su aiškiai pažymėtais laidų kanalais ir guoliais, kuriuos galima lengvai sutepti, todėl technikams daug paprasčiau atlikti gedimų šalinimą ir kasdienį aptarnavimą. Kai kalba eina apie daugiaviečių konfigūracijas, jie tvarko tiekimą maždaug 30 A pastoviai, taip pat užtikrina greitą duomenų perdavimą, kurio reikia išmaniesiems jutikliams, prijungtiems prie dalykų interneto. Po beveik trejų metų realių pasaulio bandymų iš eilės, šios integruotos sistemos išlaikė įspūdingus 98,4 procentų veikimo laiką nereikiant jokio planuojamo techninio aptarnavimo. Toks patikimumas daro juos puikiu pasirinkimu laistymo sistemoms, kuriose perkritiniais augimo sezonais prastovos tiesiog neįmanomos.

Realios naudos veikimas: Atvejo tyrimas iš Nebraskos centro sukimosi sistemų

Užsandarintų daugiaviečių kolektorinių žiedų diegimas lauko sąlygomis

Visoje Nebraskos kukurūzų auginimo zonoje buvo atlikta išplėsta 2 metų trukmės bandomoji eksploatacija, siekiant ištirti, kaip gerai šie nauji kolektoriniai žiedai veikia esant maksimaliai apkrovai. Inžinierių komanda įrengė ypatingą IP67 apsaugos lygio įrangą su vario lydinio kontaktais, esančiais triply hermetiškai užsandarintuose korpusuose, kurie specialiai sukurti atlaikyti dulkių audras ir staigius drėgmės pokyčius, būdingus šiai vietovei. Šiuos kolektorius išskyrė daugiavietė kilpų sistema, kuri užtikrino elektros srovės tekėjimą per atsarginius kelius kiekvieną kartą, kai bet kuris kanalas pradėdavo rodyti nusidėvėjimo požymius. Papildomai, siekiant užtikrinti patikimumą, ryšio taškuose buvo naudojamas aukso dengimas, kadangi oksidacija gali būti tikra problema srityse, kur kasmet išlieja apie 114 cm kritulių ir pastoviai susidaro rasą ant visko.

Rezultatai: 30 % mažesnis prastovų lygis ir 18 % didesnis energijos naudojimo efektyvumas

Diegimo rezultatai parodė reikšmingus patobulinimus palyginti su senosiomis sistemomis:

2022 m. USDA laistymo technologijų ataskaita fiksavo panašius rezultatus drėgmės stygiaus regionuose, pažymėdama, kad stabilus elektros perdavimas užkirstas kelią 40 % siurblių gedimų. Nebraskos ūkininkai, atnaujinę sistemą, kasmet išvengė 8–10 skubios pagalbos iškvietimų.

Ūkininkų atsiliepimai ir trijų metų grąžos analizė

„Tik dėl sumažėjusių dyzelino sąnaudų atsipirkome modernizavimo kaštus per 24 mėnesius“, – sakė 5 000 akrų kukurūzų auginimo ūkininkas. Nepriklausoma analizė patvirtino kaupiamą naudą:

• 1 metai: 15 % mažesnis vandens suvartojimas dėka tikslaus įtampos reguliavimo
• 2 metai: sutaupyta 18 000 JAV dolerių, išvengus siurblių remonto
• 3 metai: derlingumas padidėjo 12 % dėka nuolatinio laistymo

Dirvožemio drėgnumo jutikliai, prijungti per kolektorinių žiedų integruotus duomenų kanalus, leido atlikti realaus laiko koregavimus, kas buvo gyvybiškai svarbu 2023 m. sausros metu. Žemės ūkio elektronikos tyrimų centras tokius integravimus laiko būtinais klimatui atspariai žemdirbystei.

Ateities tendencijos: protingas laistymas ir hibridinių kolektorinių žiedų raida

Energijos ir duomenų perdavimo integravimas IoT įgalintiems laistymo valdymo sprendimams

Ūkininkai šiandien labai pasikliauja mažais IoT jutikliais, išmėtytais per visus laukus, kad stebėtų viską – nuo dirvožemio drėgmės iki to, kas vyksta danguje, ir kaip auga pasėliai. Šie hibridiniai kolektoriniai žiedai pastaruoju metu tapo kažkuo ypatingu – jie ne tik tiekia stabilų elektros maitinimą, bet taip pat siunčia tiesioginę informaciją iš besisukančių laistymo strypų atgal į pagrindinę valdymo sistemą. Nebereikia daugybės papildomų laidų, todėl montavimas tampa žymiai paprastesnis, o pastarieji tyrimai parodė apie ketvirtį sumažėjusią sumaištį diegiant. Geriausi prekės ženklai siūlo nuo keturių iki dvylikos atskirų grandinių, kurios tvarko tiek paprastus variklių uždavinius, tiek sudėtingesnius darbus, pvz., tiksliai reguliuoti vandens padavimo kiekį ten, kur tai būtina.

Didėjantis tikslaus ūkininkavimo reikalavimas signalus perduodantiems kolektoriniams žiedams

Numatoma, kad tikslinio žemdirbystės rinka artimiausiais metais gerokai išaugs, o pagal pramonės prognozes nuo 2024 iki 2030 metų ji augs apie 12 % kasmet. Tai reiškia, kad auga susidomėjimas kolektorinių žiedų modeliais, kurie geba tvarkyti tuos aukšto dažnio signalus be jokių problemų. Šiuo metu dauguma ūkininkų ieško modelių su geru EMI skydymu ir minimaliu elektriniu triukšmu – pageidautina mažesniu nei 3 dB, kad jų GPS sistemos tinkamai veiktų ir automatiniai maitinimo medžiagų dozatoriai funkcionuotų kaip numatyta. 2023 m. JAV žemės ūkio departamentas (USDA) taip pat pateikė įspūdingų tyrimų rezultatų: ūkiai, kurie pereidavo prie šių signalus perduodančių kolektorinių žiedų, vandens švaistymą sumažino beveik 20 %, palyginti su senesniais metodais. Toks efektyvumas vienodai svarbus tiek operacinių sąnaudų, tiek aplinkos poveikio požiūriu.

Moduliniai ir mastelio keitimo galintys dizainai automatizuotiems bei būsimos kartos ūkiams

Ateities laistymo sistema priklauso nuo infrastruktūros, kuri gali keistis pagal poreikius. Ūkininkams patinka moduliniai kolektoriniai žiedai, nes jie gali paprasčiausiai pridėti papildomas maitinimo linijas ar duomenų ryšio jungtis, nereikiant išardžius visos sistemos. Toks lankstumas pastaruoju metu tampa gana įprastas, kas atspindima sektoriaus literatūroje. Geriausia yra tai, kad šios skaluojamos modeliuotės, turinčios IP66 apsaugos lygį, gali tolygiai suktis 360 laipsnių kampu, pasiekdamos iki 10 apsisukimų per minutę. Jos puikiai veikia ir su didesnėmis sukamąja konfigūracija. Net ir esant sunkioms oro sąlygoms, šios sistemos palaiko kontaktinę varžą mažesnę nei pusė oma, kas užtikrina patikimą veikimą nepaisant purvo, drėgmės ar bet ko kito, ką jiems metą Gamtos motina.

DUK