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Os projetistas de aplicações de controle de movimento para serviços pesados tradicionalmente especificaram cilindros hidráulicos para sua alta velocidade, manuseio de carga pesada e resiliência, enquanto aceitam relutantemente a necessidade de infraestrutura de suporte, manuseio de fluidos confuso e capacidade digital limitada como males necessários. No entanto, os avanços recentes que incorporam a tecnologia hidráulica em atuadores lineares elétricos têm proporcionado os benefícios da hidráulica sem suas desvantagens.

Um excelente exemplo de uma aplicação capitalizando esta conversão tem sido a otimização do controle de profundidade de sementes para plantadeiras agrícolas de múltiplas fileiras. A plantadeira elétrica Graham, inovadora em tecnologia agrícola baseada no Colorado, desenvolveu uma solução usando atuadores eletro-hidráulicos da Thomson Industries, Inc. Ela equipa semeadoras convencionais para controle interativo em tempo real de profundidade de sementes sem a bagunça, intrusividade ou alta manutenção de cilindros hidráulicos.

Mantendo a simplicidade

Os agricultores que plantam milho, soja e outras culturas em linha geralmente sabem a profundidade para plantar suas sementes para o rendimento máximo, mas alcançar essa profundidade consistentemente em meio às condições do solo que mudam diariamente de campo para campo, linha para linha e até mesmo dentro de linhas é um desafio. O plantio de sementes muito raso, por exemplo, pode causar enraizamento muito próximo à superfície, enquanto o plantio muito profundo pode atrasar o surgimento da cultura.

A maioria das plataformas de plantio puxadas por trator em uso hoje são equipadas com molas mecânicas que aplicam força descendente nos aplicadores de sementes para manter os sulcos na profundidade certa, mas não têm como se ajustar às mudanças nas condições do solo.

"Conhecemos muitos agricultores que não estavam prontos para comprar uma plantadeira nova, mas queriam algo que lidasse melhor com as mudanças do solo do que as molas que estavam usando", disse Marty Graham, sócio-gerente da Graham.

Graham se propôs a substituir molas mecânicas por atuadores que se ajustariam rapidamente em tempo quase real. Comprometido com a filosofia de manter a simplicidade, Graham determinou que a solução de atuação que ele precisava exigiria as seguintes características, no mínimo:

  • Capacidade de resistir aos elementos
  • Resistência à carga de choque
  • Requisitos mínimos de infraestrutura externa
  • Operação limpa e de baixa manutenção
  • Integração sem fio

Os cilindros hidráulicos tradicionais atendiam aos dois primeiros requisitos, mas Graham os descartou.

"Queríamos evitar cilindros hidráulicos porque eles são complicados, e há muitas conexões, mangueiras e fiação em todo o lugar", afirmou, acrescentando que os sistemas de suporte de cilindros já sobrecarregam os sistemas hidráulicos necessários para lidar com outras funções. Eles também exigem uma infraestrutura elaborada de entrega de fluidos, que tem o potencial de vazar e criar bagunças perigosas.

A exclusão dos cilindros hidráulicos o levou a atuadores elétricos, mas eles não tinham a resiliência de que ele precisava.

"Se você estiver atravessando o campo e atingir um bando de terra ou uma rocha, o atuador precisa ser capaz de dar um pouco", disse Graham. "Atuadores normais à base de parafusos esféricos podem dobrar, e você estaria substituindo atuadores o tempo todo."

Um sistema hidráulico na roupa do atuador elétrico

Enquanto ele continuava a explorar opções, Graham descobriu que a Thomson oferecia um atuador elétrico com uma câmara de fluido hidráulico embutida que fornecia a durabilidade e os recursos de comunicação que sua aplicação exigia, sem a necessidade de uma infraestrutura externa complicada e de alta manutenção.

O atuador eletro-hidráulico H-Track da Thomson tem o menor envelope de montagem de sua classe e usa um design patenteado de válvula e reservatório dentro dessa área. Um motor conectado controla a direção do fluxo de fluido dentro do atuador e os tanques divididos ligados por uma válvula de alívio fornecem o alívio de contrapressão que dá ao sistema sua resiliência.

O próprio atuador H-Track ocupa menos espaço do que um cilindro hidráulico, mas não requer um reservatório de fluido externo para executar linhas de fornecimento de fluido para cada linha de cultivo.

Os alojamentos dos atuadores H-Track são completamente vedados, à prova de intempéries, vedados contra poeira, resistentes à corrosão e testados quanto à classificação IP67 estático para submersão temporária e lavagem de alta pressão IP69K. O atuador também fornece opções de fluido hidráulico de até 82 °C (180 °F). As unidades são lubrificadas durante a montagem, não exigindo ajustes ou manutenção após saírem da fábrica e garantindo um desempenho consistente durante a vida útil do atuador.

"Não conseguimos encontrar nenhum outro produto que faça o que o H-Track faz", disse Graham. "A câmara hidráulica autônoma é fundamental. Outros fornecedores estão tentando realizar o que uma válvula de alívio em uma câmara hidráulica faz, mas não é tão bom quanto o que a Thomson está nos fornecendo hoje."

O atuador linear eletro-hidráulico H-Track da Thomson permitiu que a Graham Electric implantasse um sistema de gerenciamento de profundidade de sementes elétrico compacto e sem fio que poderia se pagar no primeiro ano de operação.

Controle eletrônico de profundidade em ação

O sistema de controle de profundidade Graham é emparelhado com um disco de semeadura a vácuo que deposita as sementes no solo. Um plantador típico semeia até pelo menos 24 fileiras por varredura com uma unidade de controle de profundidade e, portanto, requer um atuador para cada fileira.

Graham personaliza uma unidade de controle de profundidade para cada aplicação do agricultor. Em uma configuração típica, as rodas de calibre andam na trincheira de semente atrás do disco de semeadura. Um sensor de célula de carga monitora a profundidade da roda de calibre e envia leituras sem fio para o software de controle. Um algoritmo determina se as rodas de calibre estão muito altas ou baixas e sinaliza ao atuador para expandir ou reduzir a força descendente em conformidade. "Se o atuador eletro-hidráulico H-Track recebe um sinal de que há muita pressão, ele apenas libera, o que sinaliza nossos eletrônicos para redefini-lo, e ele volta para onde estava", disse Graham.

Personalizado de acordo com os requisitos de cada agricultor, o sistema de controle de profundidade da Graham Electric depende fortemente do atuador H-Track da Thomson para manter o controle de seus semeadores.

Apenas dois fios conectam cada atuador a uma placa de circuito sem fio complementar montada atrás dela. Além de permitir que o atuador receba dados de sensores de posicionamento que monitoram a profundidade, a placa de circuito permite o compartilhamento de atualizações de status em tempo real com o painel de controle, integrando-o com uma imagem completa da operação de semeadura.

Com os sistemas de controle de profundidade da Graham, os operadores de plantadeiras são capazes de monitorar e ajustar o status de pressão de cada atuador, que são representados pelas barras amarelas à esquerda.

"Geralmente estamos a mais ou menos 1 polegada do nosso ponto de ajuste, variando o curso do atuador entre 1,24 e 3,25 polegadas", disse Graham. "Se os agricultores estão plantando em terraços ou têm solo muito solto, então eles podem puxá-lo até o curso zero, ou se é um terreno realmente duro, eles podem ter que empurrá-lo todo o caminho, mas muito raramente eles terão que usar a capacidade de curso completo do atuador".

A maior pressão que os atuadores precisam aplicar é tipicamente de 50 a 100 libras acima do peso de 250 libras da própria unidade de semeadura. Isso está bem abaixo da capacidade de manuseio de carga do H-Track de 4.800 libras.

Graham instala o sistema com o mínimo de interrupção nos sistemas herdados. Ele usa a bateria de 12 volts já no sistema e não requer sistemas ou fios adicionais de manuseio de fluidos. Há também menos peças mecânicas que podem quebrar, vazar ou exigir manutenção adicional. O controle elétrico fornece movimento linear limpo e suave, sem encanamento hidráulico ou outros componentes caros. As demandas de energia do H-Track são significativamente menores em comparação com sistemas totalmente hidráulicos, já que os atuadores somente precisam de energia quando estão em movimento.

"E a comunicação sem fio elimina os chicotes, cabos e fiação que seriam necessários, mantendo ainda mais nosso compromisso com a simplicidade", disse Graham.

Colhendo os benefícios

Graham estimou que a mudança das molas para o controle elétrico da profundidade das sementes melhorará o rendimento em pelo menos 5%. Ele calculou que um agricultor que recebe 200 alqueires de milho por acre deveria esperar um aumento de 5 a 6 alqueires, o que traria US$ 18 por acre ou US$ 18.000 por mil acres no primeiro ano, muito mais do que o custo da conversão. Esse benefício se acumula a cada ano, juntamente com menor custo e simplicidade da implantação dos recursos sem fio do atuador H-Track da Thomson e maior valor de revenda.

"O H-Track com a câmara hidráulica autônoma foi a espinha dorsal de todo o produto", acrescentou Graham. "Uma vez que tivemos isso, conseguimos terminar nosso design e transformá-lo no produto comercial que estamos vendendo há dois anos. Sem os benefícios de um atuador eletro-hidráulico, todo o produto seria dramaticamente diferente".

Graham e sua equipe estão agora abordando outros problemas de automação de semeadura, incluindo alguns que envolvem atuadores eletro-hidráulicos e outros que empregam atuadores elétricos tradicionais, todos sem fio.

Os agricultores que operam plantadores de sementes de várias fileiras (esquerda) que incorporam o sistema de controle de profundidade de Graham com atuadores eletro-hidráulicos da Thomson (direita) têm experimentado rendimentos e retornos aprimorados em seus investimentos em menos de um ano.

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