Określenie wymagań projektowych i analiza charakterystyk układów napędowych ciągników elektrycznych na podstawie rzeczywistego obciążenia w gospodarstwie

Dlaczego czystsze maszyny rolnicze mają znaczenie

Współczesne gospodarstwa polegają na ciągnikach przy niemal każdej pracy — od orki przez transport ładunków po napęd narzędzi wirujących. Większość tych maszyn wciąż spala diesel, co wiąże się ze stratą energii i emisją spalin. W miarę zaostrzania przepisów klimatycznych i wahań cen paliw rośnie presja na zastąpienie diesla czystszą energią elektryczną. W tym badaniu postawiono pozornie proste pytanie: jeśli zbudujemy elektryczny ciągnik do pracy w polu, co dokładnie musi umieć i jaka jest najrozsądniejsza konfiguracja silników i przekładni?

Pomiary rzeczywistej pracy ciągników w polu

Zamiast opierać się na katalogowych danych, badacze zabrali konwencjonalny, średniej wielkości ciągnik dieslowski na pola i zmierzyli, jak ciężko rzeczywiście pracuje. Wyposażyli wszystkie cztery koła oraz wał odbioru mocy z tyłu w czujniki momentu i prędkości, zamieniając ciągnik w mobilne stanowisko badawcze. Następnie wykonywali typowe zadania: ciągnięcie pługa przez glebę, napęd narzędzia wirującego oraz jazdę drogą z dużą prędkością. Łącząc siły przy kołach i moment skręcający na wale WOM z prędkością jazdy, mogli obliczyć, jaką użyteczną moc każde zadanie wymagało w czasie.

Oddzielanie mocy do pchania od mocy do obracania

Ciągniki wykonują dwa zasadnicze typy pracy. Pierwszy to ciągnięcie ciężkich narzędzi przez glebę, co wymaga dużej siły trakcyjnej przy niskich prędkościach. Drugi to napęd narzędzi obracających się, jak kultywatory, przez wał odbioru mocy, co wymaga stabilnej prędkości obrotowej i momentu. Na podstawie danych terenowych zespół zbudował „koperty mocy” — krzywe pokazujące kombinacje prędkości i siły albo prędkości i momentu, które obejmują wszystkie zaobserwowane obciążenia wraz z zapasem bezpieczeństwa. Dla zadań ciągnących stwierdzili, że ciągnik musi dostarczać do około 32 kiloniutonów siły na zaczepie przy kilku kilometrach na godzinę i osiągać prędkości drogowe rzędu 33 km/h, co odpowiada mniej więcej 40 kilowatom mocy trakcyjnej. Dla zadań obrotowych wał WOM potrzebował blisko 40 kW przy typowych prędkościach obrotowych, przy czym znaczną część zapotrzebowania podczas pracy kultywatorem pochodziła z samego narzędzia wirującego, a nie z ciągnięcia.

Przekładanie obciążeń na cele projektowe dla napędu elektrycznego

Posiadając te koperty, autorzy mogli określić, co musi zapewnić elektryczny ciągnik tej samej klasy, bez bezmyślnego powielania mocy znamionowej silnika diesla. Argumentowali, że istniejące ciągniki są często przewymiarowane, ponieważ ich silniki muszą jednocześnie napędzać układy hydrauliczne i przepuszczać moc przez wielostopniowe skrzynie biegów, które powodują straty energii. Projektując od podstaw na podstawie zmierzonego obciążenia, ciągnik elektryczny może dopasować się do rzeczywistych potrzeb, unikając nadmiernie dużych silników i zbyt skomplikowanych przekładni. Badanie ustaliło więc oddzielne wymagania dla trakcji i wału odbioru mocy, każdemu przypisując maksymalną siłę, prędkość i moc, a funkcje hydrauliczne potraktowano jako obsługiwane przez niewielki dedykowany silnik elektryczny.

Trzy sposoby rozmieszczenia „mięśni” ciągnika elektrycznego

Na podstawie tych wymagań zespół porównał trzy różne układy napędowe. W konstrukcji z jednym silnikiem jeden duży silnik dostarcza zarówno moc do ciągnięcia, jak i do wału WOM przez skrzynię biegów, podobnie jak robi to dziś silnik diesla. To upraszcza sterowanie, ale wymaga skomplikowanej przekładni i prowadzi do większych strat mechanicznych. W układzie z dwoma silnikami „rozdzielającym moc” jeden silnik napędza koła, a drugi wał WOM, każdy przez prostszą przekładnię. Poprawia to efektywność i umożliwia niezależne regulowanie prędkości jazdy i prędkości narzędzia, lecz łączna pojemność silników jest duża. Trzeci wariant, dwusilnikowy „wspomagający”, wykorzystuje silnik główny oraz mniejszy silnik pomocniczy. W zależności od zadania mogą współpracować przy trakcji, lub silnik główny może skoncentrować się na napędzie narzędzia, podczas gdy pomocniczy dba o ciągnięcie. Rozwiązanie to może dobrze odpowiadać zmierzonym potrzebom mocy, ale wymaga bardziej złożonych sprzęgieł i zaawansowanego sterowania.

Co to oznacza dla przyszłych maszyn rolniczych

Dla osób niezwiązanych z branżą kluczowy wniosek jest taki, że skutecznych ciągników elektrycznych nie da się osiągnąć przez proste zastąpienie silnika diesla baterią i silnikiem o tej samej mocy nominalnej. Muszą być zaprojektowane od podstaw wokół rzeczywistej pracy w polu: jak mocno koła ciągną, jak szybko obracają się narzędzia i jak długo trwają poszczególne zadania. Przekształcając szczegółowe pomiary obciążenia w jasne koperty mocy, a następnie testując przeciwko nim alternatywne układy silników, badanie to dostarcza planu budowy ciągników elektrycznych wystarczająco mocnych, wydajnych i nieprzewymiarowanych. Ta sama metodologia może kierować doborem baterii, projektowaniem chłodzenia i strategiami sterowania, pomagając rolnikom przyjąć czystsze maszyny bez utraty wydajności.

Cytowanie: Ahn, DV., Kim, JT., Kim, K. et al. Determination of design requirements and characteristic analysis of powertrain configurations for electric tractors based on actual agricultural workload. Sci Rep 16, 14381 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44453-0

Słowa kluczowe: ciągniki elektryczne, maszyny rolnicze, projektowanie układu napędowego, elektryfikacja rolnictwa, obciążenie ciągnika