Композитные консоли удлиняют захват опрыскивателей, повышая эффективность

Удовлетворение сельскохозяйственного спроса. Растущее композитное применение в рынке сельскохозяйственной техники — консоли (boom arms) для самоходного опрыскивающего оборудования, используемого для нанесения жидких химикатов на культуры. Источник | Deere & Co.

Поскольку смежные сельскохозяйственные поля в таких областях, как Северная Америка, Аргентина и Бразилия, выросли больше благодаря консолидации, и поскольку безпахотное земледелие увеличивается в определенных географиях, фермеры хотят опрыскивательные системы с более длинными консолями, чтобы сократить количество проходов, необходимых для покрытия все больших полей. Это также снижает уплотнение почвы, увеличивая производительность и урожайность культур.

В ответ на эту потребность, аргентинское подразделение King Marine S.A. (Валенсия, Испания), чей основной бизнес, иронично, был фабрикацией композитных лодочных деталей с использованием авиационного углеродного пластика (УПВ), использовало свою композитную экспертизу в других рынках для разработки новых консолей опрыскивателей для самоходного опрыскивающего оборудования. В использовании консоли раскрываются и удлиняются перпендикулярно главной оси тракторов и позволяют фермерам наносить жидкие химикаты (например, инсектициды, гербициды и удобрения) на культуры. После использования они складываются и укладываются вдоль корпусов тракторов, чтобы избежать запутывания со столбами заборов и позволить фермерам ездить по дорогам.

Пределы металла. Традиционно производимые из стали, консоли опрыскивателей достигли своих практических структурных и ширины пределов из-за больших поддерживающих структур, необходимых для удержания консолей от изгиба под крутильными и усталостными нагрузками. Источник | Deere & Co

Консоли долго производились из стали, но по мере увеличения длины требовались более крупные поддерживающие структуры для удержания консолей от изгиба под крутильными и усталостными нагрузками и при непреднамеренных ударах о заборы, деревья и другие структуры. (Высокие усталостные нагрузки — почему консоли никогда не перешли на алюминий.) В свою очередь, более длинные консоли с большими поддерживающими структурами вынуждали фермеров покупать более крупные тракторы для перевозки более тяжелого опрыскивающего оборудования и более крупных баков, держащих большие объемы жидкостей; однако, решая одну проблему, более тяжелое оборудование приводит к увеличению уплотнения почвы и, в результате, снижению урожайности. Кроме того, многие сельскохозяйственные химикаты корродируют металлы, и более длинные консоли требуют более сложных механизмов складывания для укладки консолей. В конечном счете, стальные консоли достигли практического предела примерно 36 метров (120 футов) бок-o-бок. Тем не менее, рынок — особенно в Америках — хотел более длинные консоли.

Рецессия предоставляет возможности

Великая рецессия 2008 года была катастрофической для обоих физических лиц и бизнесов. Двадцатилетняя семейная King Marine, имеющая производственные объекты в Пикасенте, Испания, и Кампана, Аргентина, вступила в 2008 год с бурным бизнесом, производящим УПВ компоненты — особенно мачты — для высокопроизводительных яхт.

«Вот когда началась всемирная экономическая рецессия, и люксовый морской рынок получил огромный удар», — вспоминает Наталья Дако, европейский административный начальник и внутренний аудит в King Marine. «Наши продажи драматически упали, и мы перестали строить лодки. Мы были в режиме кризиса, потому что наша компания была в опасности. У нас был большой штат техников, инженеров и специалистов — все они были экспертами в углеродных [композитах]. Большой вопрос был: "Что мы будем делать теперь?"» Создана King Composite S.L. для изучения не-морских применений УПВ.

Длиннее чем когда-либо. Композитные консоли обладают способностью раскрываться и удлиняться для легкого использования. Источник | Deere & Co.

Неожиданное решение для забот компании пришло в 2009 году от аргентинца, чья собственная компания производила сельскохозяйственные опрыскивательные системы. Мужчина был фрустрирован проблемами, преследующими его металлические консоли. «Он сказал нам, что хотел бы, чтобы консоли были легче, длиннее, свободны от усталости, коррозионно-стойкими и легкими в ремонте», — вспоминает Дако. Хотя King Composite не имела предыдущего опыта в сельскохозяйственной технике, команда построила УПВ прототип, и аргентинская компания полюбила его, запуская растущий бизнес King Composite с OEM сельскохозяйственной техники в Аргентине. King Composites в конечном счете была переименована в King Agro SL.

По мере роста бизнеса в композитных консолях опрыскивателей, King Agro стала известной своими инновационными и качественными продуктами. Через несколько лет ее успех был замечен лидером сельскохозяйственной техники, борющимся своими битвами с консолями опрыскивателей. Инженерные члены команды Deere & Co. (Молин, Иллинойс, США) встретились с King Agro в 2015 году для обсуждения возможностей, и вскоре King Agro производила и распространяла УПВ консоли для бренда John Deere.

Новые поколения, новые перестановки

«Мы начали с дизайнов и рекомендаций King Agro, плюс то, что разработала Deere, и обнаружили, что они довольно применимы», — объясняет Филип Ферри, генеральный менеджер King Agro. «Сначала наша совместная команда сделала некоторые изменения для улучшения надежности и долговечности для южноамериканского рынка и запустила эти продукты в 2015 году. Одновременно мы начали проектировать второе поколение продуктов для Северной Америки и Европы. Чтобы соответствовать местным регуляциям, нам нужна была разная функциональность в таких вещах, как долговечность и удар, что требовало перевода металлических спецификаций в композитные дизайны». Эти продукты были коммерциализированы в 2017 году.

«Во время нашей первой встречи мы потратили три часа просто обсуждая разные особенности опрыскивателей в Северной и Южной Америке», — вспоминает Томас Бартлетт, супервизор инженерии опрыскивателей Deere. «Не только они используют разные схемы складывания — есть 20 разных способов сложить эти системы в зависимости от рынка и регуляций — но и сельскохозяйственные условия тоже разные. В Бразилии они используют безпахотное земледелие. В Северной Америке это более ограниченное пахотное с разными практиками и больше регуляций. Европа имеет дальнейшие различия и гораздо меньшие фермы. Они держат свои химикаты централизованными, так что опрыскиватели привозится в депо для заправки, а не вывозят химикаты на поля для заправки, как мы делаем в Америках». Кроме того, в некоторых географиях сантехника переносила жидкости от бака к форсункам через консоли, но в других местах сантехника шла под консолями. Еще одна проблема была — как далеко удлинять консоли, так как добавление еще одного метра здесь или там не обязательно предоставило бы рабочее решение. Вместо этого инженерам пришлось учитывать, как культуры сажались в каждой географии и расстояния между и внутри рядов.

Сложенные для легкого хранения. Консоли складываются для облегчения перемещения между полями и хранения оборудования. Источник | Deere & Co.

Консоли имеют множественные композитные трубчатые структуры с квадратными поперечными сечениями, которые, в свою очередь, соединены через специальные «концы», которые соединяются с системами доставки жидкостей. Специально спроектированные особенности, отлитые в основных структурах, обеспечивают компонентам требуемую функциональность для гидравлического открытия/закрытия и переноса жидкостей под высоким давлением. «С гидравликой мы смогли интегрировать много особенностей, которые нам нужны, так что мы могли сложить вещи вместе и создать более простой дизайн в целом», — добавляет Бартлетт. Deere требует, чтобы консоли раскрывались/складывались менее чем за 1 минуту и жидкость доставлялась в течение двух секунд после запуска насоса.

Все композиты используют эпоксидную матрицу и вакуум-мешковы и автоклавно отверждаются. Комбинация углеродного и стекловолокнистого усиления используется в зависимости от того, нужно ли компонентам более высокая прочность или более высокая ударная стойкость. Большинство углеродного волокна — 24K пруток, но в разнообразных форматах, от униправляющего до твилл-плетения для внешних внешних слоев с прозрачным покрытием. В соединениях и местах, где гидравлика взаимодействует, где нужны больше прочность и жесткость, используются более тяжелые структуры с большим количеством пластов. В зависимости от модели и рынка, производственные объемы варьируют от 100 до 1000 систем ежегодно. King Agro оценивает, что в 2017 году общий глобальный рынок самоходных опрыскивателей составлял 14 000 единиц в год.

«Входя в эту программу, наши цели были удлинить консоли до 40 метров, но на 30% меньшей массе, так как вес был очень важен», — отмечает Джонатан Нельсон, инженер дизайна композитных консолей опрыскивателей Deere. «Когда вы вешаете большую массу с передней или задней части машины, вы боретесь с инерцией, так что гораздо труднее балансировать нагрузки между передней и задней осями. Мы также хотели улучшить коррозионную стойкость, но также должны были учитывать гальваническую коррозию в присутствии углеродного волокна. Другое требование — более высокая ударная стойкость, потому что вы просто никогда не видите опрыскиватель, который не ударил бы что-то. Мы перенесли стандартизированные тесты, разработанные для металлов, включающие заезд консолей в столбы заборов на несколько сотен циклов». Рабочие нагрузки и усталость на деталях удивительно высоки, так как оборудование движется на 24–30 км/ч [15–19 миль/ч] и сантехника видит давления опрыскивания 276–414 кПа [40–60 psi].

Легче, лучше, быстрее

Через три года сотрудничество оказалось столь плодотворным, что в 2018 году Deere приобрела King Agro, которая теперь строит консоли на своих объектах и отправляет их на заводы John Deere в Де-Мойне, Айова, США, и Хорст, Нидерланды, для финальной сборки. Сделка reportedly позволяет King Agro сохранить свое брендовое имя, торговое знамя и коммерческие отношения.

Преимущества более легких консолей. Более легкие консоли означают лучшую топливную экономию, более низкое обслуживание, большую рабочую ширину, более долгий срок службы, более низкие эксплуатационные затраты, более легкую полевую ремонтопригодность и лучшую эффективность с меньшими машинами для большего объема уборки. Источник | Deere & Co.

Переход на композиты позволил консолям выйти за 36 метров (120 футов) до 40 метров (132 фута). По сравнению со сталью, УПВ в 6 раз прочнее, в 5,5 раза легче, обеспечивает более высокую ударную стойкость и не корродирует. Более легкие консоли означают лучшую топливную экономию, более низкое обслуживание, большую рабочую ширину, более долгий срок службы, более низкие эксплуатационные затраты и лучшую эффективность с меньшими следами машины для большего объема уборки. Еще одно преимущество — ремонтопригодность. «Наши дилеры могут взять катастрофический отказ, разрезать компонент пополам, добавить немного смолы, зажать и дать отвердеть, и они готовы к работе», — добавляет Нельсон. «Это на самом деле легче починить, чем сварка стали».

«Лучшая часть — преимущества для клиента», — добавляет Бартлетт. «С углеродными продуктами они могут быть более продуктивными. Они могут идти шире без штрафа по весу, покрывать больше акров, испытывать меньше уплотнения почвы, и снижение давления на грунт позитивно влияет на урожайность».

Ферри согласен: «С точки зрения дизайна, композиты позволяют нам делать вещи, которые мы не могли делать с текущими материалами, которые были на их структурных и ширины пределах», — объясняет он. «У нас был надежный переход от наших стальных предложений к нашим премиальным УПВ предложениям — особенно в Америках — потому что мы приносим более высокую продуктивность, что в этом сегменте есть большая ширина. Более легкие, более широкие консоли могут быть установлены на меньших, менее дорогих тракторах. Или больше жидкости может быть перевезена на данном тракторе, сохраняя ту же массу. В любом случае, баланс нагрузки между передней и задней осями улучшается, и центр массы ближе к центру машины, улучшая поездку для оператора».

«Мы видим применения для углеродного волокна в других продуктах», — предсказывает Аарон Ветцел, вице-президент, платформа ухода за культурами Deere ag & turf. «В будущие годы мы изучим дополнительные возможности, где легкий вес и более-чем-сталь возможности добавят дополнительную ценность нашим продуктам для наших клиентов».