Спрос на более длинные стрелы опрыскивателя позволяет использовать композиты в сельскохозяйственном оборудовании

Удовлетворение спроса в сельском хозяйстве. Все более широкое применение композитов на рынке сельскохозяйственного оборудования - штанги для самоходных опрыскивателей, используемые для нанесения жидких химикатов на сельскохозяйственные культуры. Источник | Дир и Ко

Поскольку смежные сельскохозяйственные поля в таких регионах, как Северная Америка, Аргентина и Бразилия, увеличились в размерах за счет консолидации, а также по мере роста беспахотного земледелия в определенных географических регионах, фермерам нужны опрыскиватели с более длинными штангами, чтобы сократить количество проходов, необходимых для покрытия все большего числа проходов. поля большего размера. Это также снижает уплотнение почвы, увеличивает урожайность и урожайность.

В ответ на эту потребность аргентинское подразделение King Marine SA (Валенсия, Испания), основным бизнесом которого, по иронии судьбы, было производство композитных деталей лодок с использованием армированного углеродным волокном пластика (CFRP) аэрокосмического качества, использовало свой опыт в области композитных материалов на других рынках. разработать новые штанги опрыскивателей для самоходных опрыскивателей. При использовании стрелы раскладываются и выдвигаются перпендикулярно главной оси тракторов и позволяют фермерам вносить жидкие химикаты (например, инсектициды, гербициды и удобрения) на посевы. После использования они складываются и складываются вдоль кузовов тракторов, чтобы не зацепиться за столбы забора и позволить фермерам передвигаться по дорогам.

Пределы металла. Традиционно производимые из стали, стрелы опрыскивателей достигли своих практических ограничений по конструкции и ширине благодаря большим опорным конструкциям, необходимым для предотвращения изгиба стрел при скручивающих и усталостных нагрузках. Источник | Дир и Ко

Стрелы уже давно производятся из стали, но по мере увеличения длины потребовались более крупные опорные конструкции, чтобы предохранить стрелы от изгиба под действием скручивающих и усталостных нагрузок, а также во время непреднамеренных ударов о заборы, деревья и другие конструкции. (Из-за высоких усталостных нагрузок штанги никогда не переходили на алюминиевые.) В свою очередь, более длинные штанги с более крупными опорными конструкциями вынуждали фермеров покупать более крупные тракторы для перевозки более тяжелого опрыскивающего оборудования и большие резервуары, вмещающие большие объемы жидкости; однако при решении одной проблемы более тяжелое оборудование приводит к увеличению уплотнения почвы и, как следствие, снижению урожайности. Кроме того, многие сельскохозяйственные химикаты вызывают коррозию металлов, а более длинные стрелы требуют более сложных механизмов складывания для укладки стрелы. В конце концов, стальные стрелы достигли практического ограничения в 36 метров (120 футов) по бокам. Тем не менее, рынок, особенно в Северной и Южной Америке, хотел более длительного бума.

Рецессия открывает возможности

Великая рецессия 2008 года была катастрофой как для частных лиц, так и для предприятий. Двадцатилетняя семейная компания King Marine, имеющая производственные мощности в Пикассенте (Испания) и Кампана (Аргентина), вступила в 2008 г. с бурно развивающимся бизнесом по производству компонентов из углепластика, особенно мачт, для высокопроизводительных яхт.

«Именно тогда началась мировая экономическая рецессия, и рынок роскошных морских судов сильно пострадал», - вспоминает Наталья Дако, глава европейской администрации и отдела внутреннего аудита King Marine. «Наши продажи резко упали, и мы перестали строить лодки. Мы оказались в кризисном режиме, потому что наша компания оказалась в опасности. У нас был большой штат техников, инженеров и специалистов - все они были экспертами в углеродном волокне [композитах]. Главный вопрос был:«Что мы будем делать теперь?» - King Composite S.L. был создан для изучения неморских применений углепластика.

Дольше, чем когда-либо. Композитные штанги могут раскладываться и выдвигаться для удобства использования. Источник | Дир и Ко

Неожиданное решение проблем компании пришло в 2009 году от аргентинца, чья собственная компания производила сельскохозяйственные опрыскиватели. Мужчина был разочарован проблемами, связанными с его металлическими стрелами. «Он сказал нам, что хотел бы, чтобы штанги были легче, длиннее, не утомлялись, были нержавеющими и простыми в ремонте», - вспоминает Дако. Хотя у King Composite не было предыдущего опыта работы с сельскохозяйственным оборудованием, команда построила прототип углепластика, и аргентинской компании он понравился, положив начало растущему бизнесу King Composite с OEM-производителями сельскохозяйственного оборудования в Аргентине. Со временем King Composites будет переименована в King Agro SL.

По мере роста бизнеса по производству композитных штанг для опрыскивателей King Agro стала известна своей инновационной и качественной продукцией. Спустя несколько лет его успех был замечен лидером в области сельскохозяйственной техники, участвовавшим в битвах за штанги опрыскивателей. Члены группы инженеров из Deere &Co. (Молайн, Иллинойс, США) встретились с King Agro в 2015 году, чтобы обсудить возможности, и вскоре King Agro начала производить и распространять штанги из углепластика для бренда John Deere.

Новые поколения, новые перестановки

«Мы начали с проектов и рекомендаций King Agro, а также с того, что разработала Deere, и обнаружили, что они вполне применимы», - объясняет Филипп Ферри, генеральный директор King Agro. «Во-первых, наша совместная команда внесла некоторые изменения, чтобы повысить надежность и долговечность для рынка Южной Америки, и запустила эти продукты в 2015 году. Одновременно мы начали разрабатывать продукты второго поколения для Северной Америки и Европы. Чтобы соответствовать местным нормам, нам требовались различные функциональные возможности, такие как прочность и ударопрочность, что требовало преобразования металлических спецификаций в композитные конструкции ». Эти продукты были коммерциализированы в 2017 году.

«Во время нашей первой встречи мы потратили три часа, просто обсуждая различные особенности опрыскивателей в Северной и Южной Америке», - вспоминает Томас Бартлетт, руководитель отдела разработки опрыскивателей Deere. «Они не только используют разные схемы складывания - существует 20 различных способов складывания этих систем в зависимости от рынка и правил - но и условия ведения сельского хозяйства также разные. В Бразилии используют беспахотное земледелие. В Северной Америке это более ограничено, так как с другими методами ведения сельского хозяйства и более строгим регулированием. В Европе есть и другие отличия и гораздо меньшие фермы. Они хранят свои химикаты централизованно, поэтому опрыскиватели привозят на склад для заправки, а не вывозят химикаты на поля для заправки, как мы это делаем в Северной и Южной Америке ». Кроме того, в некоторых регионах по водопроводу жидкость из резервуара поступала к форсункам через рукава, но в других местах водопровод проходил под рукавами. Еще одна проблема заключалась в том, как долго можно удлинить штанги, поскольку добавление еще одного метра здесь или там не обязательно обеспечит работоспособное решение. Вместо этого инженерам пришлось учитывать, как посевы были посажены в каждом регионе, а также расстояния между рядами и внутри них.

В сложенном виде для удобства хранения. Стрела стрелы складывается для облегчения передвижения между полями и хранением оборудования. Источник | Дир и Ко

Штанги имеют несколько композитных трубчатых конструкций с квадратным поперечным сечением, которые, в свою очередь, соединяются через специальные «концы», которые соединяются с системами доставки жидкости. Специально разработанные элементы, встроенные в основные конструкции, обеспечивают компоненты с требуемой функциональностью для гидравлического открытия / закрытия и транспортировки жидкостей под высоким давлением. «С помощью гидравлики мы смогли интегрировать множество необходимых нам функций, чтобы мы могли собрать все вместе и создать в целом более упрощенный дизайн», - добавляет Бартлетт. Deere требует, чтобы штанги развертывались / складывались менее чем за 1 минуту, а жидкость подавалась в течение двух секунд после запуска насоса.

Все композиты используют эпоксидную матрицу и подвергаются вакуумной упаковке и отверждению в автоклаве. Комбинация армирования углеродом и стеклом используется в зависимости от того, нужна ли компонентам более высокая прочность или более высокая ударная нагрузка. Большая часть углеродного волокна представляет собой жгут 24K, но в различных форматах, от однонаправленного до саржевого переплетения для слоев внешнего вида с прозрачным покрытием. В соединениях и местах взаимодействия гидравлики, где требуется большая прочность и жесткость, используются более тяжелые конструкции с большим количеством слоев. В зависимости от модели и рынка объемы производства составляют от 100 до 1000 систем в год. По оценкам King Agro, в 2017 году общий мировой рынок самоходных опрыскивателей составлял 14 000 единиц в год.

«В рамках этой программы наша цель заключалась в том, чтобы удлинить штанги до 40 метров, но с меньшей массой на 30%, поскольку вес был очень важен», - отмечает Джонатан Нельсон, инженер-проектировщик композитных штанг для опрыскивателей Deere. «Когда вы вешаете большую массу на переднюю или заднюю часть машины, вы боретесь с инерцией, поэтому гораздо сложнее сбалансировать нагрузки между передней и задней осями. Мы также хотели улучшить коррозионную стойкость, но также должны были учитывать гальваническую коррозию в присутствии углеродного волокна. Еще одно требование касалось более высокого воздействия, потому что вы просто никогда не увидите распылитель, который бы не ударил что-то . . Мы провели стандартизированные тесты, разработанные для металлов, которые включают в себя спуск стрелы на столбы ограды в течение нескольких сотен циклов ». Рабочие нагрузки и усталость деталей на удивление высоки, поскольку оборудование движется со скоростью 24–30 километров в час [15–19 миль в час], а давление распыления в водопроводах составляет 276–414 кПа [40–60 фунтов на квадратный дюйм].

Легче, лучше, быстрее

Спустя три года сотрудничество оказалось настолько плодотворным, что в 2018 году компания Deere приобрела компанию King Agro, которая теперь строит стрелы на своих предприятиях и отправляет их на заводы John Deere в Де-Мойне, штат Айова, США, и Хорст, Нидерланды, для окончательной сборки. Сообщается, что сделка позволяет King Agro сохранить свой бренд, товарный знак и коммерческие отношения.

Преимущества более легких стрел. Более легкие штанги означают лучшую экономию топлива, меньшие затраты на техническое обслуживание, большую ширину захвата, более длительный срок службы, более низкие эксплуатационные расходы, более легкий ремонт в поле и лучшую эффективность с меньшим количеством следов машины для большего объема уборки урожая. Источник | Дир и Ко

Переход на композитные материалы позволил стрелам вырасти от 36 метров (120 футов) до 40 метров (132 футов). По сравнению со сталью углепластик в шесть раз прочнее, в 5,5 раз легче, обеспечивает более высокую ударную нагрузку и не подвержен коррозии. Более легкие штанги означают лучшую экономию топлива, меньшие затраты на техническое обслуживание, большую рабочую ширину, более длительный срок службы, более низкие эксплуатационные расходы и лучшую эффективность с меньшим количеством следов машины для большего объема уборки урожая. Еще одно преимущество - ремонтопригодность. «Наши дилеры могут принять катастрофический отказ, разрезать компонент пополам, добавить немного смолы, зажать его и дать ему затвердеть, и они готовы к работе», - добавляет Нельсон. «На самом деле это легче исправить, чем сваривать сталь».

«Самое лучшее - это преимущества для клиентов», - добавляет Бартлетт. «С продуктами из углеродного волокна они могут быть более производительными. Они могут расширяться без потери веса, покрывать больше акров земли, испытывать меньшее уплотнение почвы, а снижение давления на почву положительно влияет на урожайность ».

Ферри соглашается:«С точки зрения дизайна, композиты позволяют нам делать то, что мы не могли сделать с существующими материалами, которые были в пределах их структуры и ширины», - объясняет он. «У нас был уверенный переход от наших предложений стали к предложениям премиум-класса из углепластика - особенно в Северной и Южной Америке - потому что мы обеспечиваем более высокую производительность, которая в этом сегменте больше. Более легкие и широкие стрелы можно установить на менее дорогие тракторы. Или же на данном тракторе можно перевозить больше жидкости, сохраняя при этом ту же массу. В любом случае баланс нагрузки между передней и задней осями улучшается, а центр масс находится ближе к центру машины, что улучшает маневренность оператора ».

«Мы действительно видим применение углеродного волокна в других продуктах», - прогнозирует Аарон Ветцель, вице-президент платформы Deere ag &turf. «В ближайшие годы мы будем изучать дополнительные возможности, в которых возможности легкого веса и прочности, чем сталь, сделают наши продукты более ценными для наших клиентов».