OPTIMALIZACE PRÁCE VYVÁŽECÍHO TRAKTORU JOHN DEERE 1110 VE VÝCHOVNÝCH TĚŽBÁCH OPTIMIZATION WORKS FORWARDER JOHN DEERE 1110 IN TENDING FELLING

Transkript

1 OPTIMALIZACE PRÁCE VYVÁŽECÍHO TRAKTORU JOHN DEERE 1110 VE VÝCHOVNÝCH TĚŽBÁCH OPTIMIZATION WORKS FORWARDER JOHN DEERE 1110 IN TENDING FELLING V. Nový; A. Janeček Česká zemědělská univerzita v Praze - Fakulta lesnická a dřevařská Abstract This article analyzed the results of field measurements a forwarders are finding the optimum operating conditions of machines in terms of energy, economy and enviromentally friendly of the work. From the measured values showed that the optimum conditions for the mentioned criteria for the machine occur when the range of values mean stem volume of 0.6 to 0.8 m3 and forwarders a distance is from 0 to 200 m. Keywords: efficiency; emissions; diesel consumption; skid wood; time structure of shift work ÚVOD Vyvážecí traktory se v posledních deseti letech stávají dominantním dopravním prostředkem pro soustřeďování dříví z porostů na odvozní místo. Z tohoto důvodu zde nastávají některé otázky, které je potřeba řešit za účelem dosažení optimální výkonnosti a snížení následných nákladů na minimum. V počátcích rozšíření těchto technologií docházelo vzhledem k výši jejich cen k pokusům o nasazení do všech druhů podmínek. Toto se následně ukázalo jako velmi neekonomické vzhledem k režijním a variabilním nákladům a současně i jako neekologické vzhledem k následným škodám. S postupem času zde docházelo k rozšiřování strojního parku vyvážecích traktorů až na dnešních 620 strojů (Zelená zpráva 2010) a tím i k větším možnostem specializace těchto strojů na dané podmínky. Přesto, ale i dnes se ve velkém využívají buď na nevhodných stanovištích, nebo na stanovištích vhodných, ale s nevhodnými vyvážecími traktory, které zde způsobují rozsáhlé škody a nedosahují předpokládané výkonnosti. Vzhledem k těmto důsledkům dopravní činnosti vyvážecích traktorů je důležité, aby s ohledem na minimalizaci energetických ekonomických a ekologických dopadů docházelo k podrobnému studiu a racionalizaci práce těchto strojů v daných podmínkách. Hlavním cílem je najít takové podmínky, pro které daný stroj má nejlepší konstrukční vlastnosti a pro tyto ukazatele sestavit jednoduché matematické modely, které by bylo možné použít při plánování rozsahu a umístění těžebně dopravních prací. Za účelem zjištění těchto ukazatelů bylo prováděné měření dopravní činnosti vyvážecího traktoru John Deere 1110 na polesí Obora, které spadá pod LHC Plasy. MATERIÁL A METODY Veškerá činnost byla prováděna pomocí těžebně dopravních strojů John Deere což znamená bez kontaktu pracovníka s hotovými výrobky. Pro potřeby racionalizace zde byla měřena řada faktorů, které ovlivňují výkonnost a provoz vyvážecí soupravy John Deere 1110, jedná se o hodnoty jako je čas na vyvezení jednoho m 3, dopravní vzdálenost, spotřeba pohonných hmot, ekonomická náročnost daného stroje a výrobní podmínky na pracovišti. O určení dané specifikace podmínek se rozhodovalo podle aktuálních zjištěných podmínek, které se archivovaly ve formuláři specifikace přírodních podmínek a stupeň obtížnosti se pro ně stanovil výpočtem pomocí vzorce : (-) (1) SO stupeň obtížnosti prováděných prací (-) N i charakteristika obtížnosti archivovaná na formuláři č.1, Ni ε < 1-6 > (-) n počet charakteristik obtížnosti (-) Po výpočtu byly následné porosty zařazeny do následujících tříd podle tabulky 1. Tabulka 1: Struktura podmínek obtížnosti Podmínky operace Stupeň obtížnosti prováděných prací Podmínky lehké 1 2,49 Podmínky středně těžké 2,5 3,99 Podmínky těžké 4 Souběžně byla vytvářena databáze časů na jednotlivé operace, jako je čas na vytvoření nákladu, čas na jízdu do porostu, čas na jízdu z porostu a čas na vykládání nákladu, tyto časy byly následně využity na výpočet výkonnosti práce pomocí vzorce 2. t n t j t v (m 3.h -1 ) (2) čas nakládání dřeva (h) čas jízdy (h) čas vykládání (h) 1

2 V objem na jedenu pracovní operaci (m 3 ) W k konstrukční výkonnost dopravních systémů (m 3.h -1 ) Dále byly vypočítány i následné výkonnosti jako je výkonnost provozní a směnová. Provozní výkonnost je určena výkonností konstrukční Wk a technickoorganizačními podmínkami práce systémů těžby, které jsou vyjádřeny koeficientem využití práce na porostu. W p = W k. τ p (m 3.h -1 ) (3) τ p koeficient využití práce na porostu či plantáži [-] Tento koeficient práce byl získán pomocí měření v terénu a vypočtu za pomocí vztahu 4. T 1 (-) (4) čas provádění nakládaní, vykládání, jízdy a prostojů během práce směny (h) n i=1 čas technicko-organizačních prostojů při práci na porostu (h) T p čistý čas práce dopravního systému (h) čas technicko-organizačních prostojů (h) t i dílčí prostoj (h) n počet dílčích prostojů (-) Výkonnost směnová je dána skutečnou fyzicky vykonanou prací za dobu jedné směny. Směnová výkonnost je závislá na výkonnosti provozní W p a na technicko-organizačních podmínkách, které nastávají během práce po dobu směny a jsou vyjádřeny koeficientem využití směny. Pro směnovou výkonnost platí následující vztah: Posledním hledaným koeficientem byl koeficient využití pracovních dní v sezóně K p, který byl vypočítán podle vztahu 8. (-) (8) K p koeficient využití pracovních dní v sezóně (-) n 1 počet dní využitelných pro práci v porostu (-) 1800 plánovaná hodnota počtu hodin práce (h) Pro potřeby výpočtu ekonomické náročnosti se též měřila spotřeba pohonných hmot během pracovní směny pomocí počítače vybaveného programem timbermatic, který je součástí vyvážecího traktoru. Tato hodnota se pak zpětně kontrolovala pomocí průtokoměru FMT od společnosti HORN GmbH. Tyto hodnoty se pak následně srovnávaly se stupněm obtížnosti a hmotnatostí těžených stromů v porostu. Za účelem vyjádření ekologické čistoty se zjišťovalo množství vypuštěných emisních látek na jednotku vykonané práce. Zde se vycházelo z hodnot naměřených na stacionárním motoru opatřeném brzdou a zařízením na měření množství emisí výsledné hodnoty se následně zapsaly do Tabulky 4 a podle následujícího vztahu č. 9 se spočítalo emisní zatížení na jednu hodinu práce za pomocí tabulek 2 a 3. QCLi = QCLS. K%. KPi. Pj (g.h -1 ) (9) i typ cizorodé látky ( - ) QCLi množství daného druhu cizorodé látky (g.h -1 ) K% koeficient redukce uvažující stupeň vytížení motoru ( - ) KPj koeficient redukce uvažující jmenovitý výkon motoru ( - ) Pj jmenovitý výkon motoru (kw) QCLS standard cizorodých látek (g.kw -1.h -1 ) W sm = W p. K s (m 3.h -1 ) (5) W sm směnová výkonnost soustřeďovací soupravy (m 3.h -1 ) K s koeficient využití směny (-) Tabulka 2: Koeficient zohledňující % vytížení motoru % K % 1,2 1,15 1,05 1,05 1,11 1,35 1,55 Tabulka 3: Koeficient zohledňující instalovaný výkon Pj KPj 1,4 1,5 1,1 1 1,4 1,6 1,8 t i i (-) (6) (h) (7) čas dílčích prostojů vzniklých v čase směny T sm při práci malé vyklizovací soupravy (h) počet dílčích prostojů vzniklých v čase směny T sm Tabulka 4: Standardy cizorodých látek Cizorodá látka Standard cizorodé látky (g.kw -1.h -1 ) NO x 2,00 CO 5,00 HC 0,60 SO 2 5,00 Pb 0,02 Mo 0,02 CO 2 7,50 2

3 VÝSLEDKY Pro potřeby optimalizace byly použity hodnoty, které byly měřeny experimentálně v 11 porostních skupinách s věkovým rozpětím od 60 do 110 let v průběhu července a srpna V časovém vyjádření se jedná o 113 hodin a 11 minut. Údaje o měření času byly měřeny přesně podle metodiky za účelem výpočtu všech potřebných koeficientů na provoz při směně a sezóně následně se tyto hodnoty za jednotlivé dny sečetly a zprůměrovaly a výsledné hodnoty se umístily do tabulky č. 5. Z této tabulky vychází následující Tabulka 5: Využití času práce vyvážecí soupravou Koeficient využití času τ p K s K p Průměr 0,70 0,64 0,97 Směrodatná odchylka 0,08 0,19 0,01 Z této tabulky vychází následující poznatky, které je možné využít pro výpočet provozní a směnové výkonnost. Je zní možné vyčíst, že při provozní výkonnosti připadá z každé započaté hodiny 18 minut na nevýrobní čas a u výkonnosti směnové je to dokonce více jak 21 minut. Za pomocí znalosti těchto vztahů a naměřených časů potřebných na vyvezení jednoho metru krychlového z porostu byly pomocí vztahů pro výpočet výkonnosti získané následující hodnoty které jsou zaznamenané v tabulce č.6. Z této tabulky vyplývá, že daný stroj je schopen při specifických podmínkách dosáhnout výkonnosti od 4,98 m 3 /h do 12, 83 m 3 /h. Tabulka 6: Jednotlivé výkonnosti v daných podmínkách Podmínky W k (m 3 /h) W p (m 3 /h) W sm (m 3 /h) Lehké 12,83 8,60 5,07 Směrodatná 4,42 2,96 1,75 odchylka Střední 12,72 8,52 5,03 Směrodatná 4,63 3,10 1,83 odchylka Těžké 12,61 8,45 4,98 Směrodatná odchylka 4,84 3,24 1,91 Při vložení těchto naměřených hodnot společně s hmotnatostí těžených stromů v daném porostu byl vytvořen graf časové závislosti na hmotnatosti vyvážené dřeviny (Graf 1). Po proložení hodnot spojnicemi trendu tento graf poskytuje údaje o optimální výkonnosti v daném porostu v závislosti na podmínkách obtížnosti. Po přidání třetího rozměru ke grafu 1 jímž, je vyvážecí vzdálenost a následnému proložení získaných hodnot mocninou funkcí dostáváme rovinu optimálních podmínek z hlediska hmotnatosti vyvážených stromů a vyvážecí vzdálenosti (Graf 2). Z tohoto grafu je dobře čitelné, že nejnižší časová náročnost na vyvezení jednoho m 3 a tudíž i optimální podmínky byly dosaženy v měřených porostech při vyvážecí vzdálenosti přibližně 450 m a hmotnatosti vyvážených stromů od 0,00 do 0,20 m 3. Podle naměřené spotřeby pohonných hmot pomocí operačního programu vyvážecího traktoru a dat ohledně hmotnatosti vyvážených stromů byl sestaven bodový graf číslo m 3 /h ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Hmotnatost (m 3 ) Graf 1: Graf závislosti výkonnostina hmotnatost těženého stromu Lehká obtížnost Střední obtížnost 3

4 Graf 2: 3D graf závislosti výkonnosti na hmotnatosti těženého stromu a vyvážecí vzdálenosti > 35 < 35 < 30 < 25 < 20 < 15 < Kc/m ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Stupen obtiznosti 1 Stupen obtiznosti 2 Hmotnatost (m 3 ) Graf 3: Graf závislosti ekonomické nákladnostina hmotnatosti těženého stromu 4

5 Výsledné hodnoty byly, proloženy lineárními spojnicemi trendu pro dosažení názorného přehledu rozdílnosti ve spotřebě energie v závislosti na stupni obtížnosti dané práce. Z grafu je vidět rozdílné spotřeby při různé obtížnosti hlavně v porostech s malou hmotnatostí těžených dřevin. S rostoucí hmotnatostí se však spojnice přibližují a rozdíly v nákladech na 1 m 3 jsou téměř shodné. Z grafu číslo 4, který vychází z předchozího, ale byl rozšířen o třetí rozměr jímž je vyvážecí vzdálenost. Proložení získaných hodnot mocninou funkcí dostáváme rovinu optimálních podmínek z hlediska hmotnatosti vyvážených stromů a vyvážecí vzdálenosti na spotřebu pohonných hmot. Z výsledného grafu pak následně vychází, že optimální podmínky pro činnost z hlediska energetiky a ekonomiky se nacházejí v rozsahu hmotnatosti od 0,6 m 3 do 0,8 m 3 a vyvážecí vzdálenosti od 0 m do 200 m. > 1,2 < 1,125 < 1,025 < 0,925 < 0,825 Graf 4 Graf závislosti spotřeby pohonných hmotna hmotnatosti těženého stromu a vyvážecí vzdálenosti Tabulka 7: Množství vypuštěných emisí v daných podmínkách Podmínky NO x CO HC SO 2 PB Mo CO 2 Lehké 32,27 80,68 9,68 80,68 0,32 0,32 121,01 Směrodatná odchylka 2,44 6,10 1,85 6,10 0,02 0,02 9,14 Střední 34,42 86,04 26,12 86,04 0,34 0,34 129,06 Směrodatná odchylka 2,55 6,38 1,94 6,38 0,03 0,03 9,57 Těžké 48,49 121,22 36,80 121,22 0,48 0,48 181,82 Směrodatná odchylka 3,41 8,52 2,59 8,52 0,03 0,03 12,78 Vzhledem k postupu výpočtu množství emitovaných částic strojem do ovzduší je rozsah optimálních podmínek z toho to hlediska totožný s předchozími parametry udávajícími podmínky energetické náročnosti, jelikož jednou z hodnot výpočtu je stupeň vytížení motoru. Z tohoto důvodu jak je vidět z tabulky 7 dosahuje stroj nejnižších emisí za nejlehčích podmínek kdy je motor nejméně vytížen. DISKUSE A ZÁVĚR Výsledky analýzy optimalizace práce vyvážecího traktoru ukázali, že kritéria jako energetická, ekonomická a ekologická jsou vzájemně provázána. Bylo zjištěno, že když vyvážecí traktor nepracuje optimálně z hlediska energetiky, nepracuje též optimálně i z hlediska ekologických aspektů. Stejně tak bylo zjištěno, že i s rostoucí obtížností provozních podmínek, dochází ke zvýšení množství emisí což se může projevit hlavně u stroje nevhodného pro tato stanoviště. Tyto skutečnosti zcela konkrétně vypovídají, jaký vliv má konstrukce, respektive provozní režim vyvážecího traktoru na spotřebu energie, ekonomiku a ekologii provozu. 5

6 PODĚKOVÁNÍ Tyto výsledky byly získány s přispěním grantových projektů IGA Fakulty lesnické a dřevařské Optimalizace práce výrobních systémů v dopravě dřeva a NAZV ministerstva zemědělství ČR QH Stanovení standardů výrobních procesů v lesním hospodářství. LITERATURA Zpráva o stavu lesa a lesního hospodářství České republiky v roce 2009, MZe 2010, 114 s, ISBN Zpráva o stavu lesa a lesního hospodářství České republiky v roce 2010, MZe 2011, 128 s, ISBN DVOŘÁK J.: Optimalizace hodnot těžebnětechnologických faktorů, ovlivňujících měrné škody ve výchovných těžbách při nasazení TDS, Trendy lesníckej, drevárskej a enviromentálnej techniky a jej aplikácie vo výrobnom procese, 2001, str , ISBN JANEČEK A. a kol.: Standardy a optimalizace výrobních systémů ve školkách; Lesnická práce, s.r.o.; 2010, 64 s; ISBN JANEČEK A., NOVÝ V.: Použití principu minimaxů při provozu mobilních energetických zařízení; Agritech science; 2011, číslo 3.; ISSN Abstrakt: V tomto článku jsou analyzovány výsledky z terénního měření vyvážecí soupravy a jsou zde hledány optimální provozní podmínky daného stroje z hlediska energetiky, ekonomiky a ekologické čistoty práce. Z naměřených hodnot vyplynulo, že optimální podmínky pro zmíněná kritéria u daného stroje nastávají při rozmezí hodnot u hmotnatosti 0,6-0,8 m 3 a vyvážecí vzdálenosti od 0 do 200 m. Klíčová slova: výkonnost; emise; spotřeba nafty, vyvážení dříví, časová struktura směny Recenzovali: Ing. S. Kraml, Ing. S. Haš, CSc. Kontaktní adresa: Ing. Vladislav Nový prof. Ing. Adolf Janeček, DrSc., dr.h.c. Česká zemědělská univerzita v Praze Kamýcká 129, Praha 6 novyv@fld.czu.cz tel: