ABSTRAKT KLÍČOVÁ SLOVA ABSTRACT KEYWORDS BIBLIOGRAFICKÁ CITACE

Transkript

1 ABSTRAKT, KLÍČOVÁ SLOVA, BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ABSTRAKT Cílem této bakalářské práce je zmapovat přehled současného stavu poznání v oblasti diskových podmítačů a konstrukce pracovního orgánů diskového podmítače. V první části je stručně popsána historie zemědělství, vývoj a možná konstrukční řešení diskových podmítačů. Dále je práce zaměřena na výběr nejlepší varianty a konstrukci pracovního orgánu. Závěrem následuje vyhodnocení zjištěných poznatků. KLÍČOVÁ SLOVA disk, podmítač, slupice, zpracování, konstrukce ABSTRACT The aim of this bachelor thesis is to map a knowledge survey of present state in the area of disk plough-harrows and its working organs construction. In the first part is briefly described history of agriculture, development and possible structural design of disk plough-harrows. Further it focuses on the best variant choice and working organs construction. In conclusion follows the evaluation of established knowledge. KEYWORDS Disc, stubble plough, shank, process, construction BIBLIOGRAFICKÁ CITACE SMOLA, Tomáš. Pracovní orgán diskového podmítače. [s.l.], s. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jan Brandejs, CSc. 5

2

3 ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci Pracovní orgán diskového podmítače vypracoval samostatně pod vedením Ing. Jana Brandejse, CSc. a Ing. Michala Nýče a uvedl v seznamu literatury všechny použité literární a odborné zdroje. V Miskolezích dne 18. května 2009 vlastnoruční podpis autora 7

4

5 PODĚKOVÁNÍ PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě bych rád poděkoval svému vedoucímu práce z Ústavu konstruování VUT Brno Ing. Janu Brandejsovi, CSc. a technickému řediteli firmy Farmet a. s. Česká Skalice Ing. Michalu Nýčovi za cenné připomínky a rady, kterými přispěli k vypracování této bakalářské práce. 9

6

7 OBSAH OBSAH OBSAH ABSTRAKT... 5 KLÍČOVÁ SLOVA... 5 ABSTRACT... 5 KEYWORDS... 5 BIBLIOGRAFICKÁ CITACE... 5 ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ... 7 PODĚKOVÁNÍ... 9 OBSAH ÚVOD PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Diskové podmítače Podmítání Mělké kypření Konstrukční řešení a vývoj diskových podmítačů Uložení disků na společné hřídeli Samostatné uložení disků (tzv. krátké disky ) Hlavní koncepce uložení a jištění proti přetížení u krátkých diskových podmítačů: Pevné slupice jištěné gumovými elementy (silentbloky) Slupice tvořené tvarovou pružinou ze čtyřhranné oceli Pevné slupice jištěné vinutou pružinou FORMULACE ŘEŠENÉHO PROBLÉMU A JEHO TECHNICKÁ A VÝVOJOVÁ ANALÍZA VYMEZENÍ CÍLŮ PRÁCE NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ NÁVRH VARIANT ŘEŠENÍ A VÝBĚR OPTIMÁLNÍ VARIANTY Výběr uspořádání disků Volba uložení a odjištění slupice Pevné slupice uložené a jištěné v gumových elementech Slupice uložené v čepovém spoji a jištěné vinutou pružinou Výběr konečné varianty KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ Návrh a výpočet ložisek Návrh ochrany ložisek proti vnikání nečistot Pevnostní analýza navržené slupice Model pracovního orgánu diskového podmítače KONSTRUKČNÍ, TECHNOLOGICKÝ A EKONOMICKÝ ROZBOR ŘEŠENÍ SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ SEZNAM PŘÍLOH

8 ÚVOD ÚVOD ÚVOD Vývoj ve zpracování půdy úzce souvisí s počátky zemědělství, které se datují do doby 10 až 8 tisíc let před Kristem. V této době člověk přestal být pouze lovcem a sběračem plodů přírody, ale začal se živit i pěstováním obilnin. Tento první primitivní systém zemědělství byl založen na vypalování lesů a travnatých ploch, do kterých první zemědělci zašlapávali rozházená semena. Takový způsob zemědělství přetrvával mnoho tisíc let. [2] Čtyři tisíce let před Kristem v Mezopotámii na povodí řek Eufratu a Tigridu vznikají první starověké civilizace, které s sebou přinášejí kulturní a také zemědělský rozvoj. Vzniká systém náplavového zemědělství. Rozvodněné řeky každoročně přinášely úrodné bahno, které zemědělci rozrývali kamennými a později i bronzovými potahy, které byly taženy dobytkem. V takto zpracovaných zeminách bylo možné pěstovat obiloviny, luštěniny a také len. [2] Obr. 1 Počátky zpracování půdy [8] Ve 4. až 5. století našeho letopočtu v době římské říše lidé začali pěstovat i jiné druhy plodin, jako například zeleninu a ovocné stromy, které byly náročnější na zpracování půdy. V této době vzniká první oradlo okované železem neboli ruchadlo tažené dobytkem. Postupným zdokonalováním vznikala celokovová oradla, která půdu pouze nerozrývala, ale částečně ji i obracela. Tak vznikly první jednoduché pluhy nejprve bez plazů, později s vodícími plazy. Takto rozoraná půda byla velmi nerovná a tím pádem nevhodná pro setí, proto byla ručně rozkopávána motykami a urovnávána vlečenými trámy a později dřevěnými branami s železnými hřeby. Tento způsob obdělávání půdy se svou podstatou nezměnil až do 18. století. [2] Změny přicházejí s počátkem vědecko-technické revoluce. Zemědělství je ovlivněno výrazným zaváděním nových druhů plodin, rozvojem šlechtění rostlin i zvířat. Nárůst populace a požadavky na zvýšení produkce, výnosnosti, ale i kvality podmínek pro růst rostlin, to vše mělo za následek vývoj nářadí pro zpracování půdy. Ten byl zaměřen na zdokonalení obracení zeminy u pluhů, ale také na výrobu strojů pro následné zpracování, jakými byly různé druhy kypřičů, podrýváků a bran. [2] 12

9 ÚVOD Mezníkem ve vývoji pluhů byl vynález bratranců Veverkových v letech 1824 až U jejich ruchadla byla doposud používaná šípová radlice, nahrazena mírně válcovou vydutou deskou. Toto postavení radlice šikmo proti směru jízdy způsobilo, že zoraná půda se obracela pouze na jednu stranu. Tím bylo možné mnohem kvalitnější a rovnoměrnější zpracování půdy. Na základě této myšlenky pracují pluhy až do současnosti. [2] Ve 20. století se začíná ve vyspělých zemích prosazovat důraz na hospodárnost při zpracování půdy. Spojováním různých druhů strojů vznikají variabilní soustavy strojů a následně i systémy zpracování půdy. Jejich hlavním cílem je minimalizovat počet nutných přejezdů po poli. [2] Od šedesátých let 20. století se začínají rozvíjet tzv. minimalizační technologie zpracování půdy bez použití orby. Jednou z možných technologií bezorebného zpracování půdy je použití talířových kypřičů, v praxi spíše označovaných jako diskový podmítač. [2] 13

10 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 1.1 Diskové podmítače Diskové podmítače se vyznačují svou univerzálností použití. Je možné je využívat v systémech zpracování půdy s orbou, kde se uplatňují jako podmítače, ale také u bezorebných technologií pro mělké kypření půdy. [1] Obr. 1.1 Historický diskový podmítač [9] Obr. 1.2 Moderní diskový podmítač [10] Výhodou diskových podmítačů je velká univerzálnost, kvalitní promíchání půdy, vysoká plošná výkonnost, která je dána poměrně vysokou pracovní rychlostí stroje, dosahující až 15 km.h -1. Diskové podmítače jsou většinou vybaveny drobícími a utužovacími válci, které ideálně připraví půdu pro setí. [1] Podmítání Podmítka se provádí zpravidla po sklizni. Včasná a kvalitní podmítka je velmi důležitým faktorem při hospodaření s půdní vláhou. Při podmítce dojde k přerušení kapilárních pórů směrem k povrchu půdy. Přerušení těchto kapilár minimalizuje vzlínání vody. Zároveň dojde k lepšímu pronikání vody do půdy při srážkách. Dalším efektem je úhyn plevelných rostlin. [3] Mělké kypření Při mělkém kypření (bezorebné technologie) je hlavním úkolem kypřiče rozdrcení rostlinných zbytků, jejich následné zapracování do půdy a příprava půdy pro setí. [3] 1.2 Konstrukční řešení a vývoj diskových podmítačů Na trhu s diskovými podmítači se vyskytují dvě základní koncepce konstrukčního řešení: 1) Disky jsou uloženy na společné hřídeli 2) Každý disk je samostatně uložený (tzv. krátké disky ) 14

11 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Uložení disků na společné hřídeli Tato koncepce je známá již poměrně velmi dlouhou dobu. Byly tak konstruovány první diskové podmítače. Disky jsou upevněny na společné hřídeli, která je na koncích uložena v ložiscích. Hřídele jsou nakloněny vůči směru jízdy o pracovní úhel, jehož hodnota se pohybuje v rozmezí 15 až 30. Disky jsou obvykle uspořádány ve dvou pracovních řadách, a to v tzv. uspořádání do V (viz obr. 1.3) nebo uspořádání do X (viz obr. 1.4). Průměry disků bývají mm. V přední řadě bývají disky ozubené, což zajišťuje snadnější vnikání do půdy a napomáhá odvalování. V zadní řadě jsou disky většinou hladké. Obr. 1.3 Uspořádání disků do V [11] Obr. 1.4 Uspořádání disků do X [13] Výhody: jednodušší konstrukce nízké výrobní náklady Nevýhody: konstrukcí lze nastavit pouze pracovní úhel, není možné upravit odklon disku od svislé osy vyšší tahový odpor (než při samostatném uložení disků), který je dán omezenými možnostmi nastavení pracovní geometrie disku disky nejsou nijak jištěny proti poškození při najetí na kámen vlivem velkých sil působících kolmo na směr jízdy se stroj chová neklidně, tzv. plave mezi jednotlivými disky musí být instalovány škrabky, které zabraňují ucpávání nižší pracovní rychlost stroje (8 až 10 km.h -1 ) výrazně větší délka stroje (než při samostatném uložení disků) je velmi obtížné nastavit a udržet konstantní pracovní hloubku při chodu stroje při víceletém používání i na rovném poli dochází k vytvoření velkých nerovností na povrchu půdy Je zřejmé, že toto konstrukční řešení má velké množství nevýhod, proto se od tohoto konceptu přechází ke koncepci samostatně uložených disků. 15

12 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Stručný přehled firem, které se zabývaly nebo stále zabývají uložením disků na společné hřídeli: SMS Rokycany (Česká republika) Strom Export (Česká republika) Kverneland (Německo) Gregoar Besson (Francie) Samostatné uložení disků (tzv. krátké disky ) S koncepcí samostatně uložených disků poprvé přišla švédská firma Vaederstad. Základní myšlenka spočívá v tom, že každý disk je uložen na ložisku na samostatné slupici. Slupice funguje jako kyvné rameno odpružené buď gumovými silentbloky, tvarovou pružinou nebo vinutou pružinou. Tímto řešením je možné disky uspořádat do řady kolmé na směr jízdy a tím podstatně zkrátit délku stroje. Pružné uložení umožňuje bezpečné vyklopení disku při najetí na překážku (viz obr. 1.6). Díky tomu, že disky nejsou na jedné hřídeli, vzniká mezi disky volný pracovní prostor, kudy může zpracovávaná půda a rostlinné zbytky volně procházet a nedochází k ucpávání. Průměry disků se pohybují v rozmezí 450 až 800 mm. Obr. 1.5 Diskový podmítač se samostatným uložením disků [12] Výhody: disky jsou umístěny ve dvou řadách blízko za sebou, z čehož plyne kratší délka stroje konstrukcí lze nastavit pracovní úhel i odklon disku od svislé osy a tím optimalizovat zpracování půdy a minimalizovat tahový odpor za druhou řadou disků je obvykle umístěn drobící válec, který také zajišťuje přesné hloubkové vedení disky nemusí být vybaveny škrabkami, dobře snáší i vlhčí půdu Obr. 1.6 Ukázka odjištění disků při najetí na překážku [14] 16

13 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ odjištění disku při najetí na překážku vyšší pracovní rychlost 10 až 15 km.h -1 z čehož plyne vyšší výkonnost (řádově o 50% oproti uložení na společné hřídeli) vyšší kvalita práce, lepší drobení, menší hrudovitost při víceletém používání nevytváří na poli nerovnosti, naopak povrch pole urovnává nižší tahový odpor Nevýhody: složitější konstrukce vyšší výrobní náklady a tím pádem i cena stroje Toto konstrukční řešení má celou řadu výhod a i přes svou podstatně vyšší cenu většina zemědělců dává těmto strojům přednost. Stručný přehled firem, které se zabývají tímto konstrukčním řešením: Farmet (Česká republika) Strom Export (Česká republika) Vaederstad (Švédsko) Kuhn (Francie) Horsch (Německo) Lemken (Německo) Amazone (Německo) Agrisem (Francie) 1.3 Hlavní koncepce uložení a jištění proti přetížení u krátkých diskových podmítačů: Pevné slupice jištěné gumovými elementy (silentbloky) Toto řešení je vhodné pro disky menšího průměru (450 až 550 mm). S touto koncepcí poprvé přišel švédský Vaederstad, pak následovaly i další firmy například (Kuhn, Amazone, Rabe, Einboeck, SMS Rokycany, Farmet, Horsch). Pracovní úhel disků se pohybuje v rozmezí 15 až 20. [5] Obr. 1.7 Pevné slupice jištěné gumovými elementy [15] 17

14 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Výhody: vysoká kvalita práce v méně náročných půdách jednoduché konstrukční řešení, absence čepových spojení Nevýhody: malý maximální úhel vyklopení slupice při odjištění nepříznivá silová charakteristika při odjištění (s rostoucím vyklopením roste přítlačná síla) v základní poloze nelze zajistit předpětí vysoké nároky na kvalitu pryže jistících elementů menší pracovní hloubka způsobená menšími disky menší průchodnost půdy a rostlinných zbytků Toto uložení umožňuje i vychýlení do boku (až 5 ) což je příznivé při najetí na překážku, ale způsobuje také vychylování disku za plynulého chodu stroje a tím změnu pracovního úhlů, což je velmi nežádoucí Slupice tvořené tvarovou pružinou ze čtyřhranné oceli Toto řešení umožňuje použít disky většího průměru v rozmezí 550 až 700 mm. Tuto koncepci má patentovánu a používá francouzská firma Agrisem. V jisté úpravě ji používá i česká firma Strom Export, která obešla patent vložením vodící podkovy, která zároveň vytváří předpětí v základní poloze a částečně potlačuje boční výkyvy. Dochází však k rychlému mechanickému vydírání této podkovy. Pracovní úhel disků se pohybuje v rozmezí 15 až 20. Obr. 1.8 Slupice tvořené tvarovou pružinou ze čtyřhranné oceli [16] 18

15 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Výhody: jednoduché konstrukční řešení - absence čepových spojení větší úhel odjištění než při použití gumových elementů větší pracovní hloubka vyšší průchodnost půdy a rostlinných zbytků Nevýhody: nepříznivá silová charakteristika při odjištění (s rostoucím vyklopením roste přítlačná síla) v základní poloze nelze zjistit předpětí (u varianty bez podkovy) složitější výroba slupice horší kvalita práce (způsobena většími disky) konstrukční řešení je chráněné patentem Agrisem I toto uložení umožňuje vychýlení do boku (5 až 10 ), což je příznivé při najetí na překážku, ale způsobuje také vychylování disku za plynulého chodu stroje a tím změnu pracovního úhlů, což je velmi nežádoucí Pevné slupice jištěné vinutou pružinou Toto řešení umožňuje použít disky větších průměru, až 800 mm. S touto koncepcí jako první přišla německá firma Lemken a následně pak polská Unia. Pracovní úhel disků se pohybuje v rozmezí 15 až 18. Obr. 1.9 Pevné slupice jištěné vinutou pružinou [17] 19

16 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Výhody: větší úhel odjištění (než u obou předchozích koncepcí), který je dán kinematikou mechanismu odjištění a může být tedy zkonstruován dle potřeby příznivější silová charakteristika při odjištění (dáno kinematikou mechanismu odjištění), kterou lze zkonstruovat tak, že s rostoucím úhlem vyklopení klesá přítlačná síla možnost předpětí v základní poloze vyšší kvalita práce (jsou zde sice větší disky, ale s velkým svislým odklonem disků 20, což má za následek lepší podebírání půdy a její drobení) při práci nedochází k bočním výkyvům a tím ke snížení pracovního úhlu větší hloubka zpracování vyšší průchodnost půdy a rostlinných zbytků Nevýhody: složitější konstrukční řešení mnohem vyšší cena než u předchozích koncepcí čepová spojení je nutno chránit proti opotřebení 20

17 FORMULACE ŘEŠENÉHO PROBLÉMU A JEHO TECHNICKÁ A VÝVOJOVÁ ANALÝZA 2 2. FORMULACE ŘEŠENÉHO PROBLÉMU A JEHO TECHNICKÁ A VÝVOJOVÁ ANALÝZA Cílem řešeného problému je upravit současné pracovní orgány (viz obr. 2.1) diskového podmítače (viz obr. 2.2). Důvodem úpravy je požadavek, aby stroj byl schopen pracovat i v obtížnějších půdách (tvrdých, kamenitých), z čehož plynou větší pevnostní nároky na stroj a jištění slupic. Dalším požadavkem je dosažení kvalitnějšího zpracování půdy a efektivnějšího zapracování rostlinných zbytků do půdy. Obr. 2.1 Současný pracovní orgán diskového Farmet [5] podmítače Disker firmy Obr. 2.2 Současný diskový podmítač Disker firmy Farmet [5] 21

18 VYMEZENÍ CÍLŮ PRÁCE 3 3. VYMEZENÍ CÍLŮ PRÁCE Požadované konstrukční úpravy a vlastnosti: - zvětšení průměru disku z 500 mm na 615 mm - požadovaná přítlačná síla na jeden disk je 1500 N (dána hmotností stroje) - zvětšení maximální pracovní hloubky záběru na 150 mm - změnit geometrii disku z kuželového na vypouklý disk - optimalizovat polohu disku při vnikání do půdy - zvolit vhodná ložiska a způsob uložení disku - upravit nebo zkonstruovat nový systém jištění slupice - požadovaný maximální zdvih při odjištění je 180 mm - vhodným způsobem zajistit mazání a ochranu ložisek proti vnikání nečistot - minimalizovat hmotnost stroje použitím vysokopevnostních ocelí 22

19 NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ 4. NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ 4 Prvním úkolem bude zjistit, zda stávající systém uložení a jištění slupice (v gumových silentblocích) bude splňovat požadované parametry. Z tohoto důvodu bude na zkušební stolici provedeno měření vlastností stávajícího uložení. Na základě výsledků měření bude následovat výběr vhodné varianty uložení. V dalším kroku budou navrženy rozměry disku a slupice, kinematika jištění včetně působících sil, způsob upevnění slupice na nosníku a předběžný způsob uložení ložisek. Dále bude proveden návrh a výpočet ložisek, jejich uložení, způsob mazání a ochrana proti vnikání nečistot. V posledním kroku bude následovat pevnostní výpočet a optimalizaci slupice metodou konečných prvků. 23

20 NÁVRH VARIANT ŘEŠENÍ A VÝBĚR OPTIMÁLNÍ VARIANTY NÁVRH VARIANT ŘEŠENÍ A VÝBĚR OPTIMÁLNÍ VARIANTY 5.1 Výběr uspořádání disků Z výhod a nevýhod jednotlivých variant uspořádání disků uvedených v kapitole 1.2 je zřejmé, že i přes složitější a nákladnější výrobu stroje jsou vlastnosti podmítače se samostatným uspořádáním disků podstatně lepší než u uložení disků na společné hřídeli. Proto byla vybrána varianta samostatně uložených disků (tzv. krátké disky ) Volba uložení a odjištění slupice Z vlastností, výhod a nevýhod popsaných v kapitole 1.3 vyplývá, že v úvahu připadají dvě varianty řešení: a) pevné slupice uložené a jištěné v gumových elementech b) pevné slupice uložené v čepovém spoji a jištěné vinutou pružinou Pevné slupice uložené a jištěné v gumových elementech Tento způsob jištění a uložení je konstrukčně velmi jednoduchý, levný a u disků menších průměrů se v praxi velmi osvědčil. Bylo však nutné zjistit zda bude vyhovovat zadaným požadavkům. Z tohoto důvodu bylo provedeno měření na zkušební stolici (viz obr. 5.1), kde byla odečítána výchylka slupice a tlak v pístnici (viz obr. 5.2). Obr. 5.1 Zkušební stolice Obr. 5.2 Odečítání výchylky slupice a tlaku v pístnici 24

21 NÁVRH VARIANT ŘEŠENÍ A VÝBĚR OPTIMÁLNÍ VARIANTY Výsledkem měření je graf závislosti velikosti síly na výchylce slupice. (viz obr. 5.3). Obr. 5.3 Graf závislosti síly působící na slupici v závislosti na úhlu vychýlení slupice Z grafu lze odečíst, že v místě zlomu křivky (při vychýlení zhruba o 22 ) již dochází k nepružné deformaci gumových elementů. Protože u tohoto způsobu uložení jsou slupice v počátečním stavu bez předepnutí, dojde při spuštění stroje do záběru k vychýlení slupice cca o 10 až 12, než je vyvozena potřebná přítlačná síla. Z toho plyne, že pracovní rozsah jištění se pohybuje pouze v rozmezí 10 až 12. Takto malý pracovní rozsah neumožní požadované vychýlení slupice při najetí na překážku o 200 mm. Navíc má tento způsob uložení řadu nevýhod uvedených v kapitole Slupice uložené v čepovém spoji a jištěné vinutou pružinou Tento způsob jištění a uložení je konstrukčně mnohem složitější, má však celou řadu výhod (které byly uvedeny již v kapitole 1.3.3), jako například možnost zkonstruovat podle potřeby kinematiku odjištění. Návrh kinematiky mechanismu odjištění je znázorněn na obrázku 5.4. Byl navržen tak, aby bylo možné použít pružinu, kterou firma Farmet již používá a je snadno dostupná. V základní poloze pružina vyvozuje sílu předepnutí F p = N, při maximálním vyklopení o 30 je síla pružiny F max = N. Z těchto sil a navržených rozměrů mechanismu (viz obr. 5.4) byla vypočítána tečná síla F t a sestaven graf závislosti této síly na úhlu vyklopení slupice (viz obr. 5.5). 25

22 NÁVRH VARIANT ŘEŠENÍ A VÝBĚR OPTIMÁLNÍ VARIANTY Obr. 5.4 Návrh kinematiky mechanismu odjištění slupice Obr. 5.5 Graf závislosti tečné síly Ft na úhlu vyklopení slupice 26

23 NÁVRH VARIANT ŘEŠENÍ A VÝBĚR OPTIMÁLNÍ VARIANTY Z grafu vyplývá, že do výchylky 10 tečná neboli přítlačná síla mírně vzrůstá, což napomáhá rychlému návratu do pracovní polohy po přejetí menších překážek. Po vychýlení slupice nad 10 již tečná síla klesá, což je příznivé pro ložiska, která tak nejsou zbytečně přetěžována a při návratu slupice na doraz vzniká menší ráz. Toto vychýlení nastává při najetí na větší překážku. Pracovní rozsah mechanismu je 30, ten umožňuje maximální zvednutí disku o 213 mm což je ještě o 13 mm více, než bylo požadováno. 5.3 Výběr konečné varianty 5.3 Porovnáním charakteristik obou způsobů odjištění (pro přehlednost zobrazených v jednom grafu viz obr. 4.6) je zřejmé, že charakteristika odjištění při použití vinuté pružiny je mnohem příznivější než u použití gumových silentbloků. Navíc koncepce gumových silentbloků není schopna splnit požadované parametry, které byly zadány. Obr. 5.6 Graf porovnání obou charakteristik odjištění Na základě výše uvedených důvodů bylo vybráno řešení samostatně uložených disků s pevnými slupicemi, které jsou uloženy v čepovém spoji a jištěny vinutou pružinou. 27

24 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ 6.1 Návrh a výpočet ložisek Požadovaná trvanlivost ložisek závisí na předpokládané životnosti stroje. Protože zákazníci firmy Farmet preferují dlouhou životnost a spolehlivost stroje i za cenu vyšších pořizovacích nákladů, jsou stroje běžně dimenzované na životnost minimálně 10 let. Diskový podmítač o šířce záběru 6 m, pracovní rychlosti 15 km.h -1 ročně zpracovává cca 5000 ha půdy. Za 10 let stroj zpracuje přibližně 500 km 2 za 5560 hodin čistého času. Pro výpočet trvanlivosti ložisek je velmi důležité přesné stanovení zatěžujících sil, což je u zemědělských strojů velmi obtížné. Stroje pracují v různých půdách, které mají odlišné složení a fyzikální vlastnosti (např. hmotnost, odpor proti vnikání nástroje). Navíc se na polích velmi často objevují překážky (například kameny), které i přestože je stroj vybaven mechanismem odjištění, způsobují při přejetí značné rázy, které jsou z disku na slupici přenášeny přes ložiska. Z toho důvodu je nutné ložiska dimenzovat s velkým koeficientem bezpečnosti. Do takového prostředí jsou vhodná ložiska s čárovým stykem, která lépe snáší Obr. 6.1 Zjednodušené schéma zatěžujících sil působících na ložiska rázy díky vetší stykové ploše mezi vedením a valivými elementy a také mají několikanásobně větší únosnost než ložiska s bodovým stykem. Proto byla zvolena kuželíková ložiska, která jsou výrobně poměrně jednoduchá, a proto relativně levná, ale přesto mají velmi dobré mechanické vlastnosti. Pro výpočet bylo navrženo ložisko SKF J2/Q. Zjednodušené schéma zatěžujících sil je znázorněno na obr Síly F tz a F ty jsou složky tečné (přítlačné) síly vyvozené pružinou (viz kapitola 5.2.2). Síla F 1 je síla způsobená natočením disku vůči směru jízdy o pracovní úhel. Tato síla závisí nejen na pracovním úhlu, ale také na vlastnostech půdy, proto její velikost přesně neznáme. Síla F 1 má na životnost ložisek velký vliv, protože způsobuje poměrně velký klopný moment v místě uložení. Z toho důvodu byl proveden výpočet trvanlivost ložisek v závislosti na velikosti síly F 1 v rozmezí od 400 do 2300 N (viz příloha 1). Výsledky výpočtů jsou zaneseny do grafu, který vyjadřuje závislost trvanlivosti ložisek na velikosti síly F 1 (viz obr. 6.2). 28

25 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ Závislost životnosti ložisek na síle F Životnost ložisek [hod] L 10A L 10B Síla F1 zpùsobující klopný moment [N] Obr. 6.2 Graf závislosti trvanlivosti ložisek na velikosti síly F 1 Z grafu je zřejmé, že s rostoucí silou F 1 rychle klesá životnost obou ložisek. Ložisko B je namáháno více, protože přenáší axiální sílu. Z výpočtů vyplývá, že i při velikosti síly F 1 = 2300 N má ložisko B životnost hodin, čímž je splněna požadovaná trvanlivost s vysokým koeficientem bezpečnosti. Po vyrobení zkušebního stroje bude přímo na poli (v reálných podmínkách) provedeno měření skutečné síly F 1, aby byla stanovena skutečná životnost ložisek. F 1 29

26 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ Návrh ochrany ložisek proti vnikání nečistot Pro návrh vhodného zatěsnění je nutné vzít v úvahu, jakému prostředí bude stroj vystaven. Těsnění musí odolat silně prašnému prostředí na vyschlém poli, jemnému blátíčku, když se prach smísí s vodou, stékající vodě a povětrnostním podmínkám při uskladnění stroje v nezastřešených prostorách. Jako nejvhodnější řešení bylo zvoleno použití těsnícího V-kroužku (viz obr. 6.3) s nutností domazávání během životnosti stroje. Nevýhodou nutnosti domazávání je snížení bezúdržbovosti stroje. Naopak velkou výhodou při použití V-kroužku je možnost úniku mazacího tuku při zvýšení tlaku (při domazávání) vytlačením přes Obr. 6.3 Schematické zobrazení uložení ložisek a jejich zatěsnění proti vnikání nečistot těsnění ven. Takto vytlačený mazací tuk s sebou odvádí nečistoty, které se dostaly přes V-kroužek, a zároveň je jím kroužek domazáván a nedochází k jeho nadměrnému opotřebení Pevnostní analýza navržené slupice Pevnostní analýza slupice byla provedena metodou konečných prvků v programu Autodesk Inventor Professional 2009, Technologie ANSYS. Slupice bude vyrobena z materiálu s mezí kluzu Re = 550 MPa. Výsledkem pevnostní analýzy je zobrazení ekvivalentního napětí (viz obr. 6.4) a zobrazení deformace (viz obr. 6.5). Z prvního zobrazení je zřejmé, že ekvivalentní napětí slupice je hluboko pod mezí kluzu použitého materiálu. Slupice tedy vydrží požadované zatížení. Ze zobrazení deformace můžeme odečíst, že maximální deformace slupice nastane podle předpokladu v místě uložení disku. Největší hodnota deformace je přibližně 11 mm a nastane při odjištění disku v okamžiku najetí na překážku. Toto vychýlení se pohybuje v oblasti pružné deformace a po přejetí přes překážku se vrátí do původní polohy. 30

27 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ Obr. 6.4 Zobrazení ekvivalentního napětí slupice Obr. 6.5 Zobrazení deformace slupice 31

28 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ Model pracovního orgánu diskového podmítače Na základě provedených měření, výpočtů a navržených kinematik mechanismů byl v programu Autodesk Inventor Professional 2009 vytvořen model pracovního orgánu diskového podmítače (viz obr. 6.6). Z tohoto modelu byly vytvořeny výkresy sestavení pracovního orgánu diskového podmítače (viz příloha 2). Obr. 6.6 Konečné konstrukční řešení pracovního orgánu diskového podmítače 32

29 KONSTRUKČNÍ, TECHNOLOGICKÝ A EKONOMICKÝ ROZBOR ŘEŠENÍ 7. KONSTRUKČNÍ, TECHNOLOGICKÝ A EKONOMICKÝ ROZBOR ŘEŠENÍ 7 V první části této bakalářské práce bylo cílem zmapovat vývoj a současný stav poznání z oblasti diskových podmítačů. Pro lepší představu o daném problému jsem v úvodu uvedl stručný historický vývoj obdělávání půdy od doby 10 tisíc let před Kristem až do šedesátých let 20. století našeho letopočtu. V přehledu současného stavu poznání jsem popsal dvě základní koncepce diskových podmítačů (disky uložené na společné hřídeli a samostatně uložené disky tzv. krátké disky ), jejich výhody a nevýhody a přehled firem, které se zabývaly nebo stále zabývají jejich výrobou a vývojem. Dále jsem popsal hlavní koncepce uložení a jištění proti přetížení u krátkých diskových podmítačů. Jedná se o tři různé koncepce jištění (gumovými elementy, tvarovou pružinou a vinutou pružinou), u kterých jsem uvedl hlavní vlastnosti, výhody a nevýhody. Druhou část práce jsem věnoval konstrukčnímu řešení pracovního orgánu diskového podmítače. Cílem bylo zkonstruovat podmítač s průměrem disku 615 mm, který by byl vhodný i pro použití v náročnějších podmínkách, jako například kamenité pole. V úvahu připadaly dvě varianty. První možností bylo upravit stávající diskový podmítač Disker firmy Farmet. Tento stroj má slupice disků uložené pomocí gumových silentbloků. Bylo třeba ověřit, zda je tento způsob uložení schopen zajistit požadované parametry. Proto jsme provedli měření na zkušební stolici. Výsledkem tohoto měření bylo zjištění, že uložení pomocí gumových silentbloků není schopné zajistit požadované parametry. Proto jsme se rozhodli zkonstruovat nový systém uložení disků. Na základě provedených měření, výpočtů a rozborů jednotlivých variant uložení jsme se rozhodli použít koncepci samostatně uložených disků s pevnými slupicemi, které jsou uloženy v čepovém spoji a jištěny vinutou pružinou. Pro zvolenou koncepci jsme navrhli kinematiku mechanismu odjištění. Provedl jsem výpočet zatěžujících sil, návrh a výpočet trvanlivosti ložisek a pevnostní analýzu slupice. Výsledky provedených výpočtů a simulací ukazují, že navržený pracovní orgán bude pracovat podle zadaných parametrů po celou dobu jeho navržené životnosti. Na základě provedených měření, výpočtů a navržených kinematik mechanismů byl vytvořen model a výkresy sestavení pracovního orgánu diskového podmítače, což bylo cílem této bakalářské práce. V další fázi bude následovat tvorba výrobních výkresů a zhotovení zkušebního stroje. Na zkušebním stroji bude provedeno měření skutečných zatěžujících sil v reálném provozu. Na základě výsledků těchto měření bude následovat stanovení skutečné životnosti ložisek, případně jejich nahrazení vhodnějšími ložisky. Dále bude pomocí metody konečných prvků optimalizován tvar jednotlivých součástí a minimalizována hmotnost stroje. Tato problematika by mohla být náplní dalšího studijního programu. 33

30 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 8 8. SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ Literatura: [1] KUMHÁLA, František, et al. Zemědělská technika : Stroje a technologie pro rostlinnou výrobu. 1. vyd. Praha : Česká zemědělská univerzita, s. ISBN [2] HŮLA, Josef. Minimalizace zpracování půdy. 1. vyd. Praha : Profi Press, s. ISBN [3] KÖLLER, Karlheinz, LINKE, Christian. Úspěch bez pluhu. 1. vyd. Praha : Tiskap, s. ISBN [4] LEINVEBER, Jan, VÁVRA, Pavel. Strojnické tabulky : Pomocná učebnice pro školy technického zaměření. 1. vyd. Praha : Albra, s. ISBN World Wide Web: [5] NÝČ, Michal. Farmet DISKER - moderní diskový podmítač [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < pdf>. [6] JAVOREK, Filip. Systémy a jejich realizace [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < s228x31001.html>. [7] Manuál konstruktéra [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [8] VZNIK A PŮVOD PŘEMYSLOVSKÉ POVĚSTI [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [9] Vintage Spanners & Wrenches in Australia [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [10] SIMBA - stroje na zpracování půdy [online]. 009 [cit ]. Dostupný z WWW: < [11] Nesený diskový podmítač 2,0 m - typ NPJ 2 [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < 34

31 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [12] Lemken Rubin 9 KÜA 600 [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [13] Disc stubble plough [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [14] Disc cultivator Rubin 9 [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [15] Diskové podmítače Disker [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [16] AGRISEM Disc-O-Mulch Super SE35 [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [17] Lemken technika [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < =1&menu_id=33>. Reklamní prospekty firem: Agrisem, Amazone, Einböck, Farmet, HE-VA, Khun, Lemken, Rabe, Strom, Väderstat, 35

32 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN 9 9. SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN α [ ] - úhel natočení tečné síly F t C [N] - dynamická únosnost C 0 [N] - statická únosnost D [mm] - vnější průměr ložiska d [mm] - vnitřní průměr ložiska e - součinitel F 1 [N] - síla způsobující klopný moment F aa [N] - axiální síla na ložisku A F aamax [N] - celková axiální síla na ložisku A F ab [N] - axiální síla na ložisku B F abmax [N] - celková axiální síla na ložisku B F Ay [N] - reakce v místě ložiska A v ose y F Az [N] - reakce v místě ložiska A v ose z F Bx [N] - reakce v místě ložiska B v ose x F By [N] - reakce v místě ložiska B v ose y F max [N] - síla pružiny F p [N] - síla předepnutí F ra [N] - radiální síla na ložisku A F ramax [N] - celková radiální síla na ložisku A F rb [N] - radiální síla na ložisku B F rbmax [N] - celková radiální síla na ložisku B F t [N] - tečná (přítlačná) síla F ty [N] - tečná (přítlačná) síla v ose y F tz [N] - tečná (přítlačná) síla v ose z K a [N] - axiální síla L 10A [hod] - základní životnost ložiska A L 10B [hod] - základní životnost ložiska B M ob [N.mm] - ohybový moment k bodu B n[min -1 ] - otáčky disku P [N] - ekvivalentní dynamické zatížení R e [MPa] - mez kluzu T [mm] - šířka ložiska x [mm] - vzdálenost mezi ložisky X - radiální součinitel y [mm] - poloměr disku Y - axiální součinitel Y 0 - součinitel statického axiálního zatížení z [mm] - vzdálenost od okraje disku k ložisku B 36

33 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ 10. SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ 10 Obr. 1.1 Počátky zpracování půdy [8] Obr. 1.2 Moderní diskový podmítač [10] Obr. 1.1 Historický diskový podmítač [9] Obr. 1.4 Uspořádání disků do X [13] Obr. 1.3 Uspořádání disků do V [11] Obr. 1.5 Diskový podmítač se samostatným uložením disků [12] Obr. 1.6 Ukázka odjištění disků při najetí na překážku [14] Obr. 1.7 Pevné slupice jištěné gumovými elementy [15] Obr. 1.8 Slupice tvořené tvarovou pružinou ze čtyřhranné oceli [16] Obr. 1.8 Pevné slupice jištěné vinutou pružinou [17] Obr. 2.1 Současný pracovní orgán diskového podmítače Disker firmy Farmet [5] Obr. 2.2 Současný diskový podmítač Disker firmy Farmet [5] Obr. 5.2 Odečítání výchylky slupice a tlaku v pístnici Obr. 5.1 Zkušební stolice Obr. 5.3 Graf závislosti síly působící na slupici v závislosti na úhlu vychýlení slupice Obr. 5.4 Návrh kinematiky mechanismu odjištění slupice Obr. 5.5 Graf závislosti tečné síly Ft na úhlu vyklopení slupice Obr. 5.6 Graf porovnání obou charakteristik odjištění Obr. 6.1 Zjednodušené schéma zatěžujících sil působících na ložiska Obr. 6.2 Graf závislosti trvanlivosti ložisek na velikosti síly F Obr. 6.3 Schematické zobrazení uložení ložisek a jejich zatěsnění proti vnikání nečistot Obr. 6.4 Zobrazení ekvivalentního napětí slupice Obr. 6.5 Zobrazení deformace slupice Obr. 6.6 Konečné konstrukční řešení pracovního orgánu diskového podmítače

34 SEZNAM PŘÍLOH SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1 Příloha 2 - Výpočet ložisek - Ukázka sestavení pracovního orgánu diskového podmítač 38